Low-Intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-Head Mild Traumatic Brain Injury bei Nagetieren

Schädel-Hirn-Trauma (TBI) macht allein in den Vereinigten Staaten jedes Jahr mehr als zwei Millionen Krankenhausbesuche aus. Leichte SHT-Werte, die häufig auf Autounfälle, Sportereignisse oder Stürze zurückzuführen sind, machen etwa 80 % aller ^{TBI-Fälle aus1.} Mildes SHT gilt als die “stille Krankheit”, da Patienten in den Tagen und Monaten nach der ersten Beleidigung oft keine offensichtlichen Symptome haben, aber später im Leben ernsthafte TBI-bedingte Komplikationen entwickeln ^können2. Darüber hinaus ist blasteninduziertes mildes TBI unter Militärangehörigen weit verbreitet und wurde mit chronischer ZNS-Dysfunktion in Verbindung gebracht3,4,5,6. Aufgrund der steigenden Inzidenz von blastenbedingtem mildem ^TBI7,8 ist die präklinische Modellierung neurobiologischer und pathophysiologischer Prozesse im Zusammenhang mit leichtem SHT daher zu einem Schwerpunkt bei der Entwicklung neuartiger therapeutischer Interventionen für TBI geworden.

In der Vergangenheit hat sich die TBI-Forschung in erster Linie auf schwere Formen von Neurotraumata konzentriert, trotz der relativ geringeren Anzahl schwerer menschlicher TBI-Fälle. Es wurden präklinische Nagetiermodelle für schweres menschliches SHT entwickelt, einschließlich der Modelle Controlled Cortical Impact (CCI)9,10 und Fluid Percussion Injury (FPI)11, die beide gut etabliert sind, um zuverlässige pathophysiologische Wirkungen zu ^{erzielen12,13}. Diese Modelle haben den Grundstein für das gelegt, was heute über Neuroinflammation, Neurodegeneration und neuronale Reparatur bei TBI bekannt ist. Obwohl beträchtliche Kenntnisse über die Pathophysiologie von TBI entwickelt wurden, gibt es derzeit keine wirksamen, von der FDA zugelassenen Behandlungen für TBI.

In jüngerer Zeit wurde der Schwerpunkt der TBI-Forschung auf ein breiteres Spektrum von TBI-bezogenen Pathologien ausgeweitet, mit dem ultimativen Ziel, wirksame therapeutische Interventionen zu entwickeln. Dennoch wurden nur wenige präklinische Modelle für leichte TBI etabliert, die messbare Effekte gezeigt haben, und nur eine kleine Anzahl von Studien hat das milde ^TBI-Spektrum untersucht2,14,15. Da milde TBI die große Mehrheit aller TBI-Fälle ausmachen, werden zuverlässige Modelle für milde TBI dringend benötigt, um die Erforschung der Ätiologie und Neuropathophysiologie des menschlichen Zustands zu erleichtern, um neuartige therapeutische Strategien zu entwickeln.

In Zusammenarbeit mit biomedizinischen Ingenieuren und Luft- und Raumfahrtphysikern haben wir ein skalierbares, geschlossenes Blastwellenmodell für leichte bis mittelschwere TBI etabliert. Dieses präklinische Nagetiermodell wurde speziell entwickelt, um die Auswirkungen der Kraftdynamik zu untersuchen, einschließlich Explosionswellen und Beschleunigungs- / Verzögerungsbewegungen, die mit dem leichten SHT des Menschen verbunden sind, das bei militärischen Kämpfen, Sportveranstaltungen, Autounfällen und Stürzen erhalten wird. Da Explosionswellen mit der Kraftdynamik korrelieren, die beim Menschen leichte TBI verursacht, wurde dieses Modell entwickelt, um eine konsistente Friedlander-Wellenform mit einem Impuls zu erzeugen, der als Pfund pro Quadratzoll (psi) * Millisekunde (ms) gemessen wird. Das Impulsniveau wird skaliert, um unter definierte Lungenletalitätskurven für Mäuse und Ratten zu fallen, um präklinische Studien ^{durchzuführen16,17,18}. Darüber hinaus ermöglicht dieses Modell die Untersuchung von Putsch- und Contrecoup-Verletzungen aufgrund schneller Rotationskräfte des Tierkopfes. Diese Art von Verletzung ist verschiedenen Arten von klinischen TBI-Präsentationen inhärent, einschließlich derer, die sowohl bei der militärischen als auch bei der zivilen Bevölkerung beobachtet werden. Daher passt dieses vielseitige Modell zu einem Bedarf, der mehrere klinische Präsentationen von TBI umfasst.

