Entender cómo las células están moduladas por la exposición a ondas de choque puede ayudar a identificar los mecanismos detrás de lesiones activados de eventos de explosión. Este protocolo utiliza equipo del tubo de descarga a la medida para aplicar ondas de choque en un rango de presiones a monocapas de células e identificar los efectos subsiguientes sobre la viabilidad celular.
La exposición a eventos de explosión puede causar un trauma severo a los órganos vitales como los pulmones, oídos y cerebro. Comprensión de los mecanismos detrás de tales lesiones ráfaga-inducida es de gran importancia teniendo en cuenta la tendencia reciente hacia la utilización de explosivos en la guerra moderna y los incidentes relacionados con el terrorismo. Para entender completamente la lesión inducida por la explosión, primero debemos ser capaces de replicar estos eventos de explosión en un entorno controlado utilizando un método reproducible. En esta técnica usando equipo de tubo de choque, ondas de choque en un rango de presiones puede ser propagadas en células vivas cultivadas en 2D, y marcadores de viabilidad celular pueden ser analizados inmediatamente usando un análisis de indicador redox y la proyección de imagen fluorescente de células vivas y muertas. Este método demostró que aumentar la sobrepresión de la ráfaga pico 127 kPa puede estimular una gota significativa en viabilidad celular en comparación con controles no tratados. Prueba de las muestras no se limitan a las células adherentes, pero pueden incluir suspensiones celulares, muestras de todo el cuerpo y el tejido, a través de pequeñas modificaciones a la instalación del tubo de descarga. Es difícil reproducir las condiciones exactas que células y tejidos cuando se expone a un evento de verdadera explosión. Técnicas como la que se presenta en este artículo pueden ayudar a definir los umbrales de daño e identificar los cambios transcripcionales y epigenéticos dentro de las células que surgen de la exposición de ondas de choque.
Con la reciente tendencia hacia el uso de dispositivos explosivos improvisados en la guerra moderna y acciones terroristas contra civiles, entender los efectos de eventos explosivos en el cuerpo humano es de gran importancia. Lesiones obtenidas a través de la exposición a eventos de explosión pueden ser mortal y letal, con los procesos físicos de lesión se dividen en cuatro categorías. Resultado de lesiones primarias de exposición directa a la onda de la ráfaga, que interactúa localmente con el cuerpo de manera compresiva y posteriormente expansiva, causando la interrupción de las membranas y los tejidos blandos1. Lesiones secundarias incluyen trauma embotado o penetración heridas producidas por impacto con objetos de baja masa propulsados a gran velocidad por la onda de la explosión. Lesiones terciarias ocurren cuando la onda de la ráfaga tiene energía suficiente como para arrojar objetos de masa alta o individuos contra objetos. Por último, lesiones de la ráfaga cuaternario son definidos por otras lesiones misceláneas que no encajan en otras categorías, tales como quemaduras de flash2. Después de la exposición a acontecimientos de la explosión, lesiones primarias incluyen lesión de cerebro traumática3,4,5, osificación heterotópica6,7, blast pulmonar lesión8, pérdida de la audición 9y otros10.
Una forma de onda comúnmente observado de eventos de explosión es la onda de Friedlander, que representa una explosión de campo libre, en contraposición a un espacio cerrado. La forma de onda consiste en un frente de ráfaga que puede definirse como un aumento rápido y sostenido de presión positiva. Esto es seguido inmediatamente por un viento de ráfaga de aire que se mueve a alta velocidad y una ola de liberación que reduce la presión por debajo de los niveles atmosféricos. Deja un vacío parcial en la región de la explosión inicial, que se traduce en el lento reflujo de aire. Las fases positivas y negativas de la onda (figura 1A) resultan en el movimiento de vaivén de la explosión de la onda1. Para ayudar a dilucidar los mecanismos detrás de lesiones de la explosión primaria, modelos experimentales se han creado para producir formas de onda, como la ola de Friedlander, que las células y los tejidos se enfrentarán cuando se expone a un evento de verdadera explosión. Los sistemas actuales enumerados la literatura incluyen choque tubos11,12,13,14,15,16,17, barochambers18,19, Kolsky bar20, blast avanzados simuladores21, el Split Hopkinson presión bar22y la recreación de los eventos de explosión alternativo en un ambiente controlado mediante Tetranitrato de pentaeritritol23. A pesar de la amplia gama de modelos disponibles, muchas variables influyen en la lesión de las ondas de explosión, incluyendo la pre-tensión aplicada y las propiedades mecánicas de los tipos de células individuales o tejidos bajo evaluación24. Mientras que el estudio de tejidos u órganos puede arrojar luz sobre la deformación del tejido y cambios morfológicos graves sufridos como consecuencia de eventos de explosión, análisis a nivel celular pueden revelar cambios transcripcionales y epigenéticos, influenciados por la onda de choque.
