This article describes a method for generating a reproducible spinal cord compression injury (SCI) in the neonatal mouse. The model provides an advantageous platform for studying mechanisms of adaptive plasticity that underlie spontaneous functional recovery.
פגיעה בחוט השדרה (SCI) בדרך כלל גורמת גירעונות נוירולוגיות הרסניות, במיוחד בגלל נזק סיבי יורד מהמוח אל חוט השדרה. אזור נוכחי עיקרי של מחקר מתמקד מנגנוני פלסטיות אדפטיבית העומדים בבסיס התאוששות תפקודית ספונטנית או מושרה הבא SCI. התאוששות תפקודית ספונטנית מדווחת להיות יותר מוקדם בחיים, העלאת שאלות מעניינות על אופן שבו שינויים פלסטיים אדפטיבית כמו חוט השדרה מפתח. כדי להקל על החקירה של הדינמיקה הזאת, פיתחנו מודל SCI בתוך העכבר הילוד. המודל רלוונטי עבור ילדי SCI, אשר מעט מדי למד. בגלל פלסטיות עצבית המבוגר כרוכה בקצת המנגנונים כמו פלסטיות עצבית חייו מוקדמי 1, מודל זה עשוי להיות פוטנציאל כמה רלוונטי גם למבוגר SCI. כאן אנו מתארים את ההליך כולו להפקת דחיסה בעמוד השדרה לשחזור (SCC) פציעה עכבר בילודמוקדם ככל לאחר לידה (P) יום 1. SCC מושגת על ידי ביצוע laminectomy ברמת שדרה נתונה (המתואר כאן ברמות החזי 9-11) ולאחר מכן באמצעות מפרצה שונה Yasargil מיני-קליפ לדחוס במהירות לשחרר לחץ על חוט השדרה . כפי שתואר קודם לכן, העכברים בילוד נפצעו יכולים להיבדק על גירעונות התנהגותיות או הקריבו עבור vivo לשעבר ניתוח פיסיולוגי של קישוריות הסינפטי באמצעות טכניקות הקלטה אופטית אלקטרו תפוקה גבוהה 1. מוקדם יותר ומחקר מלווה באמצעות ערכה התנהגותית ופיזיולוגית הוכיח בפגיעה דרמטית, חריפה של תנועתיות hindlimb ואחריו התאוששות תפקודית מלאה בתוך 2 שבועות, ואת ההוכחה הראשונה של שינויי מעגלים פונקציונליים ברמה זיהה יורד 1 קשרים סינפטיים.
During the last decade, increasing evidence obtained from different spinal cord injury (SCI) models has shown that spinal networks can reorganize spontaneously to contribute to functional recovery1-9. Adaptive plasticity has as a consequence become an important topic in SCI research. It has been shown that plasticity encompasses regrowth of spared axons, sprouting of new axon collaterals and the formation of novel synaptic connections. Much of this knowledge has been obtained from behavioral or anatomical studies in adult animals. An important limitation of adult spinal cord studies is the difficulty of performing high-throughput physiological assessment, which is easier in neonatal preparations1. One major difference is that wholemount ex vivo preparations of the adult brainstem and spinal cord have low viability. Another is that adult spinal tissue is more opaque to light because it is thicker and myelinated. Although recent advances in in vivo imaging (see for example, 10-12) may partially overcome these problems, the possibility of performing high throughput imaging at any desired dorsoventral depth at multiple sites along a given brainstem-spinal cord preparation is currently only feasible in neonates. The immature state of axon myelination in the neonatal spinal cord facilitates high-throughput ex vivo optical recording, thus permitting a dynamic assessment of functional synaptic connections13-17. Combined with genetically encoded calcium reporters and optogenetic stimulation and pharmacology tools, optical approaches can contribute to a deeper understanding of the mechanisms underlying adaptive plasticity.
It is estimated that between 1-10% of all spinal cord injuries affect infants and children18-22. In contrast to adult SCI the pathogenesis and potential for spontaneous recovery in pediatric SCI is less studied. Using a neonatal SCI model can therefore provide more insight into pediatric SCI and contribute to a better understanding of the pathogenetic and recovery mechanisms involved. Moreover, post-SCI plasticity supporting functional recovery in the adult spinal cord is believed to involve at least in part the same mechanisms that govern the development of the central nervous system such as axon growth, branching and formation of new synapses23-26. Thus, using a neonatal SCI model could provide important insights into mechanisms that are also operative in the adult spinal cord, or that could potentially be reinstated in the adult spinal cord (for example by implantation of fetal cells or tissue or of tissue constructed de novo from pluripotent stem cells) to facilitate recovery.
