Kemirgenlerde Kapalı Başlı Hafif Travmatik Beyin Hasarının Preklinik Değerlendirmesi için Düşük Yoğunluklu Patlama Dalgası Modeli

Travmatik beyin hasarı (TBI), yalnızca Amerika Birleşik Devletleri’nde her yıl iki milyondan fazla hastane ziyaretine neden olmaktadır. Genellikle araba kazalarından, spor etkinliklerinden veya düşmelerden kaynaklanan hafif TBI, tüm TBH vakalarının yaklaşık %80’ini temsil ^eder1. Hafif TBI ‘sessiz hastalık’ olarak kabul edilir, çünkü hastalar genellikle ilk hakareti takip eden günlerde ve aylarda açık semptomlar yaşamaz, ancak daha sonraki yaşamlarında TBI ile ilişkili ciddi komplikasyonlar ^{geliştirebilir2}. Ayrıca, patlamaya bağlı hafif TBI, askerlik hizmeti üyeleri arasında yaygındır ve kronik CNS disfonksiyonu ile ilişkilendirilmiştir3,4,5,6. Patlamaya bağlı hafif ^TBI7,8 insidansının artması nedeniyle^, hafif TBI ile ilişkili nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçlerin klinik öncesi modellenmesi, TBI için yeni terapötik müdahalelerin geliştirilmesinde odak noktası haline gelmiştir.

Tarihsel olarak, TBI araştırması, nispeten daha düşük sayıda şiddetli insan TBI vakasına rağmen, öncelikle ciddi nörotravma formlarına odaklanmıştır. Şiddetli insan TBH’si için klinik öncesi kemirgen modelleri, her ikisi de güvenilir patofizyolojik etkiler üretmek için iyi kurulmuş olan kontrollü kortikal etki (CCI)^9,10 ve sıvı perküsyon hasarı (FPI)¹¹ modelleri de dahil olmak üzere ^{geliştirilmiştir12,13}. Bu modeller, bugün TBI’da nöroinflamasyon, nörodejenerasyon ve nöronal onarım hakkında bilinenlerin temelini atmıştır. TBİ’nin patofizyolojisi hakkında önemli bilgiler geliştirilmiş olmasına rağmen, şu anda TBI için etkili, FDA onaylı bir tedavi bulunmamaktadır.

Daha yakın zamanlarda, TBI araştırmasının odak noktası, etkili terapötik müdahaleler geliştirme nihai hedefi ile TBI ile ilişkili patolojilerin daha geniş bir spektrumunu içerecek şekilde genişletilmiştir. Bununla birlikte, hafif TBH için ölçülebilir etkiler gösteren az sayıda preklinik model oluşturulmuştur ve hafif TBI spektrumunu araştıran sadece az sayıda çalışma yapılmıştır2,14,15. Hafif TBH, tüm TBH vakalarının büyük çoğunluğunu oluşturduğundan, yeni terapötik stratejiler geliştirmek için insan durumunun etiyolojisi ve nöropatofizyolojisi üzerine araştırmaları kolaylaştırmak için hafif TBI’nın güvenilir modellerine acilen ihtiyaç vardır.

Biyomedikal mühendisleri ve havacılık fizikçileri ile birlikte, hafif ila orta TBI için ölçeklenebilir, kapalı başlı bir patlama dalgası modeli oluşturduk. Bu klinik öncesi kemirgen modeli, askeri mücadelede, spor etkinliklerinde, araba kazalarında ve düşmelerde elde edilen hafif TBI ile ilişkili patlama dalgaları ve hızlanma / yavaşlama hareketi de dahil olmak üzere kuvvet dinamiklerinin etkilerini araştırmak için özel olarak geliştirilmiştir. Patlama dalgaları, insanlarda hafif TBI’ya neden olan kuvvet dinamikleri ile ilişkili olduğundan, bu model, inç kare başına pound (psi) * milisaniye (ms) olarak ölçülen bir dürtü ile tutarlı bir Friedlander dalga formu üretmek üzere tasarlanmıştır. Dürtü seviyesi, klinik öncesi araştırmalar yapmak için fareler ve sıçanlar için tanımlanmış akciğer öldürücülük eğrilerinin altına düşecek şekilde ölçeklendirilir16,17,18. Ek olarak, bu model, hayvanın başının hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve contrecoup yaralanmasının araştırılmasına izin verir. Bu tür yaralanmalar, hem askeri hem de sivil popülasyonlarda gözlenenler de dahil olmak üzere çeşitli klinik TBI sunumlarına özgüdür. Bu nedenle, bu çok yönlü model, TBI’nın çoklu klinik sunumlarını kapsayan bir ihtiyaca uygundur.

