تحريض الصرع ما بعد الصدمة في نموذج الماوس من إصابات الدماغ المتكررة منتشر الصدمة
Summary
يصف هذا البروتوكول المنهجي نموذجًا جديدًا للصرع ما بعد الصدمة بعد إصابات الدماغ الخفيفة المتكررة. الجزء الأول تفاصيل خطوات لتحريض إصابات الدماغ الرضية باستخدام نموذج انخفاض الوزن المعدلة. ويقدم الجزء الثاني تعليمات بشأن النهج الجراحي لنظم الحصول على البيانات الكهروالدماغة أحادية ومتعددة القنوات.
Abstract
إصابة الدماغ الرضية (TBI) هي السبب الرئيسي للصرع المكتسب. يمكن أن يؤدي TBI إلى إصابة الدماغ البؤري أو المنتشر. الإصابة البؤرية هي نتيجة للقوى الميكانيكية المباشرة ، التي تخترق أحيانًا من خلال الجمجمة ، مما يخلق آفة مباشرة في أنسجة الدماغ. هذه مرئية أثناء تصوير الدماغ كمناطق مع كدمة, تمزق, ونزيف. الآفات البؤرية تحفز موت الخلايا العصبية وتشكيل ندبة الدبقية وهي موجودة في 20%-25% من جميع الأشخاص الذين يعانون من TBI. ومع ذلك ، في معظم حالات TBI ، تحدث الإصابة بسبب قوى التسارع وتسارع الأنسجة اللاحقة ، مما يؤدي إلى تلف غير بؤري ومنتشر. يستمر مرضى TBI في الإصابة بالصرع اللاحق للصدمة (PTE) بعد فترة الكمون من الأشهر أو السنوات. حاليا، فإنه من المستحيل التنبؤ المرضى الذين سوف تتطور PTE، والنوبات في المرضى PTE تشكل تحديا للسيطرة، مما يتطلب المزيد من البحوث. حتى وقت قريب، كان الحقل يقتصر على نموذجين فقط للحيوانات / القوارض مع نوبات ما بعد الصدمة التلقائية التي تم التحقق من صحتها ، وكلاهما يقدم آفات بؤرية كبيرة مع فقدان الأنسجة الهائل في القشرة وفي بعض الأحيان الهياكل تحت القشرية. وعلى النقيض من هذه النهج، تقرر أن الـ TBI المنتشر الناجم عن استخدام نموذج معدل لإسقاط الوزن يكفي للشروع في تطوير نوبات تشنجية عفوية وغير متشنجة، حتى في حالة عدم وجود آفات بؤرية أو فقدان الأنسجة. على غرار المرضى الذين يعانون من الصرع بعد الصدمة المكتسبة، يقدم هذا النموذج مع فترة الكمون بعد الإصابة قبل بداية النوبة. في هذا البروتوكول ، سيتم تزويد المجتمع بنموذج جديد للصرع ما بعد الصدمة ، وتفاصيل كيفية الحث على TBI غير الآفات المنتشر يليه مراقبة مستمرة طويلة الأجل للحيوانات الفيديوية الكهربية على مدار عدة أشهر. هذا البروتوكول سوف تفاصيل التعامل مع الحيوانات، وإجراءات انخفاض الوزن، ووضع القطب الكهربائي لاثنين من أنظمة الاستحواذ، والتحديات المتكررة التي تواجهها خلال كل من خطوات الجراحة، والرصد بعد الجراحة، والحصول على البيانات.