Este artículo de métodos describe una técnica para propagar ondas de choque en un rango de presiones sobre células vivas en una monocapa. Esto permite la caracterización inmediata de la viabilidad celular, elucidar los umbrales de daño potencial de las ondas de choque. Además, células viables pueden ser devueltos a condiciones de cultivo estándar, y pueden ser evaluados a largo plazo efectos biológicos en el evento de explosión. El protocolo que a continuación describe dos técnicas de viabilidad de la célula que pueden usarse sobre células en cultivo.
Figura 1: Aproximación de una onda de Friedlander. (A) una aproximación de una onda de Friedlander observada en 3 de sensor en el tubo de descarga. (B) datos representativos que muestran los perfiles de presión observados en sensores 1, 2 y 3 en el tubo de descarga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Lesiones primarias de la exposición a eventos de explosión no se entienden todavía completamente. Identificación y comprensión de los mecanismos que desencadenan lesiones ráfaga-inducida, como lesión de cerebro traumática3,4 y osificación heterotópica6,7, son impotantes para el desarrollo de métodos eficaces de profilaxis. Para lograr este objetivo, han desarrollado un número de sistemas experimentales para replicar blast evento exposición11,12,13,14,18,19 . La técnica descrita aquí utiliza equipo de tubo de descarga (figura 2) capaz de disparar ondas de choque en un rango de presiones en todo el cuerpo (es decir, roedor), tejido o muestras de células. La capacidad de carga de tipos de células individuales en lugar de tejidos todo da la capacidad para analizar a distintas respuestas celulares, que puede dañar al mismo tiempo a través de una variedad de mecanismos1,2. Por ejemplo, para modelar traumática lesión cerebral, la evaluación de tipos de células individuales, tales como neuronas y astrocitos, pueden permitir la identificación de lesiones específicas de la célula. Además, la respuesta de todo órgano puede ser evaluada utilizando tejido cerebral. Los tipos de células individuales y los especímenes del tejido tienen valor y pueden dar información diferente. También es posible modificar la cantidad de aire que se presuriza para generar la descarga seleccionando la entrada de la recámara doble o tubo conductor. Controla la duración de la onda de choque. Otra posibilidad es cambiar el material del diafragma y el grosor para alterar la presión pico del25.
Otro factor a considerar son los efectos de final de interferencia que pueden estar presentes cuando la cubierta de la muestra se encuentra cerca de la salida del tubo de descarga, tales como los encontrados en la plataforma EVOC descrita en el presente. Chandra et al. vieron la explosión onda perfiles encontrados en diferentes lugares en un tubo de choque basada en la compresión y encontró que la forma de onda de Friedlander fue mejor representada en un lugar profundo dentro del tubo de descarga15. Kuriakose et al. también estudiaron carga secundaria de la muestra y que la colocación de una placa de extremo en el extremo del tubo de choque pudo eliminar ondas reflejadas no deseados16. Teniendo en cuenta los datos encontrados en estas publicaciones15,16, futuras modificaciones para mejorar el sistema de tubo de choque se describe en este artículo conlleva la colocación de la plataforma EVOC en una ubicación más profunda dentro del tubo conducido o, por otra parte, la inclusión de una placa de extremo del tubo de descarga. Limitaciones del método descrito podrían incluir el rendimiento relativamente bajo de muestras. Un solo usuario puede operar el tubo de descarga con seguridad en una salida de alrededor de 6 a 8 muestras por hora. En la actualidad, el sistema está diseñado alrededor del uso de platos de petri de 35 mm solo. Por lo tanto, los experimentos más grandes que contienen múltiples grupos y réplicas biológicas pueden ser difíciles de lograr.
