Summary

Роман Модель легкой черепно-мозговой травмой для несовершеннолетних крыс

Published: December 08, 2014
doi:

Summary

The modified weight-drop technique is an easy, cost-effective procedure used for the induction of mild traumatic brain injury in juvenile rats. This novel technique produces clinically relevant symptomology that will advance the study of mild traumatic brain injury (mTBI) and concussion.

Abstract

Despite growing evidence that childhood represents a major risk period for mild traumatic brain injury (mTBI) from sports-related concussions, motor vehicle accidents, and falls, a reliable animal model of mTBI had previously not been developed for this important aspect of development. The modified weight-drop technique employs a glancing impact to the head of a freely moving rodent transmitting acceleration, deceleration, and rotational forces upon the brain. When applied to juvenile rats, this modified weight-drop technique induced clinically relevant behavioural outcomes that were representative of post-concussion symptomology. The technique is a rapidly applied procedure with an extremely low mortality rate, rendering it ideal for high-throughput studies of therapeutics. In addition, because the procedure involves a mild injury to a closed head, it can easily be used for studies of repetitive brain injury. Owing to the simplistic nature of this technique, and the clinically relevant biomechanics of the injury pathophysiology, the modified weight-drop technique provides researchers with a reliable model of mTBI that can be used in a wide variety of behavioural, molecular, and genetic studies.

Introduction

Хотя есть много широко используемых методов для генерации умеренной до тяжелой черепно-мозговой травмы (ЧМТ), очень немногие методы были разработаны, чтобы побудить мягкий, закрыты травмы головы у грызунов. В связи с тем, что легкой черепно-мозговая травма (mTBI) в три раза чаще, чем умеренной и тяжелой черепно-мозговой травмой в сочетании 1, надежная модель из mTBI необходимое для содействия научным исследованиям в отношении патофизиологии, нейробиологические и поведенческих результатов, и терапевтических стратегий. Например, частично из-за ограничений текущих моделях животных 2, в последнее десятилетие произошло более 200 удалось клинические испытания лекарственных препаратов для лечения ЧМТ 3. При моделировании системы создаются для трансляционных исследований, применимости результатов зависят от применимости модели реализованы. Для изучения mTBI / сотрясением мозга, надежная модель животного не только имитировать биомеханических сил, которые responность за травмы этиологии, но и вызывают симптомы согласуются с данными по клинически значимых населения. Кроме того, поскольку дети находятся в особенно высоком риске для mTBI, оптимальные системы моделирования будут применяться к молодым и несовершеннолетних грызунов, в дополнение к их взрослых эквивалентов.

Биомеханические анализ обстоятельств, в которых спортсмены понесли mTBIs или Шокирующий травмы головного мозга показывают, что наиболее критические прогностических факторов травмы являются быстрое ускорение головы и воздействия высокой скоростью 4. Большинство моделях грызунов, используемых в настоящее время для индукции TBI позволяют мало или вообще не движение головки 5 (для обзора см 2). Модель описанный здесь обеспечивает воздействие высокой скорости в голову физически безудержного несовершеннолетних крыса, которая сопровождается разворотом на 180 ° и свободного падения, которое применяется ускорения / замедления силы тела и головы пациента. Tвот два основных преимущества, связанные с этой модифицированной методики падение веса для индукции mTBI. Во-первых, модель производит клинически значимых Шокирующий как симптоматики, не вызывая каких-либо явных повреждений мозга (для полного описания поведенческих результатов см 6). Также в соответствии с клиническими докладов после Шокирующий синдром, этот модифицированный метод веса падение производит неоднородные результаты. Хотя эффект от mTBI значительны, есть существенные различия между грызунов, которые испытали mTBI при рассмотрении на нескольких мер результата. Во-вторых, метод позволяет изучать повторяющихся mTBI 7. Поскольку большинство существующих моделей ТПМ нанести такие серьезные повреждения, часто бывает трудно, чтобы вызвать вторую травму, и почти невозможно исследовать повторяющихся TBI без значительного ущерба для всего мозга.

