Blast Wave-model met lage intensiteit voor preklinische beoordeling van licht traumatisch hersenletsel met gesloten hoofd bij knaagdieren

Traumatisch hersenletsel (TBI) is goed voor meer dan twee miljoen ziekenhuisbezoeken per jaar in de Verenigde Staten alleen. Milde TBI vaak als gevolg van auto-ongelukken, sportevenementen of vallen vertegenwoordigen ongeveer 80% van alle TBI-gevallen1. Milde TBI wordt beschouwd als de ‘stille ziekte’ omdat patiënten vaak geen openlijke symptomen ervaren in de dagen en maanden na de eerste belediging, maar later in het leven ernstige TBI-gerelateerde complicaties kunnen ^ontwikkelen2. Bovendien komt blast-geïnduceerde milde TBI veel voor bij leden van de militaire dienst en is het in verband gebracht met chronische CZS-disfunctie3,4,5,6. Vanwege de stijgende incidentie van blastaire milde ^TBI7,8 is preklinische modellering van neurobiologische en pathofysiologische processen geassocieerd met milde TBI dus een focus geworden in de ontwikkeling van nieuwe therapeutische interventies voor TBI.

Historisch gezien heeft TBI-onderzoek zich voornamelijk gericht op ernstige vormen van neurotrauma, ondanks het relatief lagere aantal ernstige menselijke TBI-gevallen. Preklinische knaagdiermodellen voor ernstige menselijke TBI zijn ontwikkeld, waaronder de controlled cortical impact (CCI)^9,10 en fluid percussion injury (FPI)¹¹ modellen, die beide goed ingeburgerd zijn om betrouwbare pathofysiologische effecten te ^{produceren12,13}. Deze modellen hebben de basis gelegd voor wat vandaag bekend is over neuro-inflammatie, neurodegeneratie en neuronale reparatie in TBI. Hoewel er aanzienlijke kennis van de pathofysiologie van TBI is ontwikkeld, zijn er momenteel geen effectieve, door de FDA goedgekeurde behandelingen beschikbaar voor TBI.

Meer recent is de focus van TBI-onderzoek verbreed naar een breder spectrum van TBI-gerelateerde pathologieën met als uiteindelijk doel effectieve therapeutische interventies te ontwikkelen. Niettemin zijn er weinig preklinische modellen voor milde TBI vastgesteld die meetbare effecten hebben aangetoond, en slechts een klein aantal studies heeft het milde TBI-spectrum2,14,15 onderzocht. Aangezien milde TBI verantwoordelijk is voor de grote meerderheid van alle TBI-gevallen, zijn betrouwbare modellen van milde TBI dringend nodig om onderzoek naar de etiologie en neuropathofysiologie van de menselijke conditie te vergemakkelijken, om nieuwe therapeutische strategieën te ontwikkelen.

In samenwerking met biomedische ingenieurs en lucht- en ruimtevaartfysici hebben we een schaalbaar, gesloten-head blast wave-model opgezet voor milde tot matige TBI. Dit preklinische knaagdiermodel is speciaal ontwikkeld om de effecten van krachtdynamiek te onderzoeken, waaronder explosiegolven en versnellings- / vertragingsbewegingen, die geassocieerd zijn met menselijke milde TBI verkregen in militaire gevechten, sportevenementen, auto-ongelukken en vallen. Omdat explosiegolven correleren met de krachtdynamiek die milde TBI bij mensen veroorzaakt, is dit model ontworpen om een consistente Friedlander-golfvorm te produceren met een impuls, die wordt gemeten als ponden per vierkante inch (psi) * milliseconde (ms). Het impulsniveau wordt geschaald om onder de gedefinieerde longhindercurven voor muizen en ratten te vallen om preklinisch onderzoek uit te voeren16,17,18. Bovendien maakt dit model onderzoek mogelijk naar coup- en contrecoup-letsel als gevolg van snelle rotatiekrachten van het hoofd van het dier. Dit soort letsel is inherent aan verschillende soorten klinische TBI-presentaties, waaronder die waargenomen bij zowel militaire als civiele populaties. Daarom past dit veelzijdige model in een behoefte die meerdere klinische presentaties van TBI omvat.

