JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

מידול חשיפה חוזרת ונשנית מאוד לפיצוץ ברמה נמוכה בעכברים

Published: May 24, 2024
doi:
10.3791/66592
, , , , , , ,
1United States Army Special Operations Command, 2CU Anschutz Center for COMBAT Research, Department of Emergency Medicine,University of Colorado School of Medicine, 3University of Washington School of Nursing, 4University of Delaware School of Nursing, 5Veterans Affairs Northwest Mental Illness Research, Education, and Clinical Center (MIRECC),VA Puget Sound Health Care System, 6Department of Psychiatry and Behavioral Sciences,University of Washington School of Medicine

Summary

מוצגות כאן שיטות ליצירת חשיפות חוזרות ונשנות לפיצוץ בעוצמה נמוכה באמצעות עכברים.

Abstract

חשיפה לפיצוצים היא גורם סיכון משמעותי לטראומה מוחית בקרב אנשים שנחשפו. למרות שההשפעות של פיצוצים גדולים על המוח מובנות היטב, ההשפעות של פיצוצים קטנים יותר כמו אלה המתרחשים במהלך אימונים צבאיים מובנות פחות. חשיפה קטנה ונמוכה זו לפיצוץ משתנה גם היא מאוד בהתאם לכיבוש הצבאי ולקצב האימונים, כאשר חלק מהיחידות חוות מעט חשיפות במהלך מספר שנים ואילו אחרות חוות מאות בתוך שבועות ספורים. מודלים של בעלי חיים הם כלי חשוב בזיהוי מנגנוני הפציעה והסיכונים הבריאותיים הקליניים ארוכי הטווח בעקבות חשיפה נמוכה לפיצוץ. מודלים המסוגלים לשחזר מגוון רחב זה של חשיפות נחוצים כדי ליידע את תוצאות הפציעה החריפה והכרונית בפרופילי סיכון שונים אלה.

למרות שתוצאות לאחר מספר חשיפות לפיצוץ ברמה נמוכה ניתנות למודל קל למחקר מכניסטי, חשיפות כרוניות המתרחשות לאורך קריירה עשויות להיות מודלות טוב יותר על ידי פרדיגמות של פציעות פיצוץ עם חשיפות חוזרות ונשנות המתרחשות לעתים קרובות במשך שבועות וחודשים. מוצגות כאן שיטות למידול חשיפה חוזרת ונשנית מאוד לפיצוץ ברמה נמוכה בעכברים. ההליכים מבוססים על מודלים מבוססים ונפוצים של צינור הלם פנאומטי של חשיפה לפיצוץ בשדה פתוח שניתן לשנות את קנה המידה שלהם כדי להתאים את פרמטרי לחץ היתר ואת מספר או מרווח החשיפות. לאחר מכן ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לאפשר חקירות מכניסטיות או לשחזר את חשיפות הפיצוץ השגרתיות של קבוצות קליניות הנחקרות.

Introduction

חשיפה לפיצוץ ברמה נמוכה (LLB) מתרחשת כאשר אנשים או מבנים חווים עוצמה נמוכה יחסית של כוח נפץ, הנובעת בדרך כלל מתאונות תעשייתיות קטנות, הריסות מבוקרות או פעילויות אימונים צבאיות מסוימות. לעומת זאת, חשיפה לפיצוץ ברמה גבוהה (HLB) כרוכה בחשיפה לעוצמה אינטנסיבית ובעלת פוטנציאל הרסני של כוח נפץ, הנפוצים בלחימה צבאית, התקפות טרור או פיצוצים מקריים בקנה מידה גדול. ההבדל העיקרי בין LLB לבין HLB נעוץ אפוא בעוצמת האירועים הנפיצים, ובהרחבה, ביכולתם של אנשים שנחשפו לסבול חשיפות חוזרות ונשנות לפני שהם חווים פגיעה פיזית או תפקודית. בהקשר זה, ההשפעות של חשיפה ל- HLB נוטות להיות ברורות יותר מאשר ההשפעות של חשיפה ל- LLB. בגלל זה, אנשים עם חשיפה משמעותית LLB עשויים להיות בסיכון מוגבר לפתח לאט פציעות או ליקויים שאינם מזוהים עד ההשפעות המצטברות שלהם להיות מובחן.

