מודל ראש סגור מבוקר אלקטרומגנטי של פגיעה מוחית טראומטית קלה בעכברים
Summary
הפרוטוקול מתאר פגיעה מוחית טראומטית קלה במודל עכבר. בפרט, פרוטוקול שלב אחר שלב לגרימת פגיעת ראש סגורה קלה בקו האמצע ואפיון מודל בעלי החיים מוסבר במלואו.
Abstract
מודלים בעלי חיים בעלי יכולת שחזור גבוהה של פגיעה מוחית טראומטית (TBI), עם פתולוגיות מוגדרות היטב, נחוצים לבחינת התערבויות טיפוליות ולהבנת המנגנונים של האופן שבו פגיעה מוחית טראומטית משנה את תפקוד המוח. הזמינות של מודלים מרובים של בעלי חיים של פגיעה מוחית טראומטית נחוצה כדי למדל את ההיבטים והחומרה השונים של פגיעה מוחית טראומטית שנראים אצל אנשים. כתב היד הזה מתאר את השימוש בחבלת ראש סגורה בקו האמצע (CHI) כדי לפתח מודל עכברי של פגיעה מוחית טראומטית קלה. המודל נחשב קל מכיוון שהוא אינו מייצר נגעים מבניים במוח המבוססים על הדמיה מוחית או אובדן עצבי גס. עם זאת, השפעה אחת יוצרת מספיק פתולוגיה כך שהליקוי הקוגניטיבי ניתן למדידה לפחות חודש לאחר הפציעה. פרוטוקול שלב אחר שלב להשראת CHI בעכברים באמצעות משפיע אלקטרומגנטי מונחה סטריאוטקסית מוגדר במאמר. היתרונות של מודל CHI קו האמצע המתון כוללים את יכולת השחזור של השינויים הנגרמים על ידי פציעה עם תמותה נמוכה. המודל אופיין באופן זמני עד שנה לאחר הפגיעה בשל דימות מוחי, נוירוכימי, נוירופתולוגי ושינויים התנהגותיים. המודל משלים מודלים של גולגולת פתוחה של פגיעה מבוקרת בקליפת המוח באמצעות אותו מכשיר משפיע. לפיכך, מעבדות יכולות למדל גם TBI מפוזר קל וגם TBI מוקדי בינוני עד חמור עם אותו משפיע.
Introduction
פגיעה מוחית טראומטית (TBI) נגרמת על-ידי כוח חיצוני על המוח, הקשור לעתים קרובות לנפילות, פציעות ספורט, אלימות פיזית או תאונות דרכים. בשנת 2014, המרכז לבקרת מחלות ומניעתן קבע כי 2.53 מיליון אמריקאים ביקרו במחלקת החירום כדי לבקש עזרה רפואית עבור תאונות הקשורות לפגיעה מוחית טראומטית1. מאחר ש-TBI קלה (mTBI) מייצגת את רוב המקרים של פגיעה מוחית טראומטית, במהלך העשורים האחרונים אומצו מודלים רבים של mTBI, הכוללים ירידה במשקל, פגיעת ראש סגורה מונעת בוכנה ופגיעה מבוקרת בקליפת המוח, פגיעה סיבובית, פציעה קלה של כלי הקשה מנוזלים ומודלים של פגיעות הדף 2,3. ההטרוגניות של מודלי mTBI שימושית כדי לטפל בתכונות השונות הקשורות ל-mTBI שנצפו אצל אנשים ולעזור להעריך את המנגנונים התאיים והמולקולריים הקשורים לפגיעה מוחית.
מבין המודלים הנפוצים של פגיעת ראש סגורה, אחד המודלים הראשונים והנפוצים ביותר הוא שיטת הירידה במשקל, שבה חפץ נופל מגובה מסוים על ראשו של בעל החיים (מורדם או ער)2,4. בשיטת הירידה במשקל, חומרת הפציעה תלויה במספר פרמטרים, כולל קרניוטומיה המבוצעת או לא, ראש קבוע או חופשי, והמרחק והמשקל של החפץ הנופל 2,4. חסרון אחד של מודל זה הוא השונות הגבוהה בחומרת הפגיעה ושיעור התמותה הגבוה הקשור לדיכאון נשימתי 5,6. חלופה נפוצה היא להעביר את הפגיעה באמצעות מכשיר פנאומטי או אלקטרומגנטי, אשר יכול להיעשות ישירות על דורה חשופה (פגיעה קליפת המוח מבוקרת: CCI) או גולגולת סגורה (פגיעת ראש סגורה: CHI). אחת מנקודות החוזק של הפציעה המונעת על ידי בוכנה היא יכולת השחזור הגבוהה שלה והתמותה הנמוכה. עם זאת, CCI דורש craniotomy7,8, ו craniotomy עצמו גורם דלקת9. במקום זאת, במודל CHI, אין צורך craniotomy. כאמור, לכל מודל יש מגבלות. אחת המגבלות של מודל CHI המתואר במאמר זה היא שהניתוח מבוצע באמצעות מסגרת סטריאוטקסית, וראשו של בעל החיים משותק. בעוד שתנועת ראש מלאה מבטיחה יכולת שחזור, היא אינה מתחשבת בתנועה לאחר הפגיעה שעלולה לתרום לפציעה הקשורה ל-mTBI.