Introduction
كل عام يؤثر TBI ما يقدر بنحو 60 مليون شخص في جميع أنحاء العالم. الأفراد المتضررون هم أكثر عرضة للإصابة بالصرع، الذي يمكن أن يظهر بعد سنوات من الإصابة الأولية. على الرغم من أن TBIs شديدة ترتبط مع ارتفاع خطر الإصابة بالصرع، حتىTBI خفيفة يزيد من فرصة الفرد لتطوير الصرع1،2،3،4. ويمكن تصنيف جميع مركبات ثلاثي بوتيل القصدير على أنها بؤرية أو منتشرأو مزيج من الاثنين معاً. إصابة الدماغ المنتشرة، الموجودة في العديد من TBIs إن لم يكن جميعها، هي نتيجة لأنسجة الدماغ ذات الكثافات المختلفة التي تقص ضد بعضها البعض بسبب تباطؤ التسارع وقوى الدوران. بحكم التعريف ، تحدث الإصابة المنتشرة فقط في عزلة في إصابة الدماغ الخفيفة / الارتجاج ية غير المخترقة ، حيث لا تظهر آفات الدماغ على التصوير المقطعي المحوسب5.
هناك حاليا مشكلتين حرجتين في إدارة المرضى الذين لديهم، أو هم في خطر، تطوير الصرع ما بعد الصدمة (PTE). الأول هو أنه بمجرد أن يظهر PTE ، فإن النوبات مقاومة للأدوية المضادة للصرع المتاحة (AEDs)6. ثانياً، لا تكون مضادات التغذية الإيبولية غير فعالة بنفس القدر في منع تكوين الصرع، ولا توجد طرق علاجية بديلة فعالة. من أجل معالجة هذا العجز وإيجاد أهداف علاجية أفضل والمرشحين للعلاج ، سيكون من الضروري استكشاف آليات خلوية وجزيئية جديدة في جذر PTE6.
واحدة من السمات البارزة للصرع ما بعد الصدمة هي الفترة الكامنة بين الحدث الصادم الأولي وبداية النوبات التلقائية غير المبررة والمتكررة. الأحداث التي تحدث داخل هذه النافذة الزمنية هي التركيز الطبيعي للباحثين، لأن هذه النافذة الزمنية قد تسمح العلاج والوقاية من PTE تماما. النماذج الحيوانية هي الأكثر شيوعا ً لهذا البحث لأنها توفر العديد من الفوائد المتميزة ، وليس أقلها هو أن الرصد المستمر للمرضى البشريين سيكون غير عملي ومكلف على مدى فترات طويلة من الزمن. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن استكشاف الآليات الخلوية والجزيئية في جذور الصرع إلا في النماذج الحيوانية.
ويفضل نماذج الحيوانات مع نوبات ما بعد الصدمة العفوية والصرع على النماذج التي يتم فيها الحث على المضبوطات بعد TBI بوسائل أقل ملاءمة من الناحية الفسيولوجية، مثل عن طريق الاضطرابات الكيميائية أو التحفيز الكهربائي بشكل حاد، مزمن، أو عن طريق التّوائي. تختبر نماذج النوبات اللاحقة للصدمة التلقائية كيفية تعديل TBI لشبكة الدماغ الصحية مما يؤدي إلى تكوين الصرع. الدراسات التي تستخدم التحفيز الإضافي بعد TBI تقييم كيفية التعرض لTBI يقلل من عتبة المضبوطات ويؤثر على التعرض للمضبوطات. مزايا النماذج الحيوانية مع المضبوطات الناجمة كيميائيا أو مع التحفيز الكهربائي هي في اختبار آليات محددة من الانكسار لAEDs وفعالية AEDs القائمة والرواية. ومع ذلك، فإن درجة أهمية هذه البيانات وترجمتها إلى البشر قد تكون غامضة7 بسبب ما يلي: 1) قد تختلف آليات الضبط عن تلك التي يسببها الـ TBI وحده؛ (2) قد تكون آليات الضبط ية مختلفة عن تلك التي يسببها الـ TBI وحده؛ (2) قد تكون آليات الضبط ية مختلفة عن تلك التي يسببها الـ TBI وحده؛ (2) قد تكون آليات الضبط ية مختلفة عن تلك التي يسببها الـ TBI وحده؛ (2) قد تكون آليات الضبط ية مختلفة عن تلك التي يسببها الـ TBI وحده؛ (2 2) ليس كل هذه النماذج تؤدي إلى نوبات عفوية7؛ 3) الآفات التي تم إنشاؤها بواسطة العامل المتشنج نفسه ، مع قنية المطلوبة لتسليمها ، أو عن طريق تحفيز وضع القطب في هياكل العمق (على سبيل المثال ، قرن آمون أو أميغدالا) يمكن أن يسبب بالفعل زيادة الحساسية للمضبوطات وحتى إمكانات حقل فرس النهر 7. وعلاوة على ذلك، بعض العوامل المتشنجة (أي حمض الكاينك) تنتج آفات مباشرة فرس النهر والتصلب، وهو أمر غير نموذجي بعد TBI منتشر.
