Tekrarlayan Diffüz Travmatik Beyin Hasarının Fare Modelinde Travma Sonrası Epilepsi Nin İndüklemesi
Summary
Bu sistematik protokol tekrarlayan hafif travmatik beyin hasarı sonrası travma sonrası epilepsi yeni bir hayvan modeli açıklar. İlk bölüm değiştirilmiş bir kilo damla modeli kullanarak travmatik beyin hasarı indüksiyon için adımlar ayrıntıları. İkinci bölümde tek ve çok kanallı elektroensefalografik veri toplama sistemleri için cerrahi yaklaşım hakkında talimatlar verilmektedir.
Abstract
Travmatik beyin hasarı (TBI) edinsel epilepsi lerin önde gelen nedenidir. TBI bir odak veya yaygın beyin hasarına neden olabilir. Fokal yaralanma doğrudan mekanik güçlerin bir sonucudur, bazen kafatası ile nüfuz, beyin dokusunda doğrudan bir lezyon oluşturma. Bunlar beyin görüntüleme sırasında kontüzyon, yırtılma ve kanama olan alanlar olarak görülebilir. Fokal lezyonlar nöronal ölüme ve glial skar oluşumuna neden olur ve TBI geçiren tüm kişilerin %20−%25’inde bulunur. Ancak, TBI olguların çoğunda, yaralanma ivme-yavaşlama kuvvetleri ve sonraki doku kesme neden olur, nonfocal, diffüz hasar ile sonuçlanan. TBI hastalarının bir alt popülasyonu aylar veya yıllar süren bir gecikme döneminden sonra travma sonrası epilepsi (PTE) gelişmeye devam etmektedir. Şu anda hangi hastaların PTE gelişeceğini tahmin etmek mümkün değildir ve PTE hastalarındaki nöbetler kontrol etmek zordur ve bu da daha fazla araştırma gerektirmektedir. Yakın zamana kadar, alan doğrulanmış spontan post-travmatik nöbetler ile sadece iki hayvan / kemirgen modelleri ile sınırlıydı, her ikisi de korteks ve bazen subkortikal yapılarda büyük doku kaybı ile büyük fokal lezyonlar ile mevcut. Bu yaklaşımların aksine, modifiye ağırlık düşürme modeli kullanılarak indüklenen diffüz TBI’nin fokal lezyonlar veya doku kaybı olmamasında bile spontan konvülsif ve konvülsif olmayan nöbetlerin gelişimini başlatmak için yeterli olduğu saptanmıştır. Edinsel travma sonrası epilepsisi olan insan hastalarına benzer şekilde, bu model de nöbet başlamadan önce yaralanma dan sonra bir gecikme dönemi ile ortaya konmaktadır. Bu protokolde, topluma, birkaç ay boyunca sürekli uzun süreli video-elektroensefalografik hayvan takibinin ardından diffüz non-lezyonel TBI’yi nasıl tetikleyeceği ayrıntılı olarak anlatan yeni bir travma sonrası epilepsi modeli sağlanacaktır. Bu protokol, hayvan işleme, kilo düşürme prosedürü, iki satın alma sistemi için elektrot yerleştirme ve cerrahi, postoperatif izleme ve veri toplama adımlarının her birinde karşılaşılan sık karşılaşılan zorlukları ayrıntılı olarak ele alacaktır.
Introduction
Her yıl TBI dünya çapında yaklaşık 60 milyon kişiyi etkilemektedir. Etkilenen bireyler epilepsi gelişme riski daha yüksektir, hangi ilk yaralanma yıl sonra tezahür edebilir. Şiddetli Tüberküloz epilepsi riski ile ilişkili olmasına rağmen, hatta hafif TBI epilepsi gelişmekte olan bir bireyin şansını artırır1,2,3,4. Tüm Tüberküloz fokal, diffüz veya her ikisinin kombinasyonu olarak sınıflandırılabilir. Diffüz beyin hasarı, birçok değilse tüm Tüberküloz mevcut, farklı yoğunluklarda hızlanma-yavaşlama ve dönme kuvvetleri nedeniyle birbirlerine karşı kesme beyin dokularının bir sonucudur. Tanım olarak, diffüz yaralanma sadece hafif / beyin sarsıntısı olmayan penetran beyin hasarı, hangi hiçbir beyin lezyonları bilgisayarlı tomografi taramaları görünür izole oluşur5.
