نموذج قابل للتطوير لدراسة آثار إصابة القوة الحادة في سمك الحمار الوحشي البالغ
Summary
قمنا بتعديل نموذج انخفاض الوزن Marmarou لسمك الحمار الوحشي الكبار لفحص اتساع نطاق الأمراض بعد إصابات الدماغ الرضية القوة الحادة (TBI) والآليات الكامنة وراء تجديد الخلايا العصبية اللاحقة. هذا النموذج TBI قوة حادة قابلة للتطوير، ويحفز TBI خفيفة، معتدلة، أو شديدة، ويستعرض عدم التجانس الإصابة لوحظ في TBI الإنسان.
Abstract
إصابات الدماغ الرضية بقوة بلانت (TBI) هي الشكل الأكثر شيوعا لصدمة الرأس ، والتي تمتد عبر مجموعة من الشدات وتسفر عن آثار ثانوية معقدة وغير متجانسة. في حين لا توجد آلية لاستبدال أو تجديد الخلايا العصبية المفقودة بعد TBI في البشر، حمار وحشي تمتلك القدرة على تجديد الخلايا العصبية في جميع أنحاء الجسم، بما في ذلك الدماغ. لدراسة اتساع الأمراض المعروضة في حمار وحشي بعد TBI قوة حادة ودراسة الآليات الكامنة وراء الاستجابة التجديدية العصبية اللاحقة، قمنا بتعديل القوارض المستخدمة عادة مارمارو انخفاض الوزن للاستخدام في حمار وحشي الكبار. نموذجنا البسيط TBI ذو القوة الحادة قابل للتطوير ، مما يؤدي إلى TBI خفيف أو معتدل أو شديد ، ويستعرض العديد من الأنماط الظاهرية التي لوحظت بعد TBI البشري ، مثل نوبات الاتصال وما بعد الصدمة ، والوذمة ، والأورام الدموية تحت الجافية وداخل الدماغ ، والإعاقات المعرفية ، كل منها يتم عرضه بطريقة تعتمد على شدة الإصابة. TBI تتمة، والتي تبدأ في الظهور في غضون دقائق من الإصابة، تهدأ والعودة إلى مستويات السيطرة غير التالفة تقريبا في غضون 7 أيام بعد الإصابة. تبدأ عملية التجديد في وقت مبكر من 48 ساعة بعد الإصابة (hpi) ، مع ذروة انتشار الخلايا التي لوحظت من قبل 60 hpi. وهكذا، لدينا حمار وحشي حاد القوة نموذج TBI تنتج الأمراض الإصابة الأولية والثانوية المميزة TBI مماثلة ل TBI الإنسان، والذي يسمح للتحقيق في بداية المرض والتقدم، جنبا إلى جنب مع آليات تجديد الخلايا العصبية التي هي فريدة من نوعها لسمك الحمار الوحشي.
Introduction
إصابات الدماغ الرضية (TBIs) هي أزمة صحية عالمية وسبب رئيسي للوفاة والعجز. في الولايات المتحدة، يعاني ما يقرب من 2.9 مليون شخص من TBI كل عام، وبين عامي 2006-2014 زادت الوفيات بسبب TBI أو TBI sequelae بأكثر من 50٪1. ومع ذلك ، تختلف TBIs في مسبباتها وعلم الأمراض والعرض السريري ويرجع ذلك إلى حد كبير جزئيا إلى آلية الإصابة (MOI) ، والتي تؤثر أيضا على استراتيجيات العلاج والتكهن المتوقع2. على الرغم من أن TBIs يمكن أن تنتج عن وزارة الداخلية المختلفة ، إلا أنها في الغالب نتيجة إما لصدمة اختراق أو قوة حادة. تمثل الصدمات المخترقة نسبة صغيرة من TBIs وتولد إصابة شديدة ومحلية يتم توطينها في مناطق الدماغ المباشرة والمحيطة بها3. وعلى النقيض من ذلك، فإن ال TBIs ذات القوة الحادة أكثر شيوعا بين عامة السكان، وتمتد على مجموعة من الشدات (خفيفة ومعتدلة وشديدة)، وتنتج إصابة منتشرة وغير متجانسة وعالمية تؤثر على مناطق الدماغ المتعددة1,4,5.