حتى وقت قريب ، لم يكن هناك سوى نموذجين للحيوانات من الصرع ما بعد الصدمة: التأثير القشري الخاضع للرقابة (CCI ، التنسيق) أو إصابة قرع السوائل (FPI ، البؤري والمنتشر)8. كلا النموذجين يؤدي إلى آفات بؤرية كبيرة جنبا إلى جنب مع فقدان الأنسجة، والنزيف، والدبقي في القوارض8. تحاكي هذه النماذج الصرع ما بعد الصدمة الناجم عن الآفات البؤرية الكبيرة. أظهرت دراسة حديثة أن تكرار (3x) TBI منتشر يكفي لتطوير النوبات العفوية والصرع في الفئران حتى في حالة عدم وجود آفات بؤرية9، إضافة نموذج PTE القوارض الثالث مع المضبوطات المتكررة التلقائية المؤكدة. هذا النموذج الجديد يحاكي التغيرات الخلوية والجزيئية الناجمة عن TBI منتشر, أفضل تمثيل السكان مع السكان خفيفة, TBIs الارتجاج. في هذا النموذج، تسمح الفترة الكامنة التي تمتد لثلاثة أسابيع أو أكثر قبل بداية النوبة وظهور نوبات متكررة عفوية متأخرة بالتحقيق في الأسباب الجذرية لنشوء الصرع بعد الصدمة، واختبار فعالية النهج الوقائية والمرشحين العلاجيين الجدد بعد بداية النوبة، ولديها القدرة على تطوير علامات بيولوجية لنشوء الصرع بعد الصدمة لأن ما يقرب من نصف الحيوانات تتطور الصرع بعد الصدمة.
يعتمد اختيار النموذج الحيواني لدراسة الصرع ما بعد الصدمة على السؤال العلمي، ونوع إصابة الدماغ التي يتم التحقيق فيها، وما هي الأدوات التي سيتم استخدامها لتحديد الآليات الخلوية والجزيئية الأساسية. في نهاية المطاف ، يجب أن يظهر أي نموذج للصرع ما بعد الصدمة ظهور نوبات عفوية بعد TBI وفترة زمن وصول أولية في مجموعة فرعية من الحيوانات TBI ، لأنه ليس كل المرضى الذين يتحملون TBI يستمرون في تطوير الصرع. للقيام بذلك، يتم استخدام تخطيط كهربية الدماغ (EEG) مع اكتساب الفيديو في وقت واحد في هذا البروتوكول. إن فهم الجوانب التقنية وراء أجهزة ونهج الحصول على البيانات أمر بالغ الأهمية لتفسير البيانات بدقة. وتشمل الجوانب الهامة للأجهزة نوع نظام التسجيل، ونوع الأقطاب الكهربائية (الرصاص المسمار أو الأسلاك) والمواد التي مصنوعة منها، واكتساب الفيديو المتزامن (كجزء من نظام تخطيط كهربية الدماغ أو طرف ثالث)، وخصائص نظام الكمبيوتر. من الضروري وضع معلمات الاستحواذ المناسبة في أي نوع من النظام اعتمادًا على هدف الدراسة وأحداث تخطيط كهربية الدماغ ذات الأهمية وطريقة التحليل الإضافية واستدامة تخزين البيانات. وأخيراً، يجب النظر في طريقة تكوين القطب (المونتاج) ، لأن لكل منها مزايا وعيوب وستؤثر على تفسير البيانات.