Travma sonrası epilepsi (PTE) gelişen veya risk altında olan hastaların yönetiminde şu anda iki kritik sorun bulunmaktadır. Birincisi, PTE ortaya çıktıktan sonra, nöbetler mevcut anti-epileptik ilaçlara (AED)dirençli 6. İkinci olarak, AED’ler epileptogenezi önlemede eşit derecede etkisizdir ve etkili bir alternatif tedavi yaklaşımı yoktur. Bu açığı gidermek ve tedavi için daha iyi terapötik hedefler ve adaylar bulmak için, PTE6kökünde yeni hücresel ve moleküler mekanizmaları keşfetmek için gerekli olacaktır.
Travma sonrası epilepsinin en belirgin özelliklerinden biri ilk travmatik olay ile spontan, sebepsiz, tekrarlayan nöbetlerin başlangıcı arasındaki gizli dönemdir. Bu zamansal pencere içinde meydana gelen olaylar araştırmacılar için doğal bir odak vardır, Bu zaman penceresi tedavi ve PTE önlenmesi tamamen izin verebilir çünkü. Hayvan modelleri bu araştırma için en yaygın olarak kullanılır, çünkü birçok farklı fayda sunarlar, en azından insan hastalarının sürekli izlenmesi nin bu kadar uzun zaman dilimlerinde hem pratik ve maliyetli olacağıdır. Ayrıca, epileptogenez kökündeki hücresel ve moleküler mekanizmalar sadece hayvan modellerinde incelenebilir.
Spontan post-travmatik nöbetler ve epilepsi olan hayvan modelleri, kemokonvülzanlar veya elektrik stimülasyonları gibi daha az fizyolojik olarak alakalı yollarla TBI sonrası nöbetlerin indüklendiği modellere göre tercih edilir. Spontan travma sonrası nöbet modelleri, TBI’nin epileptogeneze yol açan sağlıklı beyin ağını nasıl değiştirip değiştirip değiştirip test etti. TBI sonrası ek stimülasyon kullanılarak yapılan çalışmalar, TBI’ye maruz kalmanın nöbet eşiğini nasıl azalttığını ve nöbetlere yatkınlığı nasıl etkilediğini değerlendirmeye değerbilmektedir. Kimyasal olarak veya elektrik stimülasyonuna neden olan elegeçirmelerle hayvan modellerinin avantajları, refraktörlülük mekanizmalarını AED’lere ve mevcut ve yeni AED’lerin etkinliğini test etmededir. Ancak, bu verilerin insanlara uygunluk derecesi ve çevirisi şu nedenlerden dolayı belirsizolabilir 7: 1) nöbet mekanizmaları sadece TBI tarafından indüklenenlerden farklı olabilir; 2) bu modellerin hepsi spontan nöbetlere yol açmaz7; 3) konvülzan ajan kendisi tarafından oluşturulan lezyonlar, onun teslimi için gerekli kanül ile, ya da derinlemesine yapılarda elektrot yerleşimi uyarıcı tarafından (örneğin, hipokampus veya amigdala) zaten artan nöbet yatkınlık ve hatta hipokampal epileptiform alan potansiyelleri neden olabilir7. Ayrıca, bazı konvülzan ajanlar (yani, kainik asit) doğrudan hipokampal lezyonlar ve skleroz üretmek, diffüz TBI sonra tipik değildir.
