げっ歯類における閉鎖性軽度外傷性脳損傷の前臨床評価のための低強度ブラスト波モデル

外傷性脳損傷(TBI)は、米国だけで毎年200万回以上の病院訪問を占めています。自動車事故、スポーツイベント、または転倒によって一般的に生じる軽度のTBIは、すべてのTBI症例の約80%を占めています¹。軽度のTBIは、患者は最初の侮辱の数日後や数ヶ月で明白な症状を経験しないことが多いため、「静かな病気」と考えられていますが、人生の後半で深刻なTBI関連の合併症を発症する可能性があります²。さらに、爆風誘発性軽度のTBIは軍人の間で蔓延しており、慢性CNS機能不全と関連している^3,4,5,6。芽球関連軽度TBIの発生率の上昇により^7,8、軽度のTBIに関連する神経生物学的および病態生理学的プロセスの前臨床モデリングは、TBIに対する新規治療介入の開発における焦点となっている。

歴史的に、TBI研究は、重篤なヒトTBI症例の数が比較的少ないにもかかわらず、主に重度の形態の神経外傷に焦点を当ててきた。制御された皮質衝撃(CCI)^9,10および流体パーカッション傷害(FPI)^{11モデルを含む}、重篤なヒトTBIの前臨床げっ歯類モデルが開発されており、これらは両方とも信頼できる病態生理学的効果を生み出すために十分に確立されている^12,13。これらのモデルは、TBIにおける神経炎症、神経変性、およびニューロン修復について今日知られていることの基礎を築いた。TBIの病態生理学に関するかなりの知識が開発されているが、TBIに対して利用可能な有効なFDA承認の治療法は現在存在しない。

より最近では、TBI研究の焦点は、効果的な治療介入を開発するという究極の目標を掲げて、TBI関連病理のより広いスペクトルを含むように拡大されている。それにもかかわらず、測定可能な効果を示した軽度のTBIの前臨床モデルはほとんど確立されておらず、軽度のTBIスペクトルを調査した研究はごくわずかです2,14,15。軽度のTBIがすべてのTBI症例の大多数を占めるため、新しい治療戦略を開発するために、ヒトの状態の病因および神経病態生理学の研究を促進するために、軽度のTBIの信頼できるモデルが緊急に必要である。

生物医学エンジニアや航空宇宙物理学者と協力して、軽度から中等度のTBIのためのスケーラブルでクローズドヘッドブラストウェーブモデルを確立しました。この前臨床げっ歯類モデルは、軍事戦闘、スポーツイベント、自動車事故、転倒で得られた人間の軽度のTBIに関連する爆風波や加速/減速運動などの力力学の影響を調べるために特別に開発されました。爆風波はヒトで軽度のTBIを引き起こす力力ダイナミクスと相関するため、このモデルは、ポンド/平方インチ(psi)*ミリ秒(ms)として測定されるインパルスで一貫したフリードランダー波形を生成するように設計されています。インパルスレベルは、前臨床調査を実施するために、マウスおよびラットについて定義された肺致死率曲線を下回るようにスケーリングされます^16,17,18。さらに、このモデルは、動物の頭の急速な回転力によるクーデターおよびコントレクティブ傷害の調査を可能にする。この種の傷害は、軍人および民間人集団の両方で観察されるものを含む、いくつかのタイプの臨床TBI提示に固有のものである。したがって、この汎用性の高いモデルは、TBIの複数の臨床提示を包含するニーズに適合する。

ここで提示された前臨床モデルは、多数の先行研究によって実証されているように、臨床的軽度TBIに関連する信頼性が高く再現可能な病態生理学的変化を生じる¹⁷、¹⁹、20^、21、^22、23。このモデルを用いた研究では、低強度の芽球波を受けたラットが、神経炎症、軸索損傷、微小血管損傷、神経細胞損傷に関連する生化学的変化、および短期可塑性およびシナプス興奮性の欠損を示すことが示されました¹⁹。しかし、この軽度のTBIモデルは、中等度から重度の侵襲的TBIモデルを用いた研究で一般的に観察されている組織損傷、出血、血腫および挫傷¹⁹を含む巨視的な神経病理学的変化を誘発しなかった^10,24。以前の研究19,21,22,23は、この前臨床モデルが、軽度および中等度のTBIの病因の根底にある神経生物学的および病態生理学的プロセスを特徴付けるために使用され得ることを示している^{17,19,20,21,22,23}。 このモデルはまた、新しい治療化合物および戦略の試験、ならびに効果的なTBI介入の開発のための新規で適切な標的の同定を可能にする19,21,22,23。

このモデルは、げっ歯類の分子、細胞、行動の結果に対する爆風波と急速な回転力によって誘発される影響を調べるために開発されました。ここで提示された爆風波モデルと同様に、ガス駆動の過圧波を用いて軽度から中等度のTBIを再現しようとする多くの前臨床モデルが開発されている2,14,17,25,26,27,28。他のモデルの制限のいくつかが含まれます:動物は金網のガーニーに固定され、頭は衝撃時に固定されます。末梢器官は脳に加えて波にさらされ、多発性外傷の交絡変数を作り出す。また、モデルは大きくて静止しているため、重要なパラメータを変更して、人間のTBIを連想させるより良いモデル条件に適応させることが制限されます。

このベンチトップのガス駆動ショックチューブセットアップの利点は、取得およびランニングコストが比較的低コストであること、および設置と使いやすさです。さらに、このセットアップにより、マウスとラットの両方で、ハイスループットな操作と制御された再現可能なブラスト波と in vivo 結果の生成が可能になります。一貫した試験条件(すなわち、一定のブラスト波および過圧)を制御するために、セットアップには圧力センサが装備されています。TBIに対するこのモデルの利点には、傷害の重症度のスケーラビリティと、軽度のTBIが非侵襲的で閉鎖的な頭部処置を使用して誘導されることが含まれる。ピーク過圧とそれに続く脳損傷は、より厚いポリエステル膜とともに、一貫したスケーラブルな方法で増加します¹⁷。TBIの重症度を膜厚によってスケーリングする能力は、特定の転帰尺度(例えば、神経炎症)が明らかになるレベルを決定するための有用なツールである。末梢器官に保護遮蔽を提供することで、肺または胸部損傷などの全身損傷の交絡変数を回避または低減することによって、軽度のTBIメカニズムへの集中的な調査も可能になる。さらに、この設定により、爆風波が頭部に当たる/貫通する方向(すなわち、正面から、側面、上または下)を選択できるため、さまざまな種類のTBI誘発侮辱を調査できます。ここで説明する軽度から中等度のTBIを誘導する標準的な手順は、急速な回転力によるクーデターおよびコントレクエイプ傷害と組み合わせた爆風波傷害の影響を評価するために、側方暴露を使用する。さらに、もっぱら爆風誘発傷害を調査するために、このモデルではトップダウン爆風波ばく露を採用することができる。