هذا البروتوكول تفاصيل كيفية استخدام تعديل نموذج إسقاط الوزن مارمارو10،11 للحث على إصابة منتشر مما أدى إلى عفوية، غير مبرر، والمضبوطات المتكررة في الفئران، ويصف النهج الجراحية للحصول على واحد ومتعددة القنوات المستمر، والفيديو المتزامن EEG باستخدام monopolar، ثنائي القطب، أو المونتاج المختلط.
Protocol
Representative Results
Discussion
وعلى النقيض من نماذج CCI وFPI التي تحفز إما البؤري أو الجمع بين الإصابة البؤرية والمنتشرة ، فإن نموذج TBI المنتشر المتكرر الموصوف في هذا البروتوكول يسمح بتحريض الإصابة المنتشرة في غياب إصابة الدماغ البؤرية ولا يتطلب فتحات فروة الرأس أو الجمجمة والالتهاب المرتبط بها. فائدة إضافية من عدم وجود ج…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل R01 NS105807/NS/NINDS NIH HHS/الولايات المتحدة وCURE على أساس منحة CURE وردت من قيادة البحوث الطبية والعتاد في جيش الولايات المتحدة، وزارة الدفاع (وزارة الدفاع)، من خلال برنامج أبحاث الصحة النفسية وإصابات الدماغ الرضية تحت الجائزة رقم. W81XWH-15-2-0069. إيفان زويدهوك يحظى بتقدير كبير لتدقيق المخطوطة.
Materials
| 0.10" screw | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | 8209 | 0.10 inch long stainless steel |
| 0.10" screw | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | 8403 | 0.10 inch long with pre-soldered wire lead |
| 0.12" screw | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | 8212 | 0.12 inch long stainless steel |
| 1EEG headmount | Invitro1 (subsidiary of Plastics One), VA, USA | MS333/8-A/SPC | 3 individually Teflon-insulated platinum iridium wire electrodes (twisted or untwisted, 0.005 inch diameter) extending below threaded plastic pedestal |
| 2EEG/1EMG headmount | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | 8201 | 2EEG/1EMG channels |
| 3% hydrogen peroxide | Pharmacy | ||
| 3EEG headmount | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | 8235-SM-C | custom 6-Pin Connector for 3EEG channels |
| Buprenorphine | Par Pharmaceuticals, Cos. Inc., Spring Valley, NY, USA | 060969 | |
| Buprenorphine | Par Pharmaceuticals, Cos. Inc., Spring Valley, NY, USA | 060969 | |
| C57BL/6 mice | Harlan/Envigo Laboratories Inc | male, 12-16 weeks old | |
| C57BL/6 mice | The Jackson Laboratory | male, 12-16 weeks old | |
| Carprofen | Zoetis Services LLC, Parsippany, NJ, USA | 026357 | NOTE: this drug is added during weight drop only if stereotactic electrode implantation will be performed on the same day |
| Chlorhexidine antiseptic | Pharmacy | ||
| Dental cement and solvent kit | Stoelting Co., USA | 51459 | |
| Drill | Foredom | HP4-917 | |
| Drill bit | Meisinger USA, LLC, USA | HM1-005-HP | 0.5 mm, Round, 1/4, Steel |
| Dry sterilizer | Cellpoint Scientific, USA | Germinator 500 | |
| EEG System 1 | Biopac Systems, CA, USA | ||
| EEG System 2 | Pinnacle Technology Inc., KS, USA | ||
| Ethanol ≥70% | VWR, USA | 71001-652 | KOPTEC USP, Biotechnology Grade (140 Proof) |
| Eye ointment | Pro Labs Ltd, USA | Puralube Vet Ointment Sterile Ocular Lubricant available in general online stores and pharmacies | |
| Fluriso liquid for inhalation anesthesia | MWI Veterinary Supply Co., USA | 502017 | |
| Hair removal product | Church & Dwight Co., Inc., USA | Nair cream | |
| Isoflurane | MWI Veterinary Supply Co., USA | 502017 | |
| Povidone-iodine surgical solution | Purdue Products, USA | 004677 | Betadine |
| Rimadyl/Carprofen | Zoetis Services LLC, Parsippany, NJ, USA | 026357 | |
| Solder | Harware store | ||
| Soldering iron | Weller, USA | WP35 | ST7 tip, 0.8mm |
| Stainless steel disc | Custom made | ||
| Sterile cotton swabs | |||
| Sterile gauze pads | Fisher Scientific, USA | 22362178 | |
| Sterile poly-lined absorbent towels pads | Cardinal Health, USA | 3520 | |
| Tissue adhesive | 3M Animal Care Products, USA | 1469SB |
References
- Christensen, J., et al. Long-term risk of epilepsy after traumatic brain injury in children and young adults: a population-based cohort study. Lancet. 373 (9669), 1105-1110 (2009).