The neonatal mouse thus provides a platform for an integrative, multi-methodological approach to investigating adaptive plasticity following spinal cord injury, in which a combination of behavioral, physiological, anatomical, molecular and genetic methods can be readily employed. Establishing standardized neonatal injury models is an important step in implementing such studies.
במאמר זה הליכי פציעה SCC שנוצר קליפ בעכברים P1 מתוארים. הנהלים אותו יכול גם להתבצע בשלבים מאוחרים יותר. פציעות דחיסה בוצעו בהצלחה P5, P7, P9 ו P12 (Züchner, et al., כתב היד בהכנה). בכלל שלבי הלידה, הרדמה כללית מתקבלת עם isoflurane מתאדה חמצן טהור, אבל תוצאת ההרדמה מאוד תלויה בגיל. בשנת הניסיונות הראשונים ב P1-P4, לפני ההרדמה מקומית הוכנסה לפרוטוקול, אז זה היה קשה להשיג הרגעה עמוקה וממושכת עקב חלון במינון ותוצאה צר שבין הרגעת יתר מספיק. בנוסף, חששות הקשורים השפעת neurotoxic של isoflurane בחי יילוד הועלו 27-30. שילוב של isoflurane ותוצאות Bupivacaine המקומיות הרדמת הרדמה עמוקה יותר ויציבה יותר תוך התרת הפחתה במינון isoflurane בפקטור של 2-3. סוגים שונים של anestheSIA תואר מכרסם בילוד, כולל cryoanesthesia 31,32, אבל אי נוחות פוטנציאל אחד cryoanesthesia הוא אפקט נוירו שלה (נבדק על ידי 33,34), אשר יכול לסבך את הדור של פציעה יעילה לשחזור. הרדמה מבוססי ברביטורטים נחשב כבעל יעילות נמוכה בעכברים בילוד בשל רמות נמוכות של אלבומין בסרום ואת השומן בגוף מאשר במבוגרים 35,36.
למרות די פולשנית וטראומטית, פעם ההליך הוא הקים את שיעור התמותה במהלך הניתוח הוא נמוך. עם זאת, ישנם צעדים קריטיים במהלך ההליך הדורשים תשומת לב מיוחדת כדי לשפר את ההתאוששות ואת ההישרדות של העכברים פעלו. סוגיה חשובה אחת היא לבחור גורים כי תהיה את הסיכוי הטוב ביותר לשרוד את הניתוח. כאשר ההמלטה היא גדולה מצבו התזונתי של גורי הפרט משתנה. בנוסף דימום בלתי נמנעת המתרחשת במהלך הניתוח, גורים המופעלים לבלות שעהזה מן האם, ולעתים קרובות הם לא שותים חלב לפני למחרת בבוקר. זהו אפוא יתרון לבחור גורים שכבר כמות מסוימת של חלב בבטן. זה גלוי בקלות דרך עור הבטן בין P0 ל- P7.
במהלך הלילה הראשון את הגור המופעל נמצא בסיכון גדול להיות שפורק על ידי האם. במהלך פיתוח ראשוני של מודל זה יותר ממחצית העכברים פעלו נעדרו למחרת בבוקר, עם סימנים ברורים של דם בכלוב. Necrophagy, קניבליזם תינוקות במכרסמים נחקרו במשך עשרות שנים 37-40. במחקר זה, קניבליזם היה עדים רק פעם אחת, אבל נחשב הסבר הסביר יותר necrophagy כי הגורים שהוחזרו לכלוב היו בדרך כלל במצב טוב כך מות מסיבות טבעיות במהלך הלילה נראה רחוק מסביר. דבר זה הוביל את הרעיון של שימוש תרופתי הפיך כגון דיאזפם להפחתת חרדה ותוקפנות in האם (ביקורת ב -41). הזרקת Intraperitoneal של דיאזפם שיפר מאוד את המצב, שומטת התמותה במהלך הלילה הראשון מתוך יותר מ -60% לפחות מ -20%.
