Rat Burn Model om cutane thermische verbranding en infectie van volledige dikte te bestuderen
Summary
Een model dat het klinische scenario van brandwond en infectie nabootst, is noodzakelijk voor het bevorderen van brandwondenonderzoek. Het huidige protocol demonstreert een eenvoudig en reproduceerbaar rattenbrandinfectiemodel dat vergelijkbaar is met dat bij mensen. Dit vergemakkelijkt de studie van brandwonden en infecties na brandwond voor het ontwikkelen van nieuwe actuele antibioticabehandelingen.
Abstract
Brandinductiemethoden worden inconsistent beschreven in rattenmodellen. Een uniform brandwondmodel, dat het klinische scenario weergeeft, is nodig om reproduceerbaar brandwondenonderzoek uit te voeren. Het huidige protocol beschrijft een eenvoudige en reproduceerbare methode om ~20% totale lichaamsoppervlakte (TBSA) brandwonden van volledige dikte bij ratten te creëren. Hier werd een koperen staaf van 22,89 cm2 (5,4 cm diameter) verwarmd tot 97 °C in een waterbad op het huidoppervlak van de rat aangebracht om de brandwond op te wekken. Een koperen staaf met een hoge thermische geleidbaarheid was in staat om de warmte dieper in het huidweefsel af te voeren om een brandwond van volledige dikte te creëren. Histologieanalyse toont verzwakte epidermis met stollingsschade aan de volledige dikte van de dermis en het onderhuidse weefsel. Bovendien is dit model representatief voor de klinische situaties die worden waargenomen bij gehospitaliseerde brandwondenpatiënten na brandwonden, zoals immuunontregeling en bacteriële infecties. Het model kan de systemische bacteriële infectie door zowel Gram-positieve als Gram-negatieve bacteriën samenvatten. Kortom, dit artikel presenteert een gemakkelijk te leren en robuust rattenbrandmodel dat de klinische situaties nabootst, waaronder immuunontregeling en bacteriële infecties, wat van groot nut is voor de ontwikkeling van nieuwe actuele antibiotica voor brandwonden en infecties.
Introduction
Brandwonden behoren tot de meest verwoestende vormen van trauma, met sterftecijfers die 12% bereiken, zelfs in gespecialiseerde brandwondencentra 1,2,3. Volgens onlangs gepubliceerde rapporten hebben ~ 486.000 brandwondenpatiënten jaarlijks medische zorg nodig in de Verenigde Staten, met bijna 3.500 sterfgevallen 1,2,3,4,5,6. Brandwonden vormen een grote uitdaging voor het immuunsysteem van patiënten en creëren een aanzienlijke open wond, die langzaam geneest, waardoor ze vatbaar zijn voor huid-, long- en systemische kolonisatie met nosocomiale, opportunistische bacteriën. Immuunontregeling in combinatie met de bacteriële infectie is geassocieerd met verhoogde morbiditeit en mortaliteit bij brandwondenpatiënten7.
Een dierlijk brand- en infectiemodel is essentieel voor het bestuderen van de pathogenese van bacteriële infecties na huidbeschadiging en immuunsuppressie geassocieerd met brandwondentrauma. Dergelijke modellen maken het ontwerp en de evaluatie van nieuwe methoden voor de behandeling van bacteriële infecties bij brandwondenpatiënten mogelijk. Ratten en mensen delen vergelijkbare huidfysiologische en pathologische kenmerken die eerder zijn gedocumenteerd8. Bovendien zijn ratten kleiner van formaat, waardoor ze gemakkelijker te hanteren, betaalbaarder en gemakkelijker te verkrijgen en te onderhouden zijn dan grotere diermodellen.
Deze eigenschappen maken ratten een ideaal modeldier om brandwonden en infecties te bestuderen9. Helaas is de techniek voor brandwondinductie inconsistent en vaak minimaal beschreven 10,11,12,13,14. Het huidige protocol is ontworpen om een eenvoudige, kosteneffectieve en reproduceerbare procedure te ontwikkelen voor het creëren van een consistente brandwond van volledige dikte in een rattenmodel dat het klinische scenario simuleert en kan worden gebruikt om immuunsuppressie en bacteriële infectie te evalueren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Verschillende brandwondenmodellen zijn gepresenteerd om de pathofysiologie van brandwonden te bestuderen 8,12,16,17. In de huidige studie gebruikten we een rattenmodel om een eenvoudig en reproduceerbaar protocol te ontwikkelen om een brandwond van volledige dikte te induceren, gevolgd door een bacteriële infectie om een geïnfecteerd brandwondentrauma bij patiënten te simuleren. De keuze van…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedanken de afdeling Vergelijkende Geneeskunde aan de Universiteit van North Carolina voor de verstrekking en verzorging van dieren. We bedanken Lauren Ralph en Mia Evangelista in de Pathology Services Core voor deskundige technische assistentie met histopathologie / digitale pathologie, inclusief weefselsectie en beeldvorming. Dit onderzoek werd ondersteund door een onderzoekssubsidie van het Ministerie van Defensie (Award nummer W81XWH-20-1-0500, GR en TV).
