Gemodificeerd muismodel van repetitief mild traumatisch hersenletsel met een verdund schedelvenster en vloeibare percussie
Summary
Dit protocol presenteert een gemodificeerd muismodel van repetitief mild traumatisch hersenletsel (rmTBI) geïnduceerd via een closed-head injury (CHI)-methode. De aanpak omvat een verdund schedelvenster en vloeibare percussie om de ontsteking die vaak wordt veroorzaakt door blootstelling aan hersenvliezen te verminderen, samen met verbeterde reproduceerbaarheid en nauwkeurigheid bij het modelleren van rmTBI bij knaagdieren.
Abstract
Licht traumatisch hersenletsel is een klinisch zeer heterogene neurologische aandoening. Er is dringend behoefte aan zeer reproduceerbare diermodellen voor traumatisch hersenletsel (TBI) met goed gedefinieerde pathologieën voor het bestuderen van de mechanismen van neuropathologie na milde TBI en het testen van therapieën. Het repliceren van de volledige gevolgen van TBI in diermodellen is een uitdaging gebleken. Daarom is de beschikbaarheid van meerdere diermodellen van TBI noodzakelijk om rekening te houden met de diverse aspecten en ernst die bij TBI-patiënten worden gezien. CHI is een van de meest voorkomende methoden voor het vervaardigen van knaagdiermodellen van rmTBI. Deze methode is echter vatbaar voor vele factoren, waaronder de gebruikte impactmethode, de dikte en vorm van het schedelbot, apneu bij dieren en het type hoofdondersteuning en immobilisatie dat wordt gebruikt. Het doel van dit protocol is om een combinatie van de methoden voor verdund schedelvenster en vloeistofpercussieletsel (FPI) te demonstreren om een nauwkeurig muismodel van CHI-geassocieerde rmTBI te produceren. Het primaire doel van dit protocol is het minimaliseren van factoren die van invloed kunnen zijn op de nauwkeurigheid en consistentie van CHI- en FPI-modellering, waaronder de dikte, vorm en hoofdondersteuning van schedelbotten. Door gebruik te maken van een methode met een verdund schedelvenster wordt mogelijke ontsteking als gevolg van craniotomie en FPI geminimaliseerd, wat resulteert in een verbeterd muismodel dat de klinische kenmerken repliceert die worden waargenomen bij patiënten met milde TBI. Resultaten van gedrags- en histologische analyse met behulp van hematoxyline en eosine (HE) kleuring suggereren dat rmTBI kan leiden tot een cumulatief letsel dat veranderingen veroorzaakt in zowel het gedrag als de grove morfologie van de hersenen. Over het algemeen biedt de gemodificeerde CHI-geassocieerde rmTBI een nuttig hulpmiddel voor onderzoekers om de onderliggende mechanismen te onderzoeken die bijdragen aan focale en diffuse pathofysiologische veranderingen in rmTBI.
Introduction
Milde TBI, inclusief hersenschudding en sub-hersenschudding, zijn goed voor de meerderheid van alle TBI-gevallen (>80% van alle TBI)1. Milde TBI is meestal het gevolg van vallen, verkeersongevallen, gewelddaden, contactsporten (bijv. voetbal, boksen, hockey) en militaire gevechten 2,3. Milde TBI kan leiden tot neurobiologische gebeurtenissen die de neurologische gedragsfuncties gedurende het hele leven van de patiënt beïnvloeden en het risico op neurodegeneratieve ziektenverhogen4,5,6. Diermodellen bieden een efficiënte en gecontroleerde manier om milde TBI te bestuderen, in de hoop de diagnose en behandeling van milde TBI verder te verbeteren. Er zijn verschillende modellen ontwikkeld voor milde TBI, zoals de gecontroleerde corticale impact (CCI), gewichtsval (WD), vloeistofpercussieletsel (FPI) en blast-TBI-modellen 7,8. Geen enkel experimenteel model kan de volledige complexiteit van TBI-geïnduceerde pathologienabootsen 9,10. De heterogeniteit van deze modellen is voordelig voor het aanpakken van de diverse kenmerken die verband houden met milde TBI-patiënten en het onderzoeken van de overeenkomstige cellulaire en moleculaire mechanismen. Elk diermodel van TBI heeft echter zijn beperkingen3, waardoor onze huidige kennis over milde TBI bij dieren en hun klinische relevantie wordt beperkt.