وقد استخدمت حمار وحشي (دانيو ريو) لفحص مجموعة واسعة من الشتائم العصبية التي تمتد الجهاز العصبي المركزي (CNS)6,7,8,9. تمتلك حمار وحشي أيضا ، على عكس الثدييات ، استجابة تجديدية فطرية وقوية لإصلاح تلف CNS10. تستخدم نماذج الصدمات الحالية لسمك الحمار الوحشي أساليب إصابة مختلفة، بما في ذلك الاختراق أو الطرد أو الإهانة الكيميائية أو موجات الضغط11,12,13,14,15,16. ومع ذلك ، فإن كل من هذه الأساليب تستخدم MOI التي نادرا ما يعاني منها السكان البشريون ، وغير قابلة للتطوير عبر مجموعة من شدة الإصابة ، ولا تعالج التغايرية أو تتمة TBI المعتمدة على الشدة التي تم الإبلاغ عنها بعد TBI ذات القوة الحادة. تحد هذه العوامل من استخدام نموذج حمار وحشي لفهم الآليات الأساسية للأمراض المرتبطة بالشكل الأكثر شيوعا من TBI في السكان البشريين (إصابات القوة الحادة الخفيفة).
كنا نهدف إلى تطوير نموذج حمار وحشي TBI سريع وقابل للتطوير يوفر سبلا للتحقيق في أمراض الإصابات ، وتطور تتمة TBI ، والاستجابة التجديدية الفطرية. قمنا بتعديل القوارض Marmarou17 الشائعة الاستخدام وانخفاض الوزن وتطبيقها على حمار وحشي الكبار. هذا النموذج ينتج مجموعة قابلة للاستنساخ من الخطورة تتراوح بين معتدلة، معتدلة، إلى شديدة. يلخص هذا النموذج أيضا جوانب متعددة من أمراض TBI البشرية ، بطريقة تعتمد على الشدة ، بما في ذلك النوبات والوذمة والأورام الدموية تحت الجافية وداخل الدماغ ، وموت الخلايا العصبية ، والعجز المعرفي ، مثل التعلم وضعف الذاكرة. بعد أيام من الإصابة ، تتبدد الأمراض والعجز ، والعودة إلى مستويات تشبه الضوابط غير التالفة. بالإضافة إلى ذلك، يعرض هذا النموذج حمار وحشي انتشار قوي واستجابة تجديد الخلايا العصبية عبر neuroaxis بشأن شدة الإصابة.
هنا، نقدم تفاصيل نحو إعداد وتحريض الصدمة القوة الحادة، وتسجيل النوبات اللاحقة للصدمة، وتقييم إصابات الأوعية الدموية، وتعليمات حول إعداد أقسام الدماغ، والنهج لتحديد الوذمة، والبصيرة في الاستجابة التكاثرية بعد الإصابة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تركزت التحقيقات في الصدمات العصبية وما يرتبط بها من عواقب منذ فترة طويلة على نماذج القوارض التقليدية غير التجديدية20. وفي الآونة الأخيرة فقط طبقت الدراسات أشكالا مختلفة من الأضرار الناجمة عن الجهاز العصبي المركزي على النماذج التجديدية9,11,13,14,21.…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا أعضاء مختبر هايد على مناقشاتهم المدروسة، وفنيي مركز فرايمان لعلوم الحياة على رعاية وتربية سمك الحمار الوحشي، وجامعة نوتردام للفحص المجهري البصري Core/NDIIF لاستخدام الأدوات وخدماتها. تم دعم هذا العمل من قبل مركز أبحاث زيبرافيش في جامعة نوتردام، ومركز الخلايا الجذعية والطب التجديدي في جامعة نوتردام، والمنح المقدمة من المعهد الوطني للعيون في NIH R01-EY018417 (DRH)، وبرنامج زمالة أبحاث الدراسات العليا التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم (JTH)، وزمالة LTC نيل هايلاند من نوتردام (JTH)، زمالة حراس الحرية (JTH)، ومنحة بات تيلمان (JTH).