Das hier vorgestellte präklinische Modell erzeugt zuverlässige und reproduzierbare pathophysiologische Veränderungen im Zusammenhang mit klinisch mildem SHT, wie eine Reihe früherer Studien gezeigt hat17,19,20,21,22,23. Studien mit diesem Modell zeigten, dass Ratten, die einer Blastenwelle niedriger Intensität ausgesetzt waren, Neuroinflammation, axonale Verletzungen, mikrovaskuläre Schäden, biochemische Veränderungen im Zusammenhang mit neuronalen Verletzungen und Defizite in der kurzfristigen Plastizität und synaptischen Erregbarkeit ^aufwiesen19. Dieses milde TBI-Modell induzierte jedoch keine makroskopischen neuropathologischen Veränderungen, einschließlich Gewebeschäden, Blutungen, Hämatomen und Prellungen19, die in Studien mit mittelschweren bis schweren invasiven TBI-Modellen häufig beobachtet ^wurden10,24. Frühere Forschungen19,21,22,23 haben gezeigt, dass dieses präklinische Modell verwendet werden kann, um neurobiologische und pathophysiologische Prozesse zu charakterisieren, die der Ätiologie von leichtem und mittelschwerem TBI17,19,20,21,22,23 zugrunde liegen. Dieses Modell ermöglicht auch die Erprobung neuer therapeutischer Verbindungen und Strategien sowie die Identifizierung neuartiger, geeigneter Ziele für die Entwicklung wirksamer TBI-Interventionen19,21,22,23.

Dieses Modell wurde entwickelt, um die durch Explosionswellen induzierten Effekte sowie schnelle Rotationskräfte auf molekulare, zelluläre und Verhaltensergebnisse bei Nagetieren zu untersuchen. Analog zum hier vorgestellten Blastwellenmodell wurde eine Reihe präklinischer Modelle entwickelt, die versuchen, leichte bis mittelschwere TBI mit gasgetriebenen Überdruckwellen 2,14,17,25,26,27,28 zu rekapitulieren. Einige der Einschränkungen anderer Modelle sind: Das Tier wird an einer Drahtgittergurney befestigt und der Kopf wird beim Aufprall immobilisiert; die peripheren Organe sind zusätzlich zum Gehirn der Welle ausgesetzt, wodurch die verwirrenden Variablen des Polytraumas erzeugt werden; und die Modelle sind groß und stationär, was das Ändern und Anpassen kritischer Parameter an bessere Modellbedingungen einschränkt, die an menschliches SHT erinnern.

Die Vorteile dieses Bench-Top-Gasstoßdämpferrohr-Setups sind die relativ niedrigen Kosten für Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die einfache Installation und Verwendung. Darüber hinaus ermöglicht das Setup den Hochdurchsatzbetrieb und die Erzeugung von kontrollierten reproduzierbaren Blastwellen und In-vivo-Ergebnissen sowohl bei Mäusen als auch bei Ratten. Zur Kontrolle gleichbleibender Prüfbedingungen (d.h. konstante Strahlwelle und Überdruck) ist der Aufbau mit Drucksensoren ausgestattet. Zu den Vorteilen dieses Modells für TBI gehören die Skalierbarkeit der Schwere der Verletzung und die Induktion eines leichten TBI durch ein nicht-invasives, geschlossenes Kopfverfahren. Spitzenüberdruck und anschließende Hirnverletzungen nehmen mit dickeren Polyestermembranen in konsistent skalierbarer Weise ^zu17. Die Fähigkeit, den Schweregrad der TBI durch die Membrandicke zu skalieren, ist ein nützliches Werkzeug, um das Niveau zu bestimmen, bei dem spezifische Ergebnismaße (z. B. Neuroinflammation) offensichtlich werden. Die Bereitstellung einer Schutzabschirmung für die peripheren Organe ermöglicht auch eine gezielte Untersuchung leichter TBI-Mechanismen, indem Störvariablen von systemischen Verletzungen, wie Lungen- oder Thoraxverletzungen, vermieden oder reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht dieser Aufbau die Auswahl der Richtung, in der die Explosionswelle den Kopf trifft / durchdringt (dh frontal, seitlich, oben oder unten) und daher können verschiedene Arten von TBI-induzierenden Beleidigungen untersucht werden. Das hier beschriebene Standardverfahren zur Induktion von leichtem bis mittelschwerem SHT verwendet eine seitliche Exposition, um die Auswirkungen einer Explosionswellenverletzung in Kombination mit einer Coup- und Contrecoup-Verletzung aufgrund schneller Rotationskräfte zu bewerten. Um ausschließlich blasteninduzierte Verletzungen zu untersuchen, kann in diesem Modell eine Top-Down-Blastwellenexposition eingesetzt werden.