De WD- en CCI-modellen worden gebruikt om klinische aandoeningen na te bootsen, zoals verlies van hersenweefsel, acuut subduraal hematoom, axonaal letsel, hersenschudding, disfunctie van de bloed-hersenbarrière en zelfs coma na TBI 3,11,12. Het WD-model omvat het induceren van hersenbeschadiging door met vrij vallende gewichten op de dura mater of de schedel te slaan. De impact van een verzwaard object op een intacte schedel kan gemengde focale/diffuse verwondingen repliceren; Deze methode wordt echter geassocieerd met een slechte nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van de plaats van het letsel, rebound-letsel en een hoger sterftecijfer als gevolg van schedelfracturen 3,11,12. Het CCI-model omvat het toepassen van luchtaangedreven metaal om de blootgestelde dura mater rechtstreeks te raken. Vergeleken met het WD-model is het CCI-model nauwkeuriger en reproduceerbaarder, maar het veroorzaakt geen diffuus letsel vanwege de kleine diameter van de botsende punt11. Tijdens FPI-modellering wordt het hersenweefsel kortstondig verplaatst en vervormd door percussie. FPI kan gemengd focaal/diffuus letsel veroorzaken en intracraniële bloeding, zwelling van de hersenen en progressieve grijze stofschade na TBI repliceren. FPI heeft echter een hoog sterftecijfer als gevolg van hersenstambeschadiging en langdurige apneu 3,12. De craniotomie die betrokken is bij conventionele WD-, CCI- en FPI-modellen kan leiden tot corticale kneuzing, hemorragische laesies, schade aan de bloed-hersenbarrière, infiltratie van immuuncellen, activering van gliacellen, verlengde modelleringstijd en mogelijke fatale gevolgen 3,12.
Milde TBI wordt gekenmerkt door een GCS-score (Glasgow coma scale, GCS) binnen het bereik van 13 tot 152. Milde TBI kan zowel focaal als diffuus zijn en wordt geassocieerd met zowel acute verwondingen, zoals afbraak van cellulaire homeostase, excitotoxiciteit, glucosedepletie, mitochondriale disfunctie, verstoring van de bloedstroom en axonale schade, evenals subacute verwondingen, waaronder axonale schade, neuro-inflammatie en gliose 2,3. Ondanks aanzienlijke vooruitgang bij het afbakenen van de ingewikkelde pathofysiologie van TBI, blijven de onderliggende mechanismen van milde TBI/rmTBI ongrijpbaar en vereisen ze verder onderzoek9. Aangezien CHI het meest voorkomende type TBI12 is, presenteert dit protocol een nieuwe benadering voor het creëren van een nauwkeuriger gecontroleerd muismodel van rmTBI met behulp van een gemodificeerd FPI-apparaat om impact uit te voeren in een verdund schedelvenster13. Door craniotomie-geïnduceerde verwondingen, variabele schedeldikte en vorm-geïnduceerde onnauwkeurigheden, en rebound-letsel te vermijden, is deze aanpak bedoeld om de belangrijkste nadelen van de WD-, CCI- en FPI-modellen te overwinnen. Het toepassen van FPI-impact op het verdunde schedelvenster is handig voor het evalueren van cerebrale vaatschade na rmTBI en helpt hoge sterftecijfers in sommige modellen te minimaliseren, wat resulteert in een nauwere gelijkenis met de klinische kenmerken van TBI-patiënten.
Protocol
Representative Results
Discussion
TBI verwijst naar twee primaire typen, gesloten en penetrerend, waarbij de laatste wordt gekenmerkt door een verstoring van de schedel en dura mater. Klinische gegevens suggereren dat CHI’s vaker voorkomen dan penetrerende verwondingen 1,2. Na een enkele milde TBI ervaren de meeste patiënten PCS-symptomen die doorgaans in korte tijd verdwijnen, en er is controverse over het percentage patiënten bij wie PCS zich ontwikkelt tot langdurige gevolgen<sup class="xref…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Key Social Development Foundation van de gemeente Jinhua (nr. 2020-3-071), het Zhejiang College Student Innovation and Entrepreneurship Training Program (nr: S202310345087, S202310345088) en het Zhejiang Provincial College Students’ Science and Technology Innovation Activity Plan Project (2023R404044). De auteurs bedanken Miss Emma Ouyang (eerstejaars student aan de Johns Hopkins University, Bachelor of Science, Baltimore, USA) voor het redigeren van het artikel.