Het hier gepresenteerde preklinische model produceert betrouwbare en reproduceerbare pathofysiologische veranderingen geassocieerd met klinisch milde TBI zoals aangetoond door een aantal eerdere studies17,19,20,21,22,23. Studies met dit model toonden aan dat ratten die werden onderworpen aan een ontploffingsgolf met lage intensiteit neuro-inflammatie, axonaal letsel, microvasculaire schade, biochemische veranderingen gerelateerd aan neuronale schade en tekorten in plasticiteit op korte termijn en synaptische prikkelbaarheid ^vertoonden19. Dit milde TBI-model induceerde echter geen macroscopische neuropathologische veranderingen, waaronder weefselbeschadiging, bloeding, hematoom en ^kneuzing19 die vaak zijn waargenomen in studies met matige tot ernstige invasieve ^{TBI-modellen10,24}. Eerder onderzoek19,21,22,23 heeft aangetoond dat dit preklinische model kan worden gebruikt om neurobiologische en pathofysiologische processen te karakteriseren die ten grondslag liggen aan de etiologie van milde en matige TBI17,19,20,21,22,23. Dit model maakt het ook mogelijk om nieuwe therapeutische verbindingen en strategieën te testen, evenals de identificatie van nieuwe, geschikte doelen voor de ontwikkeling van effectieve TBI-interventies19,21,22,23.

Dit model is ontwikkeld om effecten te onderzoeken die worden veroorzaakt door explosiegolven en snelle rotatiekrachten op moleculaire, cellulaire en gedragsmatige uitkomsten bij knaagdieren. Analoog aan het hier gepresenteerde explosiegolfmodel is een aantal preklinische modellen ontwikkeld die proberen milde tot matige TBI samen te vatten met behulp van gasgestuurde overdrukgolven2,14,17,25,26,27,28. Enkele van de beperkingen van andere modellen zijn: het dier is bevestigd aan een gaasgurney en het hoofd wordt geïmmobiliseerd bij impact; de perifere organen worden naast de hersenen blootgesteld aan de golf, waardoor de verstorende variabelen van polytrauma ontstaan; en de modellen zijn groot en stationair, wat het veranderen en aanpassen van kritische parameters beperkt tot betere modelomstandigheden die doen denken aan menselijke TBI.

De voordelen van deze bench-top, gasgestuurde schokbuisopstelling zijn de relatief lage kosten voor aanschaf- en bedrijfskosten, evenals het gemak van installatie en gebruik. Bovendien maakt de opstelling een hoge doorvoer en het genereren van gecontroleerde reproduceerbare explosiegolven en in vivo resultaten bij zowel muizen als ratten mogelijk. Om te kunnen controleren op consistente testomstandigheden (d.w.z. constante straalgolf en overdruk) is de opstelling uitgerust met druksensoren. De voordelen van dit model voor TBI zijn onder meer de schaalbaarheid van de ernst van het letsel en dat milde TBI wordt geïnduceerd met behulp van een niet-invasieve, gesloten hoofdprocedure. Piekoverdruk en daaropvolgende hersenletsel nemen toe met dikkere polyester membranen op een consistente schaalbare ^manier17. De mogelijkheid om de ernst van TBI te schalen door middel van membraandikte is een nuttig hulpmiddel om het niveau te bepalen waarop specifieke uitkomstmaten (bijv. Neuro-inflammatie) duidelijk worden. Het bieden van beschermende afscherming voor de perifere organen maakt ook gericht onderzoek naar milde TBI-mechanismen mogelijk door verstorende variabelen van systemisch letsel, zoals long- of thoracale schade, te vermijden of te verminderen. Bovendien maakt deze opstelling het mogelijk om de richting te selecteren, waardoor de ontploffingsgolf het hoofd raakt / binnendringt (d.w.z. frontaal, zijkant, boven of onder) en daarom kunnen verschillende soorten TBI-inducerende beledigingen worden onderzocht. De hier beschreven standaardprocedure voor het induceren van milde tot matige TBI maakt gebruik van zijdelingse blootstelling om de effecten van explosiegolfletsel in combinatie met coup- en contrecoupletsel als gevolg van snelle rotatiekrachten te evalueren. Bovendien kan, om uitsluitend door explosie geïnduceerd letsel te onderzoeken, top-down explosiegolfblootstelling worden gebruikt in dit model.