Таким образом, основной Обоснованием для использования в модифицированной методики падение веса для промышлеие из mTBI является создание травмы, которые более тесно представляет патофизиологии и симптоматику сотрясения мозга и повторных ЧМТ в отношении несовершеннолетних населения. С ростом заболеваемости mTBI связанных со спортом, падает, и автомобильных аварий, особенно в детском возрасте, эта уникальная модель грызун mTBI предоставляет исследователям ценным инструментом для изучения Шокирующий-как-мозговой травмы, которые могут быть легко применена к нескольким хита парадигмы.

Protocol

Примечание: Все эксперименты проводились в соответствии с Канадским советом ухода за животными и были одобрены Университета Калгари, Комитета по уходу за животными этике. 1. Разведение и подготовка животных Заказать беременных крыс из стандартных поставщиков лабораторных животных, порода щенков в доме в соответствии со стандартными протоколами селекции. Дом все животные с свободном доступе к пище и воде, в контролируемой температурой крысы жилья комнаты (21 ° C), что хранится на 12:12 ч свет: темнота цикла. Когда щенки достигают послеродовой день 21 (P21), отучить щенка от своих матерей и дома в однополых группах 3 или 4. 2. Настройка легкой черепно-мозговой травмы (mTBI) Аппараты До начала процедуры, мельница веса на нужную массы (например, 150 г). Надежно закрепите металлическую петлю к верхнему концу веса позволяет леска быть фантастическиефиксировано к весу. Результат оловянной фольги с острым лезвием бритвы. Убедитесь, что забил фольга поддерживает вес тела крыс, но не будет вмешиваться с ускорением крыс после удара головой с весом. Лента забил фольга для U-образной этапе из прозрачного пластика (38 х 27 х 27 см 3), который содержит набор губку (38 х 25 х 15 см 3) (рис 1), так что он не будет натянута. Поместите U-образный пластиковый этап в правильном положении под направляющей трубы, изготовленной из прозрачного пластика. Держите пластиковую направляющую трубку (2,2 см диаметр х 1,5 м) на месте с помощью зажима стенде и установите направляющую трубку так, чтобы она 3,5 см выше забил оловянной фольги. Приложить леску через металлическую петлю с весом, обеспечивающим, что в нижней части массы свободно висит 2,5 см выше надреза фольги. Надежно закрепите леску в зажим стенда. ПРИМЕЧАНИЕ: Tethering вес на моллюскар стенд на высоте 2,5 см выше оловянной фольги предотвращает повторное хитов, крыса падает от удара к коллекции губкой). Потяните вес через пластиковую направляющую трубку с леской и удерживать его на месте с ключевого штифта Ален на 1,0 м. 3. Индукция mTBI Когда крысы достигают Р30 перемещения клетки в процедурной комнате. Поместите крыс в ИФ камеры и слегка обезболить крысы, пока он не не реагируют на лапу или хвост щепотку. Быстро разместить крысы груди вниз на забитый фольгу с ног на голову прямо в пути падающего груза. Смотрите Рисунок 2. Если крыса начинает двигаться или пробуждения, прежде чем он может быть помещен на забитый фольгу, не вернуться к ИФ камеры до не отвечающих на лапу или хвост шнура и начать снова. Потяните ключевой штифт Аллен, позволяя вес падать вертикально через пластиковую направляющую трубку и ударить крысу на голове. Thе крыса быстро пройти 180 ° вращение и землю в положении лежа на спине. Немедленно снять крысу из коллекции губки и применять актуальные лидокаин к голове крысы ватным наконечником аппликатором. Поместите крысу в положении лежа на спине в чистой клетке, которая нагревается путем установки ее на коммерчески доступного грелку. Использование секундомера или цифровой таймер приобрести "время-направо". Время-направо будет время, затраченное на крыс, чтобы разбудить от наркоза и флип из лежачем положении в положении лежа или начать ходить. Вернуться крысу в исходное клетку после того, как восстановился нормальное поведение (ухаживание, Прогулки, исследуя и т.д.). Повторите шаги 3,2-3,8 для каждого дополнительного крысы, требующей mTBI. Повторите процедуру на той же крысы в ​​различные моменты времени для повторяющихся экспериментов mTBI. 4. Индукция Шам травмы Слегка ANESThetize крысу с ИФ, пока он не не реагируют на лапу или хвост щепотку. Быстро разместить крысы груди вниз на забитый фольгу с ног на голову прямо в пути падающего груза. Удалить крысу из оловянной фольги, не вытаскивая ключевой штифт Аллен из пластиковой направляющей трубки и применить местное лидокаин в голову крысы ватным наконечником аппликатором. Поместите крысу в положении лежа на спине в чистой клетке, которая нагревается путем установки ее на коммерчески доступного грелку. Используйте секундомер или цифровой таймер, чтобы приобрести "время-направо". Вернуться крысу в исходное клетку после того, как восстановился нормальное поведение (ухаживание, Прогулки, исследуя и т.д.). 5. Проверка mTBI с прогулочный тест Beam 8 24 ч после индукции mTBI или фиктивных возврата травмы животных процедурных комнаты. Передача крыс чистой холдинговой клеткеи поместить дом-клетки крысы в ​​узком конце 165 см конической луч таким образом, что открытый участок дома-клетки обращена к узкий конец пучка. ПРИМЕЧАНИЕ: коническая балка длиной 165 см. Центр платформы пучка имеет ширину 6 см на широком конце и 1,75 см на узком конце. Центр пучок имеет выступы (2 см в ширину и 2 см ниже центрального луча), которые обеспечивают безопасность, когда скользит нога крысы. Поместите прокладка пены ниже луча, чтобы снизить риск получения травмы крыс, которые могут выпасть пучка в процессе испытания. Поместите видеокамеру в широком конце конического пучка и положение / увеличить видеокамеру, чтобы убедиться, что следователь при просмотре видео отчетливо видны движения крыс по всей длине конического пучка. Поместите крысу в широком конце конического пучка и поощрять его ходить поперек пучка в исходное клетку. После того, как крыса пересекает коническую луч, оставьте крысу в своем родном клетку, по крайней мере, 60 сек РейNFORCE целевое местоположение. Это Испытание # 1, а не включены в анализ. Включите видеокамеру и подождите, крыса, чтобы завершить пучка, идущих Задача 4 дополнительных раз (с сохранением 60 сек периоды подкрепление в вольере). После того, как крыса завершил все испытания, вернуть крысу в исходное клетку. Отметить, запишите номер задних ног фут-квитанции, которые происходят и / длительность пересечь луч, для каждого отдельного судебного разбирательства. Использовать эти данные, чтобы вычислить среднее количество задних ног фут-квитанции и времени, чтобы пересечь луч для каждой крысы.

