Масштабируемая модель для изучения последствий травмы тупой силой у взрослых рыбок данио
Summary
Мы модифицировали модель снижения веса Мармару для взрослых рыбок данио, чтобы изучить широту патологий после черепно-мозговой травмы тупой силы (ЧМТ) и механизмы, лежащие в основе последующей регенерации нейронов. Эта модель ЧМТ с тупой силой является масштабируемой, индуцирует легкую, умеренную или тяжелую ЧМТ и повторяет гетерогенность травмы, наблюдаемую при ЧМТ человека.
Abstract
Черепно-мозговые травмы тупой силы (ЧМТ) являются наиболее распространенной формой травмы головы, которая охватывает диапазон тяжестей и приводит к сложным и гетерогенным вторичным эффектам. Хотя нет механизма для замены или регенерации потерянных нейронов после ЧМТ у людей, рыбки данио обладают способностью регенерировать нейроны по всему телу, включая мозг. Чтобы изучить широту патологий, проявляющихся у рыбок данио после тупой ЧМТ, и изучить механизмы, лежащие в основе последующего регенеративного ответа нейронов, мы модифицировали обычно используемое падение веса грызунов Мармару для использования у взрослых рыбок данио. Наша простая модель тупой ЧМТ является масштабируемой, вызывая легкую, умеренную или тяжелую ЧМТ, и повторяет многие фенотипы, наблюдаемые после ЧМТ человека, такие как контактные и посттравматические судороги, отеки, субдуральные и внутримозговые гематомы и когнитивные нарушения, каждый из которых проявляется в зависимости от тяжести травмы. Последствия ЧМТ, которые начинают появляться в течение нескольких минут после травмы, стихают и возвращаются к почти неповрежденным контрольным уровням в течение 7 дней после травмы. Регенеративный процесс начинается уже через 48 часов после травмы (hpi), с пиком пролиферации клеток, наблюдаемым при 60 hpi. Таким образом, наша модель тупой ЧМТ рыбок данио производит характерные патологии ЧМТ первичного и вторичного повреждения, аналогичные ЧМТ человека, что позволяет исследовать начало и прогрессирование заболевания, а также механизмы регенерации нейронов, которые являются уникальными для рыбок данио.
Introduction
Черепно-мозговые травмы (ЧМТ) являются глобальным кризисом в области здравоохранения и основной причиной смерти и инвалидности. В Соединенных Штатах примерно 2,9 миллиона человек испытывают ЧМТ каждый год, а в период с 2006 по 2014 год смертность из-за ЧМТ или последствий ЧМТ увеличилась более чем на 50%1. Тем не менее, ЧМТ различаются по своей этиологии, патологии и клинической картине в значительной степени из-за механизма травмы (MOI), который также влияет на стратегии лечения и прогнозируемый прогноз2. Хотя ЧМТ могут быть результатом различных MOI, они преимущественно являются результатом либо проникающей, либо тупой травмы. Проникающие травмы составляют небольшой процент ЧМТ и порождают тяжелую и очаговую травму, которая локализуется в ближайших и окружающих пронзенных областях мозга3. Напротив, ЧМТ тупой силы чаще встречаются в общей популяции, охватывают диапазон тяжестей (легкая, умеренная и тяжелая) и вызывают диффузную, гетерогенную и глобальную травму, затрагивающую несколько областей мозга1,4,5.
Рыбки данио (Danio rerio) были использованы для изучения широкого спектра неврологических повреждений, охватывающих центральную нервную систему (ЦНС)6,7,8,9. Рыбки данио также обладают, в отличие от млекопитающих, врожденной и надежной регенеративной реакцией для восстановления повреждений ЦНС10. Современные модели травм рыбок данио используют различные методы травм, включая проникновение, иссечение, химическое оскорбление или волны давления11,12,13,14,15,16. Тем не менее, каждый из этих методов использует MOI, который редко испытывается человеческой популяцией, не масштабируется в диапазоне тяжести травм и не учитывает гетерогенность или тяжесть зависимых от осложнений ЧМТ, о которых сообщалось после тупой ЧМТ. Эти факторы ограничивают использование модели рыбок данио для понимания основных механизмов патологий, связанных с наиболее распространенной формой ЧМТ в человеческой популяции (легкие тупые травмы).
Мы стремились разработать быструю и масштабируемую модель тупой ЧМТ данио, которая предоставляет возможности для исследования патологии травмы, прогрессирования осложнений ЧМТ и врожденной регенеративной реакции. Мы модифицировали обычно используемое падение веса грызунов Marmarou17 и применили его к взрослым рыбкам данио. Эта модель дает воспроизводимый диапазон тяжестей, варьирующихся от легкой, умеренной до тяжелой. Эта модель также повторяет несколько аспектов патологии ЧМТ человека в зависимости от тяжести, включая судороги, отеки, субдуральные и внутримозговые гематомы, гибель нейронных клеток и когнитивные дефициты, такие как ухудшение обучения и памяти. Через несколько дней после травмы патологии и дефициты рассеиваются, возвращаясь к уровням, напоминающим неповрежденные контрольные группы. Кроме того, эта модель рыбок данио демонстрирует надежную реакцию пролиферации и регенерации нейронов по всей нейрооси в отношении тяжести травмы.
Здесь мы предоставляем подробную информацию о настройке и индукции травмы тупой силы, оценке посттравматических судорог, оценке сосудистых повреждений, инструкциях по подготовке участков мозга, подходах к количественной оценке отека и понимании пролиферативной реакции после травмы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Исследования нейротравм и связанных с ними последствий уже давно сосредоточены на традиционных нерегенеративных моделях грызунов20. Только недавно исследования применили различные формы повреждения ЦНС к регенеративным моделям9,11,13,14,21.…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить членов лаборатории Хайда за их вдумчивые дискуссии, техников Центра наук о жизни Фрайманна по уходу за рыбками данио и разведению рыбок данио и Университет Нотр-Дам Оптическая микроскопия Core / NDIIF за использование инструментов и их услуг. Эта работа была поддержана Центром исследований рыбок данио в Университете Нотр-Дам, Центром стволовых клеток и регенеративной медицины в Университете Нотр-Дам, а также грантами Национального института глаз NIH R01-EY018417 (DRH), Программы стипендий выпускников Национального научного фонда (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Стипендия Стражей Свободы (JTH) и Стипендия Пэта Тиллмана (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).
