Modello di ratto burn per studiare l'ustione termica cutanea a tutto spessore e l'infezione
Summary
Un modello che imiti lo scenario clinico delle ustioni e delle infezioni è necessario per promuovere la ricerca sulle ustioni. Il presente protocollo dimostra un modello semplice e riproducibile di infezione da ustione da ratto paragonabile a quello dell’uomo. Ciò facilita lo studio delle ustioni e delle infezioni successive all’ustione per lo sviluppo di nuovi trattamenti antibiotici topici.
Abstract
Le metodologie di induzione delle ustioni sono descritte in modo incoerente nei modelli di ratto. Un modello uniforme di ferita da ustione, che rappresenta lo scenario clinico, è necessario per eseguire ricerche di ustioni riproducibili. Il presente protocollo descrive un metodo semplice e riproducibile per creare ~ 20% di superficie corporea totale (TBSA) ustioni a tutto spessore nei ratti. Qui, una barra di rame di 22,89 cm2 (5,4 cm di diametro) riscaldata a 97 °C a bagnomaria è stata applicata sulla superficie della pelle di ratto per indurre la lesione da ustione. Una barra di rame con un’alta conduttività termica è stata in grado di dissipare il calore più in profondità nel tessuto cutaneo per creare un’ustione a tutto spessore. L’analisi istologica mostra epidermide attenuata con danno coagulativo all’estensione a tutto spessore del derma e del tessuto sottocutaneo. Inoltre, questo modello è rappresentativo delle situazioni cliniche osservate nei pazienti ustionati ospedalizzati a seguito di lesioni da ustione come la disregolazione immunitaria e le infezioni batteriche. Il modello può ricapitolare l’infezione batterica sistemica da entrambi i batteri Gram-positivi e Gram-negativi. In conclusione, questo articolo presenta un modello di ustione di ratto facile da imparare e robusto che imita le situazioni cliniche, tra cui la disregolazione immunitaria e le infezioni batteriche, che è di notevole utilità per lo sviluppo di nuovi farmaci antibiotici topici per ustioni e infezioni.
Introduction
Le ustioni sono tra le forme più devastanti di trauma, con tassi di mortalità che raggiungono il 12% anche nei centri specializzati per ustioni 1,2,3. Secondo rapporti pubblicati di recente, ~ 486.000 pazienti ustionati richiedono cure mediche ogni anno negli Stati Uniti, con quasi 3.500 morti 1,2,3,4,5,6. Le ustioni impongono una grande sfida per il sistema immunitario dei pazienti e creano una significativa ferita aperta, che è lenta a guarire, lasciandoli suscettibili alla colonizzazione cutanea, polmonare e sistemica con batteri nosocomiali e opportunisti. La disregolazione immunitaria combinata con l’infezione batterica è associata ad un aumento della morbilità e della mortalità nei pazienti ustionati7.
Un modello di ustione e infezione animale è essenziale per studiare la patogenesi delle infezioni batteriche a seguito di danni cutanei e soppressione immunitaria associata a traumi da ustione. Tali modelli consentono la progettazione e la valutazione di nuovi metodi per il trattamento delle infezioni batteriche nei pazienti ustionati. I ratti e gli esseri umani condividono caratteristiche fisiologiche e patologiche cutanee simili che sono state precedentemente documentate8. Inoltre, i ratti sono di dimensioni più piccole, rendendoli più facili da gestire, più economici e più facili da procurarsi e mantenere rispetto ai modelli animali più grandi.
Queste caratteristiche rendono i ratti un animale modello ideale per studiare ustioni e infezioni9. Sfortunatamente, la tecnica per l’induzione della bruciatura è incoerente e spesso descritta in minima parte 10,11,12,13,14. Il presente protocollo è progettato per sviluppare una procedura semplice, economica e riproducibile per creare una lesione da ustione a tutto spessore coerente in un modello di ratto che simula lo scenario clinico e può essere utilizzata per valutare la soppressione immunitaria e l’infezione batterica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sono stati presentati diversi modelli di ustioni per studiare la fisiopatologia delle ustioni 8,12,16,17. Nel presente studio, abbiamo impiegato un modello di ratto per sviluppare un protocollo semplice e riproducibile per indurre un’ustione a tutto spessore seguita da un’infezione batterica per simulare un trauma da ustione infetto nei pazienti. La scelta del ratto come modello animale per imi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano la Divisione di Medicina Comparata dell’Università della Carolina del Nord per la fornitura e la cura degli animali. Ringraziamo Lauren Ralph e Mia Evangelista del Pathology Services Core per l’assistenza tecnica esperta con istopatologia / patologia digitale, incluso il sezionamento dei tessuti e l’imaging. Questa ricerca è stata sostenuta da una borsa di ricerca del Dipartimento della Difesa (numero di premio W81XWH-20-1-0500, GR e 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).