Representative Results

Методика модифицирована веса капли, описанный выше, надежным методом индукции легкой черепно-мозговой травмы (mTBI) в ювенильных крыс. Используя ударный вес 150 г, этот метод был успешно применен для несовершеннолетних крыс, которые варьируются от 50-120 г. Кроме того, процедура может быть легко повторен в тех же животных для изучения повторяющихся mTBI. Хотя животные, которые испытывают выделить, обнаруживают mTBI увеличение времени-направо (рис 3) и появляются ошеломлен после пробуждения, они быстро возобновить нормальную деятельность и визуально неотличимы от ложной ранения животных. Учитывая, что травма легкой, местного лидокаина, который исключает любую боль, связанную с скользящим ударом, является единственным болеутоляющим требуется. Это важно для исследования, как обезболивающие, как известно, мешают типичных воспалительных и восстановительных процессов. Из-за отсутствия явной симптоматики, луч ходьба задачей является надежным, чтобыол, который можно использовать для проверки индукцию mTBI. Важно отметить, что не все животные, которые испытывают mTBI будет демонстрировать дефицит на луч минутах задачей, но как группа, несовершеннолетних крыс с mTBI продемонстрировать значительно более заднюю ногу фут-слипы по сравнению с несовершеннолетними крыс с травмой мнимого (Рисунок 4). Другой ключевой характеристикой этого модифицированного метода вес-капли несдержанность применяется в колонию для несовершеннолетних крысы во время индукции повреждения. Предоставляя скользящий удар в голову с последующим быстрым вращения ускорения и замедления, эта модель более точно отражает биомеханические силы, приписываемые mTBI и сотрясением мозга. Когда эта процедура применяется к несовершеннолетним крыс или взрослых мышей, смертность очень низкая (7/202 несовершеннолетних животные ~ смертность 3,4%), а перелом черепа и внутричерепного кровотечения исключительно редки 6,7. Кроме того, модель дает клинически значимых SYmptomology. Несовершеннолетние грызуны, которые испытали одну mTBI продемонстрировал дефицит в балансе и моторных поведения, наряду с дефицитом в исполнительной функции, увеличилось депрессивно-как поведение, и изменили социальных взаимодействий 6,9. Точно так же, взрослые мыши также отображать мягкие дефицит баланса и координации, которые восстановить со временем 7. Наконец, индукция mTBI с использованием этой модели требует минимального анестезии и не предполагает хирургического подготовки или закапывания в черепе. Поэтому результаты не искаженных смешанных воспалительных или иммунологических эффектов, вызванных операцией или наркозом. Кроме того, быстрое время восстановления и отсутствие открытых ран позволяет начало дополнительных парадигм тестирования происходит вскоре после грызуны испытывают mTBI. Рисунок 1: </strong > C Artoon представление U-образный пластиковый этап и сбор губка со всеми соответствующими размерами. Расстояние 10 см должно поддерживаться между губкой сбора и верхней части пластиковой стадии обеспечения несовершеннолетних крыса имеет достаточно времени, чтобы завершить 180 ° вращение. Рисунок 2: (А) Фотографические представление индукционной травмы платформы. Ювенильный крысу помещают в груди вниз на забитый фольгу так, чтобы голова находится непосредственно под падающим грузом. (B) Вид сбоку индукционной травмы платформы. (С) Фотографические демонстрация веса, используемого в индукции mTBI , загрузить / 51820 / 51820fig3highres.jpg "ширина =" 500 "/> Рисунок 3: Графическое представление средние различия во времени-направо между несовершеннолетними крыс, которые испытали одну mTBI и несовершеннолетних крыс, которые испытали травмы фиктивный (* р <0,01) крыс, которые получили, обнаруживают mTBI значительное увеличение. Продолжительность времени, необходимого, чтобы исправить себя от лежачем положении. Рисунок 4: Графическое представление среднего числа задних ног фут-квитанции выставляются на движущейся задачи пучка несовершеннолетних крыс, которые испытали одну mTBI и несовершеннолетних крыс, которые испытали травмы фиктивный (* р <0,05).