Burada sunulan preklinik model, daha önceki bir dizi çalışmanın gösterdiği gibi, klinik hafif TBI ile ilişkili güvenilir ve tekrarlanabilir patofizyolojik değişiklikler üretir17,19,20,21,22,23. Bu modelle yapılan çalışmalar, düşük yoğunluklu bir patlama dalgasına maruz kalan sıçanların nöroinflamasyon, aksonal yaralanma, mikrovasküler hasar, nöronal hasara bağlı biyokimyasal değişiklikler ve kısa süreli plastisite ve sinaptik uyarılabilirlikte eksiklikler sergilediğini ^{göstermiştir19}. Bununla birlikte, bu hafif TBI modeli, orta ila şiddetli invaziv TBI modellerinin kullanıldığı çalışmalarda yaygın olarak gözlenen doku hasarı, kanama, hematom ve kontüzyon19 dahil olmak üzere makroskopik nöropatolojik değişikliklere neden ^{olmamıştır10,24}. Önceki araştırmalar19,21,22,23^, bu klinik öncesi modelin hafif ve orta derecede TBI17,19,20,21,22,23’ün etyolojisinin altında yatan nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçleri karakterize etmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu model aynı zamanda yeni terapötik bileşiklerin ve stratejilerin test edilmesine ve etkili TBI müdahalelerinin geliştirilmesi için yeni, uygun hedeflerin belirlenmesine izin verir19,21,22,23.

Bu model, kemirgenlerde moleküler, hücresel ve davranışsal sonuçlar üzerindeki hızlı dönme kuvvetlerinin yanı sıra patlama dalgalarının neden olduğu etkileri araştırmak için geliştirilmiştir. Burada sunulan patlama dalgası modeline benzer şekilde, gazla çalışan aşırı basınç dalgaları kullanarak hafif ila orta TBI’yı özetlemeye çalışan bir dizi klinik öncesi model geliştirilmiştir2,14,17,25,26,27,28. Diğer modellerin sınırlamalarından bazıları şunlardır: hayvan tel örgülü bir gurney’e sabitlenir ve kafa darbe üzerine hareketsiz hale getirilir; periferik organlar, politravmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini yaratan beyne ek olarak dalgaya maruz kalır; ve modeller büyük ve sabittir, bu da kritik parametrelerin değiştirilmesini ve insan TBI’sını anımsatan daha iyi model koşullarına uyarlanmasını sınırlar.

Bu tezgah üstü, gazla çalışan şok tüpü kurulumunun faydaları, satın alma ve çalıştırma giderleri için göreceli düşük maliyetinin yanı sıra kurulum ve kullanım kolaylığıdır. Ayrıca, kurulum yüksek verimli çalışmaya ve kontrollü tekrarlanabilir patlama dalgalarının üretilmesine ve hem farelerde hem de sıçanlarda in vivo sonuçlara izin verir. Tutarlı test koşullarını (yani, sabit patlama dalgası ve aşırı basınç) kontrol etmek için kurulum, basınç sensörleri ile donatılmıştır. Bu modelin TBI için avantajları, yaralanma şiddetinin ölçeklenebilirliğini ve hafif TBI’nın invaziv olmayan, kapalı başlı bir prosedür kullanılarak indüklenmesini içerir. Zirve aşırı basıncı ve ardından gelen beyin hasarı, tutarlı bir şekilde ölçeklenebilir bir şekilde daha kalın polyester membranlarla ^artar17. TBI şiddetini membran kalınlığı ile ölçeklendirme yeteneği, spesifik sonuç ölçümlerinin (örneğin, nöroinflamasyon) belirginleştiği seviyeyi belirlemek için yararlı bir araçtır. Periferik organlar için koruyucu kalkan sağlanması, akciğer veya torasik yaralanma gibi sistemik yaralanmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini önleyerek veya azaltarak hafif TBI mekanizmalarına odaklanmış araştırmalara da izin verir. Dahası, bu kurulum, patlama dalgasının kafaya çarptığı / nüfuz ettiği yönün seçilmesine izin verir (yani, kafa kafaya, yana, üste veya alta) ve bu nedenle farklı TBI kaynaklı hakaret türleri araştırılabilir. Burada tarif edilen hafif ila orta dereceli TBI’yı indüklemek için standart prosedür, hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve kontrekupa yaralanması ile birlikte patlama dalgası yaralanmasının etkilerini değerlendirmek için yan maruziyeti kullanır. Ayrıca, sadece patlamaya bağlı yaralanmayı araştırmak için, yukarıdan aşağıya patlama dalgasına maruz kalma bu modelde kullanılabilir.