צמצום גודל המלטה ע"י דילול ומפר את ההמלטה כמה שפחות לאחר שב לאחר ניתוח הם אלמנטים נוספים שיכול להועיל חיות פעלו. עם זאת, משאיר גורים פעלו רק עם האמא הוא לא מועיל. את האיזון הטוב ביותר של גורים שמופעלים / unoperated עשוי להשתנות בהתאם לענף, אבל עבור עכברי ICR ו SCID-ICR עוזבים 4-5 גורים מופעלים (פציעה או אחיזת עיניים) יחד עם 3-4 גורי unoperated נתן את התוצאות הטובות ביותר.
במובן כללי, המגבלה העיקרית של מודל בילוד SCI זה היא כי חוט השדרה בילוד שונה במובנים רבים מן חוט השדרה מבוגר, ולכן לא יכול לספק תוצאות הניסוי כי הם דומים לאלה שהושגו ממודלים SCI מבוגר. הבדלים כאלה כוללים שגודל כולל של שרירים נפח של חוט השדרה, מספר תאים, תת-ייצוג של סוגי תאים מסוימים כגון oligodendrocytes, תגובות חיסוניות בשלה ומעגלים עצביים בשלה. מסקנות מניסויים במודל זה חייבים אפוא לשקול בזהירות. מצד השני, המודל רלוונטי עבור התרחיש יחסית פחות הנחקר של SCI ילדים. יתר על כן, החולשה לכאורה ביחס למודלים מבוגרים SCI הוא גם כוח פוטנציאלי זה עלול להביא להבהרת מנגנונים פלסטיים כי, למרות מינימאלי המצוי חוט השדרה המבוגר, יכול לייצג מצע טיפולי אם כינה. זה מתקבל על הדעת כי השבה של בתנאים בילוד או אפילו עובריים יכול להיות מיושם באמצעות השתלת פחות מפותחות תאים או רקמות או על ידי טיפול עם ריאגנטים כי לעורר את הרקמה הבוגרת עם מאפיינים התפתחותיים מוקדם. באמצעות אנזימים לחסל רשתות perineuronal הוא דוגמה של הגישה השנייה 42,43.
<p class="Jove_content"> נושא מרכזי בעת ההקמה במודל חיה עבור SCI הוא להשיג פגיעה סטנדרטית. זהו היבט חשוב כי טופל במודלים מרובים SCI, למשל, חיתוך הרוחב, hemisection, אימפקטורים, דחיסת בלון, למעוך מלקחיים, דחיסת משקל סטטי, וכו 'עם כל כבוד להשפיע התקנים, מאמצים בכיוון הזה גרמו דגמי SCI ב מכרסמים מבוגרים שבו מספר רב של פרמטרים של ההשפעה כגון מהירות, כוח ומשך ניתן להשפיע (הנסקרת ב -44). גישה אחרת, מעורב ציוד פחות, מעסיקה שינוי של קליפ מפרצת Kerr-Lougheed 45,46. גישות אלה 2 משלימות כמו impactor מחק פציעת חבלה ואילו מחק קליפ פציעת דחיסה עם מידה מסוימת של איסכמיה במקביל. בגלל האילוצים בהיקפים המשמעותיים הפגיע גדול יותר של עכברים בילוד, קשרה את התמותה הגבוהה עם ניתוחים כבר כמו גם את העלויות של developing ציוד בקנה מידה קטן יותר, הוא נבחר לפתח דחיסה שנוצר קליפ ולא בגישה contusion impactor שנוצר. הדבר זה הושג על ידי התאמה-קליפ מיני מפרצה זמינה מסחרי כדי להתאים את הגודל של עמוד השדרה של עכברים בילוד 1. הוספת פקק מבטיחה רוחב דחיסה סטנדרטי, וכל עוד את המתח של קליפ דוחס עד קצה גבול היכולת של הפקק, הכח של הדחיסה במהלך שלב סטטי ברוחב מינימאלי צריך להשתנות מעט. מה שלא טופל הוא המהירות של הדחיסה במהלך השלב הדינמי שלה, מאז זה ישתנה כמו שינויי המתח קליפ במהלך חייו. כשלב סטטי של הדחיסה נמשך זמן רב יותר בשלב הדינמי, ויש מעט להציע כי רקמת חוט השדרה מפעילה הרבה של נגדי כנגד להבי המיני-קליפ, סביר להניח כי חומרת הפציעה הכי תלויה בשלב סטטי. זה, לעומת זאת, נשאר להיבדק. פציעהחומרת עשויה להיות תלויה בגורמים רבים, כולל כוח דחיסה סטטי ומשך, מהירות דחיסה