פרוטוקול זה מתאר שיטה בסיסית לביצוע פגיעת CHI עם התקן השפעה אלקטרומגנטי זמין מסחרית10 בעכבר. פרוטוקול זה מפרט את הפרמטרים המדויקים המעורבים כדי להשיג פציעה בעלת יכולת שחזור גבוהה. בפרט, לחוקר יש שליטה מדויקת על הפרמטרים (עומק הפציעה, זמן השהייה ומהירות הפגיעה) כדי להגדיר במדויק את חומרת הפציעה. כפי שתואר, מודל CHI זה מייצר פגיעה הגורמת לפתולוגיה דו-צדדית, הן דיפוזית והן מיקרוסקופית (כלומר, הפעלה כרונית של גליה, נזק אקסונלי וכלי דם), ופנוטיפים התנהגותיים 11,12,13,14,15. בנוסף, המודל המתואר נחשב קל שכן הוא אינו גורם לנגעים מבניים במוח על סמך MRI או נגעים גסים על פתולוגיה אפילו שנה לאחר הפציעה16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
מספר שלבים מעורבים ביצירה מחדש של מודל פציעה עקבי באמצעות המודל המתואר. ראשית, קריטי לאבטח נכון את בעל החיים לתוך המסגרת הסטריאוטקסית. ראשו של בעל החיים לא אמור להיות מסוגל לנוע לרוחב, והגולגולת צריכה להיות שטוחה לחלוטין עם ברגמה ולמבדה הקוראות את אותן קואורדינטות. מיקום נכון של מוטות האו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות תחת מספרי הפרסים R01NS120882, RF1NS119165 ו- R01NS103785 ומספר הפרס של משרד ההגנה AZ190017. התוכן הוא באחריותם הבלעדית של המחברים ואינו מייצג את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות או משרד ההגנה.
Materials
| 9 mm Autoclip Applier | Braintree scientific | ACS- APL | Surgery |
| 9 mm Autoclip Remover | Braintree scientific | ACS- RMV | Surgery |
| 9 mm Autoclip, Case of 1,000 clips | Braintree scientific | ACS- CS | Surgery (Staples) |
| Aperio ImageScope software | Leica BioSystems | NA | IHC |
| BladeFLASK Blade Remover | Fisher Scientific | 22-444-275 | Surgery |
| Cotton tip applicator | VWR | 89031-270 | Surgery |
| Digitial mouse stereotaxic frame | Stoelting | 51730D | Surgery |
| Dumont #7 Forceps | Roboz | RS-5047 | Surgery |
| Ear bars | Stoelting | 51649 | Surgery |
| EthoVision XT 11.0 | Noldus Information Technology | NA | RAWM |
| Fiber-Lite | Dolan-Jeffer Industries | UN16103-DG | Surgery |
| Fisherbrand Bulb for Small Pipets | Fisher Scientific | 03-448-21 | Head support apparatus |
| Gemini Avoidance System | San Diego Instruments | NA | Active avoidance |
| Heating Pad | Sunbeam | 732500000U | Surgery prep |
| HRP conjugated goat anti-rabbit IgG | Jackson Immuno Research laboratories | 111-065-144 | IHC |
| Induction chamber | Kent Scientific | VetFlo-0530XS | Surgery prep |
| Isoflurane, USP | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | Surgery |
| Mouse gas anesthesia head holder | Stoelting | 51609M | Surgery |
| Neuropactor Stereotaxic Impactor | Neuroscience Tools | n/a | Surgery: Formally distributed by Lecia as impact one |
| NexGen Mouse 500 | Allentown | n/a | Post-surgery, holding cage |
| Parafilm | Bemis | PM992 | Head support apparatus |
| Peanut – Professional Hair Clipper | Whal | 8655-200 | Surgery prep |
| Povidone-Iodine Solution USP, 10% (w/v), 1% (w/v) available Iodine, for laboratory | Ricca | 3955-16 | Surgery |
| Puralube Vet Oinment,petrolatum ophthalmic ointment, Sterile ocular lubricant | Dechra | 17033-211-38 | Surgery |
| Rabbit anti-GFAP | Dako | Z0334 | IHC |
| Rabbit anti-IBA1 | Wako | 019-19741 | IHC |
| 8-arm Radial Arm Water Maze | MazeEngineers | n/a | RAWM |
| Scale | OHAUS CS series | BAL-101 | Surgery prep |
| Scalpel Handle #7 Solid 6.25" | Roboz | RS-9847 | Surgery |
| Sterile Alcohol Prep Pads (isopropyl alcohol 70% v/v) | Fisher Brand | 22-363-750 | Surgery prep |
| SumnoSuite low-flow anesthesia system | Kent Scientific | SS-01 | Surgery |
| 10 mL syringe Luer-Lok Tip | BD Bard-Parker | 302995 | Head support apparatus |
| Timers | Fisher Scientific | 6KED8 | Surgery |
| Topical anesthetic cream | L.M.X 4 | NDC 0496-0882-15 | Surgery prep |
| Triple antibiotic ointment | Major | NDC 0904-0734-31 | Post-surgery |
| Tubing | MasterFlex | 96410-16 | Head support apparatus |
| Vaporizer Single Channel Anesthesia System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Surgery prep |
References
- Capizzi, A., Woo, J., Verduzco-Gutierrez, M. Traumatic brain injury: An overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. The Medical Clinics of North America. 104 (2), 213-238 (2020).
- Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Albert-Weissenberger, C., Varrallyay, C., Raslan, F., Kleinschnitz, C., Siren, A. L. An experimental protocol for mimicking pathomechanisms of traumatic brain injury in mice. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4, 1 (2012).
- Chen, Y., Constantini, S., Trembovler, V., Weinstock, M., Shohami, E. An experimental model of closed head injury in mice: pathophysiology, histopathology, and cognitive deficits. Journal of Neurotrauma. 13 (10), 557-568 (1996).
- Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
- Schwulst, S. J., Islam, M. Murine model of controlled cortical impact for the induction of traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (150), e60027 (2019).
- Cole, J. T., et al. Craniotomy: True sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
- Brody, D. L., et al. Electromagnetic controlled cortical impact device for precise, graded experimental traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (4), 657-673 (2007).
- Webster, S. J., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Bachstetter, A. D. Closed head injury in an age-related Alzheimer mouse model leads to an altered neuroinflammatory response and persistent cognitive impairment. The Journal of Neuroscience. 35 (16), 6554-6569 (2015).
- Macheda, T., Roberts, K. N., Morganti, J. M., Braun, D. J., Bachstetter, A. D. Optimization and validation of a modified radial-arm water maze protocol using a murine model of mild closed head traumatic brain injury. PLoS One. 15 (8), 0232862 (2020).
- Macheda, T., Snider, H. C., Watson, J. B., Roberts, K. N., Bachstetter, A. D. An active avoidance behavioral paradigm for use in a mild closed head model of traumatic brain injury in mice. Journal of Neuroscience Methods. 343, 108831 (2020).
- Bachstetter, A. D., et al. Attenuation of traumatic brain injury-induced cognitive impairment in mice by targeting increased cytokine levels with a small molecule experimental therapeutic. Journal of Neuroinflammation. 12, 69 (2015).
- Bachstetter, A. D., et al. The effects of mild closed head injuries on tauopathy and cognitive deficits in rodents: Primary results in wild type and rTg4510 mice, and a systematic review. Experimental Neurology. 326, 113180 (2020).
- Lyons, D. N., et al. A mild traumatic brain injury in mice produces lasting deficits in brain metabolism. Journal of Neurotrauma. 35 (20), 2435-2447 (2018).
- Yanckello, L. M., et al. Inulin supplementation mitigates gut dysbiosis and brain impairment induced by mild traumatic brain injury during chronic phase. Journal of Cellular Immunology. 4 (2), 50-64 (2022).
- Bachstetter, A. D., et al. Early stage drug treatment that normalizes proinflammatory cytokine production attenuates synaptic dysfunction in a mouse model that exhibits age-dependent progression of Alzheimer’s disease-related pathology. The Journal of Neuroscience. 32 (30), 10201-10210 (2012).
- Zvejniece, L., et al. Skull fractures induce neuroinflammation and worsen outcomes after closed head injury in mice. Journal of Neurotrauma. 37 (2), 295-304 (2020).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
- Petraglia, A. L., et al. The spectrum of neurobehavioral sequelae after repetitive mild traumatic brain injury: a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Journal of Neurotrauma. 31 (13), 1211-1224 (2014).
- Laskowitz, D. T., et al. COG1410, a novel apolipoprotein E-based peptide, improves functional recovery in a murine model of traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (7), 1093-1107 (2007).
- Lloyd, E., Somera-Molina, K., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Wainwright, M. S. Suppression of acute proinflammatory cytokine and chemokine upregulation by post-injury administration of a novel small molecule improves long-term neurologic outcome in a mouse model of traumatic brain injury. Journal of Neuroinflammation. 5, 28 (2008).
- Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (2), 299-307 (2016).
- Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).