המחקר המתמשך נועד לשפר את הבנתנו כיצד התכונות של חשיפה לפיצוץ, כגון עוצמה או חזרה, עלולות לגרום לפציעה, כך שנוכל להנחות טוב יותר מניעה וניהול רפואי. ברפואה הצבאית, הבנת ההשלכות הקליניות של חשיפה להדף היא בעלת חשיבות עליונה, וכתוצאה מכך יש צורך במודלים של בעלי חיים המסוגלים ליידע תוצאות אלה. למרות שמודלים של בעלי חיים סייעו להבהיר את ההשפעות של HLB, ההשפעות של חשיפות LLB עדיין נחקרו במידה רבה. מחקרי מודלים רבים בוחנים את ההשפעות של לחץ יתר של הדף קרוב או מעל 10 פאונד לאינץ ‘מרובע (psi) לחץ שיא 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18, אך דיווחים מעטים מתמקדים ברמות לחץ הנעות בין 1 ל 7 psi 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, 32,33,34,35,36, הנפוצים יותר בסביבות אימונים צבאיות 37,38,39,40 ומתקרבים לסף ההיסטורי של 4 psi לחשיפה סביבתית בטוחה. לפיכך, הפצה רחבה יותר של שיטות לחקר לחצי שיא בשימוש תכוף של LLB עשויה לעזור לזרז תובנות קליניות מהירות ליישום ברפואה צבאית ואופטימיזציה של כוח.

קשר מובהק בין הסיכון התעסוקתי של LLB לבין אבחנות קליניות מגוונות עולה מחקירות אפידמיולוגיות של LLBצבאי 41,42,43,44. מחקרים אלה תומכים במערכת יחסים תלוית מינון שאינה מוגדרת היטב, כאשר חשיפות חוזרות ונשנות ל- LLB הדגימו סיכונים מוגברים41. הדבר מצביע על כך שהגדלת החשיפה המצטברת להדף ממלאת תפקיד מכריע בעיצוב התוצאות הקליניות בסביבות צבאיות.

מחקרי מודלים קודמים של בעלי חיים של LLB מתחת ל -10 psi השתמשו בעיקר בחומרי נפץ או במערכות צינורות הלם כדי לחקור את ההשפעות של חשיפה. למרות שמודלים אלה בוחנים בדרך כלל את ההשפעות של חשיפה אחת עד שלוש, הם בכל זאת תרמו להבנה הולכת וגוברת של ההשלכות המכניסטיות 19,20,30,31, נוירופתולוגיות 29,31,33 והשלכות התנהגותיות19,20,23,25,32,34הקשורים לחשיפות פיצוץ בעצימות נמוכה האופייניות לסביבת האימונים הצבאית.,

מחקרים שבחנו משפטים בודדים שנוצרו על ידי חומרי נפץ בשדה פתוח דיווחו על עדויות לפתולוגיות מוחיות עדינות ולשינויים התנהגותיים הקשורים לעתים קרובות ללחץ פוסט-טראומטי. וודס ועמיתיובני ה-24 לא הצליחו לזהות פגיעה מוחית מיקרוסקופית ב-2.5-5.5 psi, אך הם כן זיהו שינויים כמותיים בגליקוספינגוליפידים של רקמת המוח באמצעות ספקטרומטריית מסות. באמצעות אותם לחצי שיא ועיצוב ניסויי, רובוביץ’ ועמיתיו25 הבחינו בשינויים התנהגותיים בעקבות פיצוצים שהתרחשו עם חוסר פתולוגיה מוחית דומה כאשר נמדדו במיקרוסקופ אור. עם זאת, במחקר פתולוגי שלאחר מכן, נזק אולטרה-מבני חד משמעי למיאלין המוח, מיטוכונדריה, נוירונים וכלי דם עצביים זוהה במיקרוסקופ אלקטרונים 29,30,31,32,33 בעכברים שנחשפו ל- 6.7 psi LLB. באופן מעניין, מספר מחקרי LLB המשתמשים בחומרי נפץ בשדה פתוח עם לחצים של ~10 psi ופחות מדווחים על תמותה של כ -3-8% לאחר חשיפה אחת25,36.