Este artículo de métodos muestra cómo la viabilidad de células de la papila dérmica adherente fue afectada por la exposición a una sola onda de choque. Una onda de choque de corta duración (< 10 ms) de ≤72 kPa no afectar la viabilidad en comparación con el control (figura 3 y figura 4). En cambio, una onda de choque en 127 kPa estimuló una gota significativa en viabilidad en ráfaga después de 24 h, como se muestra en un ensayo de indicador redox (figura 3) y el análisis de imagen fluorescente (figura 4). Miller et al. informó de una reducción similar en la viabilidad celular en cultivos de rebanada hippocampal organotypic rata cuando las células se exponen a una o un 147 kPa u ondas de choque de 278 kPa utilizando un tubo de descarga abierta, impulsado por helio14. En cambio, VandeVord et al informaron que no hubo efecto sobre viabilidad en los astrocitos de rata expuestas a una sobrepresión de corta duración de > kPa 200, aunque un barochamber fue utilizado en lugar de un tubo de choque18. Cabe señalar que la presión externa depende de la onda de la explosión, aunque esto crea ondas de estrés complejo dentro del cuerpo, lo que la naturaleza del cargamento altamente dependiente de las propiedades mecánicas de los tejido o célula. Se requiere estudios adicionales de caracterización de la respuesta celular a los eventos de explosión. Además, por evaluación de la exposición de ondas de choque a nivel celular, como se muestra en esta técnica, se pueden identificar respuestas biológicas desencadenadas por la lesión, como la perturbación de la señalización de vías o cambios epigenéticos y explorar más.
En conclusión, este trabajo describe el uso de un tubo de descarga de acero inoxidable y un aparejo EVOC modificado para incorporar cultivos celulares primarios. Ondas de choque en un rango de presiones puede ser generadas y propagadas en células vivas para replicar los efectos que se producen por la exposición a una onda de la explosión. Este protocolo muestra cómo evaluar viabilidad celular, pero también se pueden estudiar cambios a largo plazo a tipos de células individuales. A futuro, tenemos la intención de evaluar los efectos diferenciales que pueden provocan complejas ondas de choque en diferentes tipos celulares, con el objetivo de fomentar nuestra comprensión de lesiones primarias inducida por la explosión.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría reconocer el apoyo financiero de la Legión británica real explosión lesiones estudios HA y financiación del Consejo de investigación médica (M01858X/1) al CAH.
MEM α, nucleosides | ThermoFisher | 22571020 | |
Fetal Bovine Serum, certified, US origin | ThermoFisher | 16000044 | Supplement to create complete growth media. |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma Aldrich | D8537 | |
Penicillin-Streptomycin | ThermoFisher | 15070-063 | Supplement to create complete growth media. |
Trypsin-EDTA (0.5%), no phenol red | ThermoFisher | 15400-054 | Dilute 1 in 10 before use. |
CytoOne T-75 Flask, TC-Treated, vented | Starlab | CC7682-4875 | |
TC Dish (PS) 35mm, 8.5 cm2 | Triple Red | TCD010035 | |
Petri dish (PS) 90×14.2mm no vent | VWR UK | 391-0453 | |
Gas Permeable Adhesive Plate Seals | ThermoFisher | AB-0718 | |
LIVE/DEAD Cell Imaging Kit (488/570) | ThermoFisher | R37601 | |
Alamarblue cell viability reagent | Fisher Scientific | 13494309 | |
Virkon tablets | VWR UK | 115-0020 | Use to create 2% solution as viability control reagent. |
Dumont forceps | SurgicalTools | 11295-10 | Use to remove coverslips from petri dish. |
Cover glass, square | VWR UK | 631-0125 | |
Microscope slides | VWR UK | 631-1553 | |
96 Well plate, solid black | AppletonWoods | CC760 | Plate to be used for fluorescence measurements. |
96 Well plate, clear, (PS) | VWR UK | 734-1799 | Plate to be used for absorbance measurments. |
Leica DMi1 Camera stand outfit | Leica Microsystems | Optical microscope used for cell culture. | |
Zeiss PALM MicroBeam Laser Capture Microdisseciton | Zeiss | Fluorescence microsope used for LIVE/DEAD imaging. | |
EnVision Multilabel Reader | PerkinElmer | 2104-0010A | Plate reader to be used for fluorescence/absorbance readings. |
Mylar Electrical & Chemical Insulating Film, 304mm x 200mm x 0.023mm | RS Components | 785-0782 | Use to create shock tube diaphragm. |
Mylar Electrical & Chemical Insulating Film, 304mm x 200mm x 0.05mm | RS Components | 785-0786 | Use to creatw shock tube diaphragm. |
Mylar Electrical & Chemical Insulating Film, 304mm x 200mm x 0.125mm | RS Components | 785-0798 | Use to create shock tube diaphragm. |
Current source power unit | Dytran Intruments Inc. | 4103C | Power source for 2300V1 sensor. |
IEPE Pressure Sensor | Dytran Intruments Inc. | 2300V1 | Pressure sensor located on shock tube. |
Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | DPO 4104B | Use to gather and save sensor 2300V1 data. |