Modelo de onda de explosão de baixa intensidade para avaliação pré-clínica de lesão cerebral traumática leve de cabeça fechada em roedores

A lesão cerebral traumática (TCE) é responsável por mais de dois milhões de visitas hospitalares por ano apenas nos Estados Unidos. TBI leve comumente resultante de acidentes de carro, eventos esportivos ou quedas representam aproximadamente 80% de todos os casos de ^TCE1. O TBI leve é considerado a “doença silenciosa”, pois os pacientes muitas vezes não experimentam sintomas a ver com os dias e meses seguintes ao insulto inicial, mas podem desenvolver sérias complicações relacionadas ao TCE mais tarde na ^vida2. Além disso, o TCE leve induzido por explosão é prevalente entre os militares e tem sido associado à disfunção crônica do CNS3,4,5,6. Devido à crescente incidência de ^TBI7,8 leve relacionada à explosão, a modelagem pré-clínica dos processos neurobiológicos e fisiocessiológicos associados ao TCE leve tornou-se, assim, foco no desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas para TCE.

Historicamente, a pesquisa da TBI tem se concentrado principalmente em formas graves de neurotrauma, apesar do número relativamente menor de casos graves de TCE humanos. Foram desenvolvidos modelos de roedores pré-clínicos para TBI humano severo, incluindo os modelos de impacto cortical controlado (CCI)^9,10 e lesão de percussão fluida (FPI)¹¹, ambos bem estabelecidos para produzir efeitos fisiodicos ^{confiáveis12,13}. Esses modelos estabeleceram as bases para o que se sabe hoje sobre neuroinflamação, neurodegeneração e reparação neuronal em TBI. Embora o conhecimento considerável da fisiopatologia do TCE tenha sido desenvolvido, atualmente não há tratamentos eficazes e aprovados pela FDA disponíveis para tce.

Mais recentemente, o foco da pesquisa de TCE foi ampliado para incluir um espectro mais amplo de patologias relacionadas ao TBI com o objetivo final de desenvolver intervenções terapêuticas eficazes. No entanto, foram estabelecidos poucos modelos pré-clínicos para TCE leve que mostraram efeitos mensuráveis, e apenas um pequeno número de estudos investigou o espectro TBI leve2,14,15. Como a URB leve é responsável pela grande maioria de todos os casos de TCE, modelos confiáveis de TCE leve são urgentemente necessários para facilitar a pesquisa sobre a etiologia e a neuropafiologia da condição humana, a fim de desenvolver novas estratégias terapêuticas.

Em conjunto com engenheiros biomédicos e físicos aeroespaciais, estabelecemos um modelo escalável de ondas de explosão de cabeça fechada para TBI leve a moderada. Este modelo de roedor pré-clínico foi desenvolvido especificamente para investigar os efeitos da dinâmica da força, incluindo ondas de explosão e movimento de aceleração/desaceleração, que estão associados ao TBI leve humano obtido em combate militar, eventos esportivos, acidentes de carro e quedas. À medida que as ondas de explosão se correlacionam com a dinâmica da força que causa tce-TBI leve em humanos, este modelo foi projetado para produzir uma forma de onda friedlander consistente com um impulso, que é medido como libras por polegada quadrada (psi)*milissegundo (ms). O nível de impulso é escalado para ficar abaixo das curvas de letalidade pulmonar definidas para ratos e ratos, a fim de realizar investigações pré-clínicas16,17,18. Além disso, este modelo permite a investigação de golpes e lesões contrecoup devido às rápidas forças rotacionais da cabeça do animal. Esse tipo de lesão é inerente a vários tipos de apresentações clínicas de TCE, incluindo aquelas observadas em populações militares e civis. Portanto, este modelo versátil se encaixa em uma necessidade que engloba múltiplas apresentações clínicas de TCE.

O modelo pré-clínico aqui apresentado produz alterações fisiopatológicas confiáveis e reprodutíveis associadas ao TCE clínico leve, como demonstrado por uma série de estudos anteriores17,19,20,21,22,23. Estudos com este modelo mostraram que ratos submetidos a uma onda de explosão de baixa intensidade apresentaram neuroinflamação, lesão axonal, dano microvascular, alterações bioquímicas relacionadas à lesão neuronal e déficits em plasticidade de curto prazo e excitabilidade ^sináptica19. No entanto, este modelo leve de TCE não induziu alterações neuropatológicas macroscópicas, incluindo danos teciduais, hemorragia, hematoma e ^contusão19 que têm sido comumente observados em estudos usando modelos de TCE invasivos moderados a ^graves10,24. Pesquisas anteriores19,21,22,23 mostraram que esse modelo pré-clínico pode ser usado para caracterizar processos neurobiológicos e fisioterápicos subjacentes à etiologia do TBI17,19,20,21,22,23. Este modelo também permite o teste de novos compostos e estratégias terapêuticas, bem como a identificação de novas metas adequadas para o desenvolvimento de intervenções eficazes do TCE19,21,22,23.

Este modelo foi desenvolvido para investigar efeitos induzidos por ondas de explosão, bem como forças rotacionais rápidas em resultados moleculares, celulares e comportamentais em roedores. Análogo ao modelo de onda de explosão apresentado aqui, vários modelos pré-clínicos foram desenvolvidos que tentam recapitular tbi leve a moderado usando ondas de sobrepressão movidas a gás2,14,17,25,26,27,28. Algumas das limitações de outros modelos incluem: o animal é fixado em uma maca de malha de arame e a cabeça é imobilizada após o impacto; os órgãos periféricos são expostos à onda, além do cérebro, o que cria as variáveis de confusão do politraumatismo; e os modelos são grandes e estacionários, o que limita a mudança e adaptação de parâmetros críticos a melhores condições de modelo que lembram o TBI humano.

Os benefícios desta configuração de tubo de choque movido a gás são seu custo relativo baixo para despesas de aquisição e execução, bem como facilidade de instalação e uso. Além disso, a configuração permite a operação de alto rendimento e geração de ondas de explosão reprodutíveis controladas e resultados in vivo em camundongos e ratos. A fim de controlar condições de teste consistentes (ou seja, onda de explosão constante e sobrepressão) a configuração é equipada com sensores de pressão. As vantagens deste modelo para TCE incluem a escalabilidade da gravidade da lesão e que o TCE leve é induzido por um procedimento não invasivo de cabeça fechada. O pico de sobrepressão e a lesão cerebral subsequente aumentam com membranas de poliéster mais espessas de forma escalável ^{consistente17}. A capacidade de escalar a gravidade do TCE através da espessura da membrana é uma ferramenta útil para determinar o nível, no qual medidas específicas de desfecho (por exemplo, neuroinflamação) tornam-se evidentes. Fornecendo blindagem protetora para os órgãos periféricos, também permite a investigação focada em mecanismos leves de TCE, evitando ou reduzindo variáveis de confusão de lesões sistêmicas, como lesão pulmonar ou torácica. Além disso, essa configuração permite selecionar a direção, pela qual a onda de explosão atinge/penetra a cabeça (ou seja, frente a frente, lado, superior ou inferior) e, portanto, diferentes tipos de insultos indutores de TBI podem ser investigados. O procedimento padrão para induzir TBI leve a moderada descrito aqui emprega exposição lateral para avaliar os efeitos da lesão de onda de explosão em combinação com lesão de golpe e contrecoup devido a forças rotacionais rápidas. Além disso, a fim de investigar exclusivamente lesões induzidas por explosão, a exposição de ondas de explosão de cima para baixo pode ser empregada neste modelo.