Discussion

Reliable modelling systems are needed to effectively cultivate basic science research that has significant translational validity. In response to rising occurrences and popular media, the investigation of mTBI and concussion has become a priority in many disciplines. However, despite increased research, there have been only incremental improvements in therapeutic strategies and treatment options 3. This lack of progress may be partially due to a discrepancy between the modeling systems employed and actual injury etiology. The majority of studies utilized rodent models that failed to reproduce the important biomechanical forces and appropriate post-injury symptomology. The current human definition of mTBI specifies that the injury results from acceleration and deceleration forces associated with a blunt trauma 10. The modified weight drop technique described here is therefore an ideal model for the study of mTBI and concussion because it uses a glancing impact to cause rapid rotational acceleration and deceleration to the head of an unrestrained animal, mimicking the biomechanical forces identified in sports-related injuries and automobile accidents. In addition, this model is easily adapted to examine repetitive mTBI, a phenomena that is emerging as a serious medical and socioeconomic issue. Studies indicate that rodents may be exposed to a series of 10 distinct mTBIs with minimal mortality 7. Finally, the method is inexpensive and can be carried out rapidly, allowing for high-throughput examination of a many therapeutic compounds and treatment regiments.

Just as with any procedural technique, certain aspects of the protocol are particularly important to the generation of reliable results. First, the tin foil needs to be scored effectively. If the tin foil is not properly scored, the force imparted by the weight during the glancing impact will not be enough to propel the juvenile rat through the tin foil onto the collection sponge. In these situations, the rat will remain in the starting position (chest down on the tin foil) and the mTBI will result from the blunt trauma from the weight impacting the stationary head, not the rotational acceleration and deceleration desired. Second, during the induction of the mTBI and the sham injury, the level of anesthetic applied to each rat should be consistent. Owing to the fact that time-to-right is used as marker of mTBI, the researcher should try to ensure that animals receiving a mTBI and animals receiving a sham injury are exposed to similar levels of anesthetic. A major advantage to this technique over many other TBI procedures is the low level and duration of anesthesiology. However, the juvenile rat needs to be non-responsive to a toe or tail pinch to ensure they do not wake-up on the stage before the injury is induced. Finally, in order to maintain a consistent injury etiology, the positioning of the rat’s head is particularly important. Ideally the weight should impact the center of the dorsal surface of the head. Caution should be taken to avoid positioning the path of the weight too near the caudal/posterior portion of the head, as impacting the brainstem and cerebellum is associated with increased mortality and seizure activity.