Materials
| 2-phenoxyethanol | Sigma Alderich | 77699 | |
| #00 buckshot | Remington | RMS23770 | 3.3g weight for sTBI |
| #3 buckshot | Remington | RMS23776 | 1.5g weight for miTBI/moTBI |
| #5 Dumont forceps | WPI | 14098 | |
| 5-ethynyl-2’-deoxyuridine | Life Technologies | A10044 | EdU |
| 5ml glass vial | VWR | 66011-063 | |
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit | Life Technologies | C10340 | |
| CytoOne 12-well plate | USA Scientific | CC7682-7512 | |
| Instant Ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Super frost postiviely charged slides | VWR | 48311-703 | |
| Super PAP Pen Liquid Blocker | Ted Pella | 22309 | |
| Tissue freezing medium | VWR | 15148-031 |
References
- Centers for Disease Control and Prevention. Surveillance Report of Traumatic Brain Injury-related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths-United States, 2014. Centers for Disease Control and Prevention, U.S. Department of Health and Human Services. , (2019).
- Galgano, M., et al. Traumatic brain injury: current treatment strategies and future endeavors. Cell transplantation. 26 (7), 1118-1130 (2017).
- Santiago, L. A., Oh, B. C., Dash, P. K., Holcomb, J. B., Wade, C. E. A clinical comparison of penetrating and blunt traumatic brain injuries. Brain injury. 26 (2), 107-125 (2012).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31 (6), 379-387 (2016).
- Faul, M., Xu, L., Wald, M., Coronado, V. . Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations and Deaths. , (2010).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology. 342 (1), 26-38 (2010).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Alyenbawwi, H., et al. Seizures are a druggable mechanistic link between TBI and subsequent tauopathy. eLife. 10, 58744 (2021).
- Kaslin, J., Kroehne, V., Ganz, J., Hans, S., Brand, M. Distinct roles of neuroepithelia-like and radial glia-like progenitor cells in cerebellar regeneration. Development. 144 (8), 1462-1471 (2017).
- McCutcheon, V., et al. A novel model of traumatic brain injury in adult zebrafish demonstrates response to injury and treatment comparable with mammalian models. Journal of Neurotrauma. 34 (7), 1382-1393 (2017).
- Skaggs, K., Goldman, D., Parent, J. Excitotoxic brain injury in adult zebrafish stimulates neurogenesis and long-distance neuronal integration. Glia. 62 (12), 2061-2079 (2014).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Mussulini, B. H., et al. Seizures induced by pentylenetetrazole in the adult zebrafish: a detailed behavioral characterization. PloS One. 8 (1), 54515 (2013).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injuries. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Amamoto, R., et al. Adult axolotls can regenerate original neuronal diversity in response to brain injury. eLife. 5, 13998 (2016).
- Yamamoto, S., Levin, H., Prough, D. Mild, moderate and severe: terminology implications for clinical and experimental traumatic brain injury. Current Opinion in Neurology. 31 (6), 672-680 (2008).
- Lund, S., et al. Moderate traumatic brain injury, acute phase course and deviations in physiological variables: an observational study. Scandinavian Journal of Trauma Resuscitation and Emergency Medicine. 24, 77 (2016).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14 (5), 506-517 (2015).
- Ruff, R. M., et al. Recommendations for diagnosing a mild traumatic brain injury: a National Academy of Neuropsychology education paper. Archives of Clinical Neuropsychology: The Official Journal of the National Academy of Neuropsychologists. 24 (1), 3-10 (2009).
- Ganz, J., Brand, M. Adult neurogenesis in fish. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 8 (7), 019018 (2016).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration and cell fate. Developmental Biology. 295, 263-277 (2006).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Review of Visual Science. 6, 171-193 (2020).