Materials
| 1 mL syringe | BD, USA | 309597 | Used to inject the analgesic |
| 1.7 mL Microtube | Olympus, USA | 24-282 | Used to carry morphine |
| 10% NBF | VWR, USA | 16004-115 | Used to fix the skin piece for staining |
| 30 mL syringe | BD, USA | 302832 | Used to inject the lactate ringer solution |
| 70% ethyl alcohol | Fischer Scientific, USA | BP28184 | |
| Aperio AT2 Digital Pathology Slide Scanner with ImageScope software | Aperio, Technologies Inc., Vista, CA, USA | n/a | Scanning of H & E slides and analysis |
| Cetrimide agar plates | BD, USA | 285420 | Selective media plates for Pseudomonas aeruginosa growth |
| Copper rods | n/a | n/a | Used to induce the burn injury |
| Cotton tipped applicators | OMEGA Surgical supply, USA | 4225-IMC | Used to apply eye ointment |
| Electric shaver | Oster, USA | Golden A5 | Used to remove the dorsal side hairs |
| Eye lube | Dechra, UK | n/a | The eye wetting agent to provide long lasting comfort and avoid eye dryness |
| Fluff filled underpads | Medline, USA | MSC281225 | Used in the burn procedure |
| Forcep | F.S.T. | 11027-12 | Used to hold the skin piece |
| Gauze sponges | Oasis, USA | PK412 | Used to clean the applied nair cream from the dorsal side |
| Heat-resistant gloves | n/a | n/a | Used to hold the heated copper rods |
| Hematology Analyzer | IDEXX laboratories, USA | ProCyte Dx | |
| Induction chamber | Kent Scientific, USA | vetFlo-0730 | Used to anesthesize the animals |
| Insulin syringe | BD, USA | 329461 | |
| Isoflurane | Pivetal, USA | NDC46066-755-04 | Used to anesthesized rats to induce a loss of consciousness |
| Isoflurane vaporiser | n/a | n/a | |
| Lactated ringer's solution | icumedical, USA | NDC0990-7953-09 | Used to resuscitate the rats |
| L-shaped spreader | Fischer Scientific, USA | 14-665-230 | |
| Mannitol Agar | BD, USA | 211407 | Selective media plates for Staphylococcus aureus growth |
| Minicollect tubes (K2EDTA) | greiner bio-one, USA | 450480 | Used to collect the blood |
| Morphine | Mallinckrodt, UK | NDC0406-8003-30 | This analgesia was used to induce the inability to feel burn injury pain |
| Muller Hinton Broth | BD, USA | 275730 | |
| Muller Hinton II Agar | BD, USA | 211438 | |
| Nair hair removal lotion | Nair, USA | n/a | Used to remove the residual hairs on dorsal side |
| Needle 23 G | BD, USA | 305193 | Used to inject the lactate ringer solution |
| Normal saline | n/a | n/a | |
| Spectrophotometer | ThermoScientific, USA | Genesys 30 | |
| Sprague-Dawley rats, male and female | Charles River Labs | n/a | 7-9 weeks old for burn induction |
| Surgical Scissor | F.S.T. | 14501-14 | Used to cut the desired skin piece |
| Tissue collection tubes | Globe Scientific | 220101236 | |
| Tissue Homogenizer | Kinematica, Inc, USA | POLYTRON PT2100 | Used to homogenize the tissue samples |
| Water bath | Fischer Scientific, USA | n/a | Used to induce the burn injury |
| Weighted heating pad | Comfytemp, USA | n/a | Used during the procedure to keep rat's body warm |
References
- Peck, M., Molnar, J., Swart, D. A global plan for burn prevention and care. Bulletin of the World Health Organization. 87, 802-803 (2009).
- American Burn Association. Burn incidence and treatment in the United States: 2011 fact sheet. Chicago: American Burn Association. , (2011).
- Miller, S. F., et al. National burn repository 2007 report: a synopsis of the 2007 call for data. Journal of Burn Care & Research. 29 (6), 862-870 (2008).
- Kruger, E., Kowal, S., Bilir, S. P., Han, E., Foster, K. Relationship between patient characteristics and number of procedures as well as length of stay for patients surviving severe burn injuries: analysis of the American Burn Association National Burn Repository. Journal of Burn Care & Research. 41 (5), 1037-1044 (2020).
- American Burn Association. Burn incidence and treatment in the United States: 2016. Burn Incidence Fact Sheet. Chicago: American Burn Association. , (2016).