Yakın zamana kadar, post-travmatik epilepsi sadece iki hayvan modelleri vardı: kontrollü kortikal etki (CCI, fokal) veya sıvı perküsyon yaralanması (FPI, fokal ve diffüz)8. Her iki model de doku kaybı, kanama ve kemirgenlerdegliozis ile birlikte büyük fokal lezyonlar alabilmektedir 8 . Bu modeller büyük fokal lezyonların neden olduğu travma sonrası epilepsiyi taklit etmektedir. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada, tekrarlanan (3x) diffüz TBI’nin farelerde spontan nöbetve epilepsi gelişimi için yeterli olduğunu göstermiştir9,doğrulanmış spontan tekrarlayan nöbetler ile üçüncü bir kemirgen PTE modeli eklenmiştir. Bu yeni model, diffüz TBI tarafından indüklenen hücresel ve moleküler değişiklikleri taklit eder, daha iyi hafif ile insan nüfusunu temsil, sarsıntılı TBiile. Bu modelde, nöbet başlangıcından önce üç hafta veya daha fazla gizli süre ve geç ortaya çıkması, spontan, tekrarlayan nöbetler post-travmatik epileptogenezin kök nedenlerini araştırmaya, nöbet başlangıcından sonra önleyici yaklaşımların ve yeni terapötik adayların etkinliğini test etmeye ve travma sonrası epileptogenez biyobelirteçlerinin gelişimi için potansiyele sahiptir, çünkü hayvanların yaklaşık yarısı travma sonrası epilepsi gelişir.
Travma sonrası epilepsi çalışmaları için hayvan modeliseçimi bilimsel soruya bağlıdır, araştırılan beyin hasarının türü, ve altta yatan hücresel ve moleküler mekanizmaları belirlemek için hangi araçların kullanılacağı. Sonuç olarak, travma sonrası epilepsi herhangi bir model tbi hayvanların bir alt kümesinde spontan nöbetler ve ilk gecikme dönemi hem ortaya çıkması göstermek gerekir, bir TBI tabi tüm hastalar epilepsi geliştirmek için gitmek çünkü. Bunun için bu protokolde eşzamanlı video edinimi ile elektroensefalografi (EEG) kullanılmaktadır. Veri toplama donanımı ve yaklaşımlarının arkasındaki teknik yönleri anlamak, doğru veri yorumlanması için çok önemlidir. Kritik donanım yönleri kayıt sisteminin türü, elektrotların türü (vida veya tel kurşun) ve bunların yapıldığı malzeme, senkronize video edinimi (EEG sisteminin bir parçası veya üçüncü taraf olarak) ve bilgisayar sisteminin özelliklerini içerir. Çalışma hedefine, EEG ilgi olaylarına, daha fazla analiz yöntemine ve veri depolamanın sürdürülebilirliğine bağlı olarak her türlü sistemde uygun kazanım parametrelerinin ayarlanması zorunludur. Son olarak, elektrot yapılandırma (montaj) yöntemi göz önünde bulundurulmalıdır, her biri avantajları ve dezavantajları vardır ve veri yorumlanmasını etkileyecektir.
Bu protokol, modifiye Marmarou ağırlık düşürme modeli10,11 farelerde spontan, sebepsiz, tekrarlayan nöbetler ile sonuçlanan diffüz yaralanmaneden nasıl kullanılacağını ayrıntıları, tek ve çok kanallı sürekli elde etmek için cerrahi yaklaşımlar açıklar, ve senkronize video EEG monopolar kullanarak, bipolar, veya karışık montaj.
Protocol
Representative Results
Discussion
Odak ve diffüz yaralanmanın odak veya kombinasyonunu indükleyen CCI ve FPI modellerinin aksine, bu protokolde tanımlanan tekrarlayan diffüz TBI modeli, fokal beyin hasarının yokluğunda diffüz yaralanmanın indüksiyonuna olanak sağlar ve kafa derisi veya kraniyal açıklıklar ve ilişkili inflamasyon gerektirmez. Bu modelde kraniektomi yokluğunun bir yararı da sadece kronik sürekli EEG kaydı için elektrotlar implant sağlar, aynı zamanda kronik in vivo 2-foton görüntüleme için hayvanların inceltilmi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma R01 NS105807/NS/NINDS NIH HHS/Amerika Birleşik Devletleri ve CURE tarafından Desteklendi. W81XWH-15-2-0069. Ivan Zuidhoek büyük ölçüde el yazması prova için takdir edilmektedir.
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).