ופריסה, עמדת-קליפ מיני, ומספר לחיצות מתבצעת באותו אתר. לפיכך, וריאציה קומבינטורית בפרמטרים אלה עלולות לגרום הדור של ספקטרום של חומרות פגיעה כתוצאה חלשה עד חמור. למרות הסיכון הקיים השתנות, במחקרנו שפורסמו בעבר 1 השגנו תוצאות עקביות ב היסטולוגית, רמות פיזיולוגיות והתנהגותיות, כך שיש מעט להציע כי סטנדרטיזציה מקובלת קשה להשיג. נציין כי במחקר זה השתמשנו בשיטות מרובות של אימות בכל רמה, כולל בדיקות התנהגותיות כגון דריכת אוויר כפי שמוצג באיור 5.במודל SCI בילוד זו הפגיעה חוסכת שיעור מסוים של אקסונים ובכך מספקת מצב נוח לעורר פלסטיות אדפטיבית דרך מחדש modelinגרם של קשרים חסך לבין היווצרות של מעגלים חדשים. יתר על כן, מאז העכבר בילוד מתאים גם לחקירה על ידי שיטות ניסיוניות רבות, ניתן להשתמש במודל זה כדי ללמוד התאוששות תפקודית פלסטיות אדפטיבית עם גישה אינטגרטיבית, כולל בדיקות התנהגותיות, מדרדר ו האנטרוגרד מעקב axonal, אימונוהיסטוכימיה, אלקטרופיזיולוגיה וגבוה הקלטת 1 אופטית -throughput. כדוגמא, ונצלנו גישת אינטגרטיבית זו להפגין מחדש מודלי רשת ברמת תשומות יורדות ספציפיות באמצעות הדמית סידן תפוקה גבוהה ב vivo לשעבר הכנות wholemount של גזע המוח 1 חוט שדרה נפגע. זה יכול להיות דחף נוסף באמצעות נוירו-optogenetic ופרמקולוגיה optogenetic כלים להעריך את השיפוץ של קשרים סינפטיים בין תת-אוכלוסיות ספציפיות של נוירונים שדרה.
The authors have nothing to disclose.
This work has been supported by grants from the South-Eastern Norway Regional Health Authority (JLB, 2014119; JCG, project numbers 2015045 and 2012065), by the Norwegian Research Council (JCG, project number 23 00 00) and the University of Oslo.
Plastic seringe (30 or 50 mL) | |||
Plastic petri dish (150x25mm) | |||
Fortec isoflurane vaporizer | Cyprane | We use and old device out of production, check the link for newer device | |
Yasargil temporary aneurysm mini-clip | Æsculap | FE681K | |
Fine -Bore Polyethylene tubing ID 0.58mm, OD 0.96mm | Smiths Medical | 800/100/200 | |
Isoflurane (Forene) | Abbott GmbH & Co. KG | ||
Marcain (Bupivacain) | AstraZeneca | ||
Insuline seringe 0.3ml 30Gx8mm | VWR | 80086-442 | |
Ultra Fine Micro Knife 5mm cutting edge | Fine Science Tools | 10315-12 | |
Extra Fine Graefe Forceps – 0.5mm Tip | Fine Science Tools | 1153-10 | Not really necessary, often the teeth are too large |
Forceps SuperGrip Straight | Fine Science Tools | 00632-11 | Two forceps are necessary |
Spongostan Special 70 x 50 x 1 mm | Ferrosan | ||
Vannas Spring Scissors – 2mm Blades Straight | Fine Science Tools | 15000-03 | |
Vario Clip Applying Forceps | Aesculap | FE502T | |
Vicryl 6–0 (Ethicon) | Johnson and Johnson | J105G | |
Diethrich micro needle holder | 11-510-20 | ||
Temgesic (buprenorphine) | Schering-Plough | ||
Stesolid (diazepam) | Actavis | Also known as Valium | |
Pedamix | Fresenius Kabi | ||
Klorhexidinsprit (chlorhexidine gluconate) | Fresenius Kabi | D08A C02 |