İnceltilmiş kafatası penceresi ve sıvı perküsyonu içeren tekrarlayan hafif travmatik beyin hasarının modifiye edilmiş fare modeli
Summary
Bu protokol, kapalı kafa travması (CHI) yöntemiyle indüklenen tekrarlayan hafif travmatik beyin hasarının (rmTBI) modifiye edilmiş bir fare modelini sunar. Yaklaşım, meninkslere maruz kalmanın yaygın olarak neden olduğu iltihabı azaltmak için inceltilmiş bir kafatası penceresi ve sıvı perküsyonunun yanı sıra kemirgenlerde rmTBI modellemesinde gelişmiş tekrarlanabilirlik ve doğruluk içerir.
Abstract
Hafif travmatik beyin hasarı klinik olarak oldukça heterojen bir nörolojik bozukluktur. Hafif TBH sonrası nöropatoloji mekanizmalarını incelemek ve terapötikleri test etmek için iyi tanımlanmış patolojilere sahip yüksek oranda tekrarlanabilir travmatik beyin hasarı (TBH) hayvan modellerine acilen ihtiyaç vardır. TBH’nin tüm sekellerini hayvan modellerinde çoğaltmanın zor olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle, TBH hastalarında görülen çeşitli yönleri ve ciddiyetleri hesaba katmak için TBH’nin birden fazla hayvan modelinin mevcudiyeti gereklidir. CHI, rmTBI’nin kemirgen modellerini üretmek için en yaygın yöntemlerden biridir. Bununla birlikte, bu yöntem, kullanılan darbe yöntemi, kafatası kemiğinin kalınlığı ve şekli, hayvan apnesi ve kullanılan kafa desteği ve immobilizasyon türü dahil olmak üzere birçok faktöre karşı hassastır. Bu protokolün amacı, CHI ile ilişkili rmTBI’nin kesin bir fare modelini üretmek için inceltilmiş kafatası penceresi ve sıvı perküsyon yaralanması (FPI) yöntemlerinin bir kombinasyonunu göstermektir. Bu protokolün birincil amacı, kafatası kemiği kalınlığı, şekli ve kafa desteği dahil olmak üzere CHI ve FPI modellemesinin doğruluğunu ve tutarlılığını etkileyebilecek faktörleri en aza indirmektir. İnceltilmiş bir kafatası penceresi yöntemi kullanılarak, kraniyotomi ve FPI’ye bağlı potansiyel iltihaplanma en aza indirilir ve hafif TBH’li hastalarda gözlenen klinik özellikleri kopyalayan gelişmiş bir fare modeli elde edilir. Hematoksilen ve eozin (HE) boyama kullanılarak yapılan davranış ve histolojik analizden elde edilen sonuçlar, rmTBI’nin beynin hem davranışında hem de brüt morfolojisinde değişiklikler üreten kümülatif bir yaralanmaya yol açabileceğini düşündürmektedir. Genel olarak, modifiye edilmiş CHI ile ilişkili rmTBI, araştırmacıların rmTBI’daki fokal ve diffüz patofizyolojik değişikliklere katkıda bulunan altta yatan mekanizmaları keşfetmeleri için yararlı bir araç sunar.
Introduction
Beyin sarsıntısı ve alt beyin sarsıntısı dahil olmak üzere hafif TBH, tüm TBH vakalarının çoğunluğunu oluşturur (tüm TBH’lerin %>80’i)1. Hafif TBH genellikle düşmelerden, trafik kazalarından, şiddet eylemlerinden, temas sporlarından (örneğin, futbol, boks, hokey) ve askeri mücadeleden kaynaklanır 2,3. Hafif TBH, hastanın yaşamı boyunca nörodavranışsal işlevleri etkileyen ve nörodejeneratif hastalık riskini artıran nörobiyolojik olaylara yol açabilir 4,5,6. Hayvan modelleri, hafif TBH’nin tanı ve tedavisini daha da geliştirme umuduyla hafif TBH’yi incelemek için verimli ve kontrollü bir yol sağlar. Hafif TBI için kontrollü kortikal etki (CCI), ağırlık düşüşü (WD), sıvı perküsyon yaralanması (FPI) ve blast-TBI modelleri 7,8 gibi çeşitli modeller geliştirilmiştir. Tek bir deneysel model, TBH’nin neden olduğu patolojinin tüm karmaşıklığını taklit edemez 9,10. Bu modellerin heterojenliği, hafif TBH hastaları ile ilişkili çeşitli özellikleri ele almak ve karşılık gelen hücresel ve moleküler mekanizmaları araştırmak için avantajlıdır. Bununla birlikte, TBH’nin her bir hayvan modelinin, hafif hayvan TBH’si ve bunların klinik önemi ile ilgili mevcut bilgilerimizi sınırlayan sınırlamaları3 vardır.