Based upon the biomechanical pathophysiology of injury induction and the behavioural outcomes examined, the modified weight-drop technique appears to be a reliable model for the investigation of paediatric mTBI and concussion. Although preliminary studies of this novel model have assessed some basic molecular and structural changes 7 future studies will be needed to ascertain how the brain responds to a mTBI with this injury etiology. An in-depth analysis of the neuroanatomical and biological changes that occur at the cellular and epigenetic level would increase model validity and translational applicability. In addition to stimulating the generation of targeted pharmacological therapies, understanding the pathophysiological changes that occur in the brain in response to mTBI and concussion would also direct the research related to clinical biomarkers that have the ability to predict outcomes following injury.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors would like to thank Irene Ma, Rose Tobais, and Jong Rho for their technical assistance. Funding was provided to MJE by the Department of Pediatrics at the University of Calgary, the Alberta Children’s Hospital Foundation (ACHF) and the Alberta Children’s Hospital Research Institute (ACHRI). The Postdoctoral fellowship for RM was provided by ACHF.

Materials

Brass Weights Ginsberg Scientific 7-2500-2 Need to have metal loop attached to base
Alluminum Foil Alcan Available at most grocery stores
Masking Tape Commercially available 
U-Shaped Plastic Stand Constructed by Laboratory
Clamp Stand Sigma-Aldrich Z190357
Plastic Guide Tube Could be constructed or purchased at a hardware store
Fishing Line Angler 10lb  Purchased from a sporting goods retailer 
Isoflurane Pharmaceutical Partners of Canada DIN 02237518 Inhalation Anesthetic
Topical Lidocaine (30ml) Astra Zeneca DIN 0001694 Xylocaine Jelly 2% 
Cotton Swabs Commercially available 
Heating Pad – 3 heat setting Commercially available 
Stop Watch Sportline L303 Purchased from a sporting goods retailer 
Video Camera Sony HDR-CX260V
Sprague Dawley Rats Charles River Laboratories SAS SD 40 Male and females ordered from Charles River Laboratories and pups bred in-house
Balance Beam Constructed by Laboratory

References

  1. DeWitt, D., Perez-Polo, R., Hulsebosch, C., Dash, P., Robertson, C. Challenges in the development of rodent models of mild traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 30, 688-701 (2013).
  2. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
  3. Zhang, Z., Lerner, S., Kobiessy, F., Hayes, R., Wang, K., Yan, Q. Systems biology and the anostic approach to drug discovery and development to treat traumatic brain injury. Systems Biology in Drug Discovery and Development: Methods and Protocols, Methods in Molecular Biology. , .
  4. Viano, D., Casson, I., Pellmen, E. Concussion in profession football: Biomechanics of the struck player – Part 14. Neurosurgery. 61, 313-327 (2007).
  5. Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats: Part 1 – Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80, 291-300 (1994).
  6. Mychasiuk, R., Farran, A., Esser, M. J. Assessment of an experimental rodent model of pediatric mild traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (8), (2014).
  7. Kane, M., et al. A mouse model of human repetitive mild traumatic brain injury. Journal of Neuroscience Methods. 203, 41-49 (2012).
  8. Schallert, T., Woodlee, M., Fleming, S., Krieglstein, J., Klumpp, S. Disentangling multiple types of recovery from brain injury. Pharmacology of Cerebral Ischemia. , (2002).
  9. Mychasiuk, R., Hehar, H., Farran, A., Esser, M. J. Mean Girls: Sex differences in the effects of mild traumatic brain injury on the social dynamics of juvenile rat play behaviour. Behavioural Brain Research. 259, (2014).
  10. Centers for Disease Control and Prevention. . Report to congress on mild traumatic brain injury in the United States: Steps to prevent a serious public health problem. , 1-47 (2003).

Play Video

Cite This Article
Mychasiuk, R., Farran, A., Angoa-Perez, M., Briggs, D., Kuhn, D., Esser, M. J. A Novel Model of Mild Traumatic Brain Injury for Juvenile Rats. J. Vis. Exp. (94), e51820, doi:10.3791/51820 (2014).

View Video