Materials
| 75% ethanol | Shandong XieKang Medical Technology Co., Ltd. | 220502 | |
| Buprenorphine hydrochloride | Tianjin Pharmaceutical Research Institute Pharmaceutical Co., Ltd | H12020272 | Solution, Analgesic |
| Carprofen | Shanghai Guchen Biotechnology Co., Ltd | 53716-49-7 | Powder, Analgesic |
| Chlorhexidine digluconate | Shanghai Macklin Biochemical Co.,Ltd. | 18472-51-0 | 19%-21% aqueous solution, Antimicrobial |
| Dental cement and solvent kit | Shanghai New Century Dental Materials Co., Ltd. | 20220405, 3# | Powder reconsituted in matching solvent |
| Dissecting microscope | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 77019 | |
| Erythromycin ointment | Wuhan Mayinglong Pharmaceutical Group Co.,Ltd. | 220412 | Antibiotic |
| Fiber Optic Cold Light Source | Shenzhen RWD Life Science Inc. | F-150C | |
| Flat-tipped micro-drill bit | Shenzhen RWD Life Science Inc. | HM31008 | 2 mm, steel |
| FPI device software | Jiaxing Bocom Biotech Inc. | Biocom Animal Brain Impactor V1.0 | |
| ICR mice | Jinhua Laboratory Animal Center | Stock#2023091 | 25 Male mice, 25-30g, 8 weeks old |
| Isoflurane | Shandong Ante Animal Husbandry Technology Co., Ltd. | 2023090501 | |
| Isothermal heating pad | Wenzhou Repshop Pet Products Co., Ltd. | ||
| Luer Loc hup | Custom made using a 19G needle hub | ||
| Micro hand-held skull drill | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 78001 | Max: 38,000rpm |
| Modified FPI device | Jiaxing Bocom Biotech Inc. | ||
| Morris water maze | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63031 | Evaluate mouse spatial learning and memory abilities |
| Open field | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63008 | Evaluate mouse locomoation and anxiety |
| Ophthalmic lubricant | Suzhou Tianlong Pharmaceutical Co., Ltd. | SC230724B | |
| Sodium diclofenac ointment | Wuhan Mayinglong Pharmaceutical Group Co.,Ltd. | 221207 | nonsteroidal anti-inflammatory drug |
| Small animal anesthesia system-Enhanced | Shenzhen RWD Life Science Inc. | R530IP | |
| Smart video-tracking system | Panlab Harvard Apparatus Inc., MA, USA | V3.0 | Animal tracking and analysis |
| Stereotactic frame | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 68043 | |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M, St Paul, MN, USA | 202402AX | Suture the animal wound |
| Y maze | Shenzhen RWD Life Science Inc. | 63005 | Evaluate mouse spatial working memory |
References
- Jiang, J. Y., et al. Traumatic brain injury in china. Lancet Neurol. 18 (3), 286-295 (2019).
- Naumenko, Y., Yuryshinetz, I., Zabenko, Y., Pivneva, T. Mild traumatic brain injury as a pathological process. Heliyon. 9 (7), e18342 (2023).
- Zhao, Q., Zhang, J., Li, H., Li, H., Xie, F. Models of traumatic brain injury-highlights and drawbacks. Front Neurol. 14, 1151660 (2023).
- Grant, D. A., et al. Repeat mild traumatic brain injury in adolescent rats increases subsequent β-amyloid pathogenesis. J Neurotrauma. 35 (1), 94-104 (2018).
- Clark, A. L., et al. Repetitive mtbi is associated with age-related reductions in cerebral blood flow but not cortical thickness. J Cereb Blood Flow Metab. 41 (2), 431-444 (2021).
- Mcallister, T., Mccrea, M. Long-term cognitive and neuropsychiatric consequences of repetitive concussion and head-impact exposure. J Athl Train. 52 (3), 309-317 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nat Rev Neurosci. 14 (2), 128-142 (2013).