WD ve CCI modelleri, serebral doku kaybı, akut subdural hematom, aksonal yaralanma, beyin sarsıntısı, kan-beyin bariyeri disfonksiyonu ve hatta TBI 3,11,12’yi takiben koma gibi klinik durumları çoğaltmak için kullanılır. WD modeli, dura mater veya kafatasına serbestçe düşen ağırlıklarla vurarak beyin hasarına neden olmayı içerir. Ağırlıklı bir nesnenin sağlam bir kafatası üzerindeki etkisi, karışık odak/yaygın yaralanmaları çoğaltabilir; Bununla birlikte, bu yöntem, yaralanma bölgesinin zayıf doğruluğu ve tekrarlanabilirliği, geri tepme yaralanması ve kafatası kırıklarına bağlı daha yüksek mortalite oranı ile ilişkilidir 3,11,12. CCI modeli, açıkta kalan dura materini doğrudan etkilemek için hava tahrikli metal uygulanmasını içerir. WD modeliyle karşılaştırıldığında, CCI modeli daha doğru ve tekrarlanabilirdir, ancak çarpma ucunun11 küçük çapı nedeniyle yaygın yaralanmaya neden olmaz. FPI modellemesi sırasında, beyin dokusu perküsyon ile kısa bir süre yer değiştirir ve deforme olur. FPI, karışık fokal / diffüz yaralanmaya neden olabilir ve TBH’den sonra intrakraniyal kanama, beyin şişmesi ve ilerleyici gri madde hasarını çoğaltabilir. Bununla birlikte, FPI, beyin sapı hasarı ve uzamış apne nedeniyle yüksek bir mortalite oranına sahiptir 3,12. Konvansiyonel WD, CCI ve FPI modellerinde yer alan kraniyotomi, kortikal kontüzyon, hemorajik lezyonlar, kan-beyin bariyerinin hasarı, immün hücre infiltrasyonu, glial hücre aktivasyonu, uzamış modelleme süresi ve olası ölümcül sonuçlara yol açabilir 3,12.
Hafif TBH, 13 ila 152 aralığında bir GCS (Glasgow koma ölçeği, GCS) skoru ile karakterizedir. Hafif TBH fokal veya yaygın olabilir ve hücresel homeostazın bozulması, eksitotoksisite, glikoz tükenmesi, mitokondriyal disfonksiyon, kan akışı bozukluğu ve aksonal hasar gibi akut yaralanmaların yanı sıra aksonal hasar, nöroinflamasyon ve gliozis dahil olmak üzere subakut yaralanmalarla ilişkilidir 2,3. TBH’nin karmaşık patofizyolojisini tanımlamada önemli ilerlemeye rağmen, hafif TBH / rmTBH’nin altta yatan mekanizmaları belirsizliğini korumaktadır ve daha fazla araştırma gerektirmektedir9. CHI’nin en yaygın TBI12 türü olduğu göz önüne alındığında, bu protokol, inceltilmiş bir kafatası penceresinde13 etki gerçekleştirmek için modifiye edilmiş bir FPI cihazı kullanarak rmTBI’nin daha hassas bir şekilde kontrol edilen bir fare modeli oluşturmak için yeni bir yaklaşım sunar. Bu yaklaşım, kraniyotomi kaynaklı yaralanmalardan, değişken kafatası kalınlığından ve şekil kaynaklı yanlışlıklardan ve geri tepme yaralanmalarından kaçınarak, WD, CCI ve FPI modelleriyle ilişkili ana dezavantajların üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır. İnceltilmiş kafatası penceresine FPI etkisi uygulamak, rmTBI’yi takiben serebral damar hasarını değerlendirmek için uygundur ve bazı modellerde yüksek mortalite oranlarını en aza indirmeye yardımcı olur, bu da TBH hastalarının klinik özelliklerine daha yakın bir benzerlik sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
TBI, kapalı ve nüfuz eden olmak üzere iki ana tipe atıfta bulunur ve ikincisi kafatasının ve dura materin bozulması ile karakterize edilir. Klinik veriler, CHI’lerin penetran yaralanmalardan daha yaygın olduğunu göstermektedir 1,2. Tek bir hafif TBH’den sonra, çoğu hasta tipik olarak kısa bir süre içinde düzelen PKS semptomları yaşar ve PKS’si uzun süreli sekellere dönüşen hastaların oranı ile ilgili tartışmalar vardır…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Jinhua Belediyesi Temel Sosyal Kalkınma Vakfı (No. 2020-3-071), Zhejiang Koleji Öğrenci İnovasyon ve Girişimcilik Eğitim Programı (No: S202310345087, S202310345088) ve Zhejiang İl Koleji Öğrencileri Bilim ve Teknoloji İnovasyonu Etkinlik Planı Projesi (2023R404044) tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, makalenin dil düzenlemesi için Bayan Emma Ouyang’a (Johns Hopkins Üniversitesi, Fen Bilimleri Lisansı, Baltimore, ABD birinci sınıf öğrencisi) teşekkür eder.
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).