תוצאות דומות נצפו בעבר במספר מחקרים המשתמשים בצינורות הלם במעבדה. במחקרים שבדקו LLBs בודדים המיוצרים על ידי צינורות הלם, נמצאו עדויות לפגיעה בשלד הציטו-שלד העצבי ולשינויים בדפוסי הירי העצבי שהתפתחו לאחר חשיפה לפיצוץ יחיד של 1.7 psi22. ב 4 psi, תפקוד לקוי של כפיס המוח דווח כמלווה ליקויים נוירו-התנהגותיים בחולדות שנחשפו ל- LLB23. בהשוואה למשך הפיצוץ שנמדד באוויר, צ’בקו ועמיתיו27 מצאו כי משך הפאזה החיובי של לחץ היתר של הפיצוץ היה ארוך יותר באופן משמעותי במוחות של חולדות שנחשפו ל-5.8 psi. חתימות ביולוגיות של תגובות פציעה דומות עשויות להיתמך על ידי מחקר בעכברים לאחר חשיפה ל-7.5 psi, שבו אחמד ועמיתיו35 מדווחים על שינויים ניתנים לזיהוי ברמות הסרום של חלבונים ספציפיים לפגיעה דלקתית, מטבולית, וסקולרית ועצבית עד חודש לאחר החשיפה. מעניין לציין כי מחקר זה דיווח גם על תמותה של 4.5% לאחר 24 שעות לאחר החשיפה.

במחקרים שבדקו שלושה LLBs של צינור הלם במהלך מפגש חשיפה אחד של 20 דקות, LLBs בין 1.4 ל -8.7 psi גרמו לעליות תלויות PSI בלחץ תוך גולגולתי (ICP) בחולדות, כאשר שינויים נצפים ב- ICP לקחו זמן רב יותר עבור psi20 נמוך יותר וכתוצאה מכך שינויים קוגניטיביים 19,20. באמצעות חזירים, אותה קבוצה קבעה כי שלוש חשיפות של 4 psi LLB ממגוון ציוד צבאי מספיקות כדי לגרום לנוירופתולוגיה היסטולוגית כאשר החיות הוצבו בעמדות תותחן המדמות שימוש אנושי בציוד21.

מחקרים אלה ממחישים באופן קולקטיבי את ההשפעות המגוונות של חשיפה ל- LLB שעלולות להתרחש בתנאים של חשיפה מוגבלת ותקופות החלמה. נראה כי חשיפה חוזרת ונשנית ל- LLB גורמת לליקויים קוגניטיביים והתנהגותיים מתמשכים, תוך הדגשת הצורך בהבנה דקדקנית של ההשפעות המצטברות, כך שנוכל לקבוע טוב יותר מתי השפעות אלה עשויות להיות משמעותיות מבחינה קלינית; זה רלוונטי במיוחד עבור חניכים צבאיים אשר נחשפים לרמות גבוהות של LLB חוזר. לשם כך נדרשים מחקרים חדשים מכיוון שהספרות הנוכחית אינה מדגימה כראוי את ההתנסויות הקליניות של חשיפות שגרתיות לאימונים צבאיים העולות על פיצוץ אחד עד כמה פיצוצים במהלך כמה ימים.

כוחות המבצעים המיוחדים (SOF) עשויים לסבול LLB משמעותי וחוזר מאוד במהלך חשיפות שגרתיות. מחקר שנערך לאחרונה מעריך כי החשיפה הייצוגית האנונימית בכל העמדות בצוות פורץ כניסה נפיץ הייתה גבוהה עד 184 psi שיא מצטבר במהלך שבוע אימונים אחד42. נתון זה מבוסס, בחלקו, על הערכה שמרנית של 6 מטעני הפרה המשמשים ביום, עם ממוצע של 4 psi לחץ שיא כל אחד, כפי שנמדד על ידי מדי פיצוץ המותקנים על כוח אדם; זה לא חשבון flashbangs ומכשירים אחרים45. מחזור אימונים שגרתי עשוי להימשך מספר שבועות. כדי להקל על המחקר של חוויות LLB קליניות, כגון אלה של הכשרת חברי SOF, אנו מציגים מודל מעבדה shocktube של חשיפה חוזרת מאוד LLB. השיטה, המבוססת על מערכות שפופרות הלם פנאומטיות מבוססות 46,47,48, מאפשרת חקירות בעלות יכולת שחזור גבוהה של לחצים של 2 psi ומעלה. ההליך אינו תלוי בגורמים חיצוניים כגון מזג אוויר, אינו גורם לתמותה נצפית, והוא מבוסס מעבדה. כתוצאה מכך, השיטה מאפשרת חשיפה יומיומית מתמשכת וחוזרת למשפטים באותם מקצועות ללימודים הנמשכים שבועות עד חודשים, מה שמקל על חקירה בנאמנות גבוהה של אימונים צבאיים.