- Pham, L., et al. proteomic alterations following repeated mild traumatic brain injury: Novel insights using a clinically relevant rat model. Neurobiol Dis. 148, 105151 (2021).
- Fehily, B., Fitzgerald, M. Repeated mild traumatic brain injury: Potential mechanisms of damage. Cell Transplant. 26 (7), 1131-1155 (2017).
- Ma, X., Aravind, A., Pfister, B. J., Chandra, N., Haorah, J. Animal models of traumatic brain injury and assessment of injury severity. Mol Neurobiol. 56 (8), 5332-5345 (2019).
- Freeman-Jones, E., Miller, W. H., Work, L. M., Fullerton, J. L. Polypathologies and animal models of traumatic brain injury. Brain Sci. 13 (12), 1709 (2023).
- Petersen, A., Soderstrom, M., Saha, B., Sharma, P. Animal models of traumatic brain injury: A review of pathophysiology to biomarkers and treatments. Exp Brain Res. 239 (10), 2939-2950 (2021).
- Ouyang, W., et al. Modified device for fluid percussion injury in rodents. J Neurosci Res. 96 (8), 1412-1429 (2018).
- Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nat Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).
- Liu, Y., Fan, Z., Wang, J., Dong, X., Ouyang, W. Modified mouse model of repeated mild traumatic brain injury through a thinned-skull window and fluid percussion. J Neurosci Res. 101 (10), 1633-1650 (2023).
- Bolton-Hall, A. N., Hubbard, W. B., Saatman, K. E. Experimental designs for repeated mild traumatic brain injury: Challenges and considerations. J Neurotrauma. 36 (8), 1203-1221 (2019).
- Aleem, M., Goswami, N., Kumar, M., Manda, K. Low-pressure fluid percussion minimally adds to the sham craniectomy-induced neurobehavioral changes: Implication for experimental traumatic brain injury model. Exp Neurol. 329, 113290 (2020).
- Katz, P. S., Molina, P. E. A lateral fluid percussion injury model for studying traumatic brain injury in rats. Methods Mol Biol. 1717, 27-36 (2018).
- Xiong, B., et al. Precise cerebral vascular atlas in stereotaxic coordinates of whole mouse brain. Front Neuroanat. 11, 128 (2017).
- Hoogenboom, W. S., et al. Evolving brain and behaviour changes in rats following repetitive subconcussive head impacts. Brain Commun. 5 (6), 316 (2023).
- Lipton, M. L., et al. Soccer heading is associated with white matter microstructural and cognitive abnormalities. Radiology. 268 (3), 850-857 (2013).
- Rubin, T. G., et al. Mri-defined white matter microstructural alteration associated with soccer heading is more extensive in women than men. Radiology. 289 (2), 478-486 (2018).
- Mcinnes, K., Friesen, C. L., Mackenzie, D. E., Westwood, D. A., Boe, S. G. Mild traumatic brain injury (mtbi) and chronic cognitive impairment: A scoping review. PLoS One. 12 (4), e0174847 (2017).
- Marschner, L., et al. Single mild traumatic brain injury results in transiently impaired spatial long-term memory and altered search strategies. Behav Brain Res. 365, 222-230 (2019).
- Hoogenboom, W. S., Branch, C. A., Lipton, M. L. Animal models of closed-skull, repetitive mild traumatic brain injury. Pharmacol Ther. 198, 109-122 (2019).
- Cunningham, J., Broglio, S. P., O’grady, M., Wilson, F. History of sport-related concussion and long-term clinical cognitive health outcomes in retired athletes: A systematic review. J Athl Train. 55 (2), 132-158 (2020).
- Fidan, E., et al. Repetitive mild traumatic brain injury in the developing brain: Effects on long-term functional outcome and neuropathology. J Neurotrauma. 33 (7), 641-651 (2016).
- Nguyen, T., et al. Repeated closed-head mild traumatic brain injury-induced inflammation is associated with nociceptive sensitization. J Neuroinflammation. 20 (1), 196 (2023).
- Ren, H., et al. Enriched endogenous omega-3 fatty acids in mice ameliorate parenchymal cell death after traumatic brain injury. Mol Neurobiol. 54 (5), 3317-3326 (2017).
- Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. J Bone Miner Res. 31 (2), 299-307 (2016).