- Willis, M. L., et al. Plasma extracellular vesicles released after severe burn injury modulate macrophage phenotype and function. Journal of Leukocyte Biology. 111 (1), 33-49 (2022).
- Kartchner, L. B., et al. One-hit wonder: late after burn injury, granulocytes can clear one bacterial infection but cannot control a subsequent infection. Burns. 45 (3), 627-640 (2019).
- Abdullahi, A., Amini-Nik, S., Jeschke, M. Animal models in burn research. Cellular and Molecular Life Sciences. 71 (17), 3241-3255 (2014).
- Cai, E. Z., et al. Creation of consistent burn wounds: a rat model. Archives of Plastic Surgery. 41 (4), 317 (2014).
- Pessolato, A. G. T., dos Santos Martins, D., Ambrósio, C. E., Mançanares, C. A. F., de Carvalho, A. F. Propolis and amnion reepithelialise second-degree burns in rats. Burns. 37 (7), 1192-1201 (2011).
- Gurung, S., Škalko-Basnet, N. Wound healing properties of Carica papaya latex: in vivo evaluation in mice burn model. Journal of Ethnopharmacology. 121 (2), 338-341 (2009).
- Eloy, R., Cornillac, A. Wound healing of burns in rats treated with a new amino acid copolymer membrane. Burns. 18 (5), 405-411 (1992).
- Upadhyay, N., et al. Safety and healing efficacy of Sea buckthorn (Hippophae rhamnoides L.) seed oil on burn wounds in rats. Food and Chemical Toxicology. 47 (6), 1146-1153 (2009).
- El-Kased, R. F., Amer, R. I., Attia, D., Elmazar, M. M. Honey-based hydrogel: In vitro and comparative In vivo evaluation for burn wound healing. Scientific Reports. 7 (1), 1-11 (2017).
- Fan, G. -. Y., et al. Severe burn injury in a swine model for clinical dressing assessment. Journal of Visualized Experiments. (141), e57942 (2018).
- Davenport, L., Dobson, G., Letson, H. A new model for standardising and treating thermal injury in the rat. MethodsX. 6, 2021-2027 (2019).
- Kaufman, T., Lusthaus, S., Sagher, U., Wexler, M. Deep partial skin thickness burns: a reproducible animal model to study burn wound healing. Burns. 16 (1), 13-16 (1990).
- Casal, D., et al. Blood supply to the integument of the abdomen of the rat: a surgical perspective. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 5 (9), (2017).
- Casal, D., et al. A model of free tissue transfer: the rat epigastric free flap. Journal of Visualized Experiments. (119), e55281 (2017).
- Naldaiz-Gastesi, N., Bahri, O. A., Lopez de Munain, A., McCullagh, K. J., Izeta, A. The panniculus carnosus muscle: an evolutionary enigma at the intersection of distinct research fields. Journal of Anatomy. 233 (3), 275-288 (2018).
- Weber, B., et al. Modeling trauma in rats: similarities to humans and potential pitfalls to consider. Journal of Translational Medicine. 17 (1), 1-19 (2019).
- Nguyen, J. Q. M., et al. Spatial frequency domain imaging of burn wounds in a preclinical model of graded burn severity. Journal of Biomedical Optics. 18 (6), 066010 (2013).
- Sobral, C., Gragnani, A., Morgan, J., Ferreira, L. Inhibition of proliferation of Pseudomonas aeruginosa by KGF in an experimental burn model using human cultured keratinocytes. Burns. 33 (5), 613-620 (2007).
- Olivera, F., Bevilacqua, L., Anaruma, C., Boldrini Sde, C., Liberti, E. Morphological changes in distant muscle fibers following thermal injury i n Wistar rats. Acta Cirurgica Brasileira. 25, 525-528 (2010).
- Davies, J. W. . Physiological Responses to Burning Injury. , (1982).
- Neely, C. J., et al. Flagellin treatment prevents increased susceptibility to systemic bacterial infection after injury by inhibiting anti-inflammatory IL-10+ IL-12-neutrophil polarization. PloS One. 9 (1), e85623 (2014).
- Dunn, J. L., et al. Direct detection of blood nitric oxide reveals a burn-dependent decrease of nitric oxide in response to Pseudomonas aeruginosa infection. Burns. 42 (7), 1522-1527 (2016).
- Gouma, E., et al. A simple procedure for estimation of total body surface area and determination of a new value of Meeh’s constant in rats. Laboratory Animals. 46 (1), 40-45 (2012).
- Dawson, N. The surface-area/body-weight relationship in mice. Australian Journal of Biological Sciences. 20 (3), 687-690 (1967).
- Moins-Teisserenc, H., et al. Severe altered immune status after burn injury is associated with bacterial infection and septic shock. Frontiers in Immunology. 12, 529 (2021).
- Robins, E. V. Immunosuppression of the burned patient. Critical Care Nursing Clinics. 1 (4), 767-774 (1989).