- Lowenstein, D. H. Epilepsy after head injury: an overview. Epilepsia. 50, 4-9 (2009).
- Ferguson, P. L., et al. A population-based study of risk of epilepsy after hospitalization for traumatic brain injury. Epilepsia. 51 (5), 891-898 (2010).
- Abou-Abbass, H., et al. Epidemiology and clinical characteristics of traumatic brain injury in Lebanon: A systematic review. Medicine (Baltimore). 95 (47), 5342 (2016).
- Management of Concussion/mTBI Working Group. VA/DoD Clinical Practice Guideline for Management of Concussion/Mild Traumatic Brain Injury. The Journal of Rehabilitation Research and Development. 46 (6), 1-68 (2009).
- Piccenna, L., Shears, G., O’Brien, T. J. Management of post-traumatic epilepsy: An evidence review over the last 5 years and future directions. Epilepsia Open. 2 (2), 123-144 (2017).
- Loscher, W., Brandt, C. Prevention or modification of epileptogenesis after brain insults: experimental approaches and translational research. Pharmacological Reviews. 62 (4), 668-700 (2010).
- Ostergard, T., Sweet, J., Kusyk, D., Herring, E., Miller, J. Animal models of post-traumatic epilepsy. Journal of Neuroscience Methods. 272, 50-55 (2016).
- Shandra, O., et al. Repetitive Diffuse Mild Traumatic Brain Injury Causes an Atypical Astrocyte Response and Spontaneous Recurrent Seizures. Journal of Neuroscience. 39 (10), 1944-1963 (2019).
- Foda, M. A., Marmarou, A. A new model of diffuse brain injury in rats. Part II: Morphological characterization. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 301-313 (1994).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Paxinos, G., Keith, B. J., Franklin, M. . The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2007).
- Shandra, O., Robel, S. Imaging and Manipulating Astrocyte Function In Vivo in the Context of CNS Injury. Methods in Molecular Biology. 1938, 233-246 (2019).
- Pitkanen, A., Immonen, R. Epilepsy related to traumatic brain injury. Neurotherapeutics. 11 (2), 286-296 (2014).
- Kharatishvili, I., Nissinen, J. P., McIntosh, T. K., Pitkanen, A. A model of posttraumatic epilepsy induced by lateral fluid-percussion brain injury in rats. Neuroscience. 140 (2), 685-697 (2006).
- Pitkanen, A., Bolkvadze, T., Immonen, R. Anti-epileptogenesis in rodent post-traumatic epilepsy models. Neuroscience Letters. 497 (3), 163-171 (2011).
- Gades, N. M., Danneman, P. J., Wixson, S. K., Tolley, E. A. The magnitude and duration of the analgesic effect of morphine, butorphanol, and buprenorphine in rats and mice. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 39 (2), 8-13 (2000).