Protocol

כל ההליכים בוצעו תחת פרוטוקול #1588223, שאושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של מערכת הבריאות Puget Sound ובהתאם למדריך המכונים הלאומיים לבריאות לטיפול ושימוש בחיות מעבדה. 1. טיפול בבעלי חיים הערה: מודלים של בעלי חיים של LLB מוגבלים אך ורק על ידי זמינותם והיכולת של צינור ההלם להתאים לגודלם. צינור ההלם המתואר כאן תוכנן במיוחד לשימוש עם עכברים. יש להשתמש בעכברי C57BL/6J בני 3-4 חודשים או בזנים/קווים מאושרים אחרים של עכברים בהתאם לצרכי הניסוי. שמרו על העכברים במחזור אור כהה של 12 שעות במתקנים ספציפיים נטולי פתוגנים עם גישה למזון ומים. עכברים בדרך כלל שוכנים חברתית עם 4 או 5 בכלוב. שמור על טמפרטורות המתקן ב 20-22 מעלות צלזיוס. הביאו כלובים המכילים עכברי פיצוץ ודמה לאזור כליאה סמוך. הביאו כלובים ריקים נפרדים להעברת עכברים בודדים אל חדר הפיצוץ וממנו. 2. הכנת צינור הלם (בדיקת בטיחות) ודא כי בדיקות הבטיחות הדרושות הושלמו עבור המערכת הספציפית. ודא שאספקת הגז (הליום) והחשמל הראשי כבויים/מנותקים. הכינו ממברנות לפי הצורך למספר הספציפי של פיצוצים בעוצמה נמוכה (איור 1.1). חתוך את מידות הממברנה כנדרש עבור צינור ההלם הספציפי המשמש בפרוטוקול זה:חתכו יריעה אחת של ניילון נצמד לריבוע בגודל 5.5 אינץ’ x 5.5 אינץ’ כדי לאטום את הסליל ולאפשר לו לחץ. גזור גיליון אחד של נייר מכונת צילום סטנדרטי בגודל 8.5 אינץ’ x 11 אינץ’ (75 ג’/מ’2 משקל) ל-5.5 אינץ’ x 11 אינץ’; קפלו את גיליון הנייר שהתקבל לשניים ליצירת ריבוע בגודל 5.5 אינץ’ x 5.5 אינץ’. קבל גיליון אחד של 500 G קרום מיילר (125 מיקרומטר עובי).הערה: יריעות אלה אינן נקרעות או מעוותות באופן משמעותי על ידי פיצוץ סטנדרטי בעוצמה נמוכה וניתן לעשות בהן שימוש חוזר למשך ההליך של יום. קחו ריבוע של ניילון נצמד וריבוע נייר מקופל והניחו אותם על משטח ישר (איור 1.2). הניחו את הנייר המקופל על גבי העטיפה הנצמדת ויישרו את השניים זה עם זה בצורה הטובה ביותר האפשרית (איור 1.3). כדי לזרז פיצוצים חוזרים, סדרו את כל ערימות הממברנות כעת. הכנס את הקרום המיילרי בין הנהג לסליל על ידי גלגולו לתוך צינור קטן (בערך בגודל של האצבע המורה; איור 1.4,1.5). הכניסו אותו לחלוטין לתוך המנגנון, ושחררו אותו כדי לאפשר לו להתגלגל כנגד אטם הגומי המפריד בין חלק הנהג לבין הסליל. לדחוף את הסליל לכיוון הנהג כדי לאבטח את יריעת המיילר במקומה; פעולה זו תשחרר את הסליל מהחלק המונע של צינור ההלם. הניחו את האצבעות מתחת לחצי העליון של עטיפת ההיצמדות וגלגלו בזהירות גם את הנצמד וגם את הנייר אליכם, כדי לוודא שהן מתגלגלות יחד מבלי שלא ייושרו כהלכה (איור 1.6). הכניסו את ערימת הממברנה בין הסליל לבין המקטעים המניעים של צינור ההלם (איור 1.7). אפשרו לערימת הממברנה להתגלגל כך שאטם הפלסטיק פונה לכיוון הסליל והנייר פונה לכיוון החלק המונע של הצינור (איור 1.8).הערה: כיוון זה ייצור אטם אטום כך שניתן יהיה להפעיל לחץ על המערכת. סגור את מכלול הסליל (איור 1.9,1.10). בהתאם לצורך, הדקו את הברגים ביד או באופן הידראולי, ואבטחו את מכלול צינור הזעזועים של הנהג כך שניתן יהיה להפעיל לחץ על המערכת. (בדיקת בטיחות; איור 1.10)הערה: עבור מערכות הידראוליות, ודא כי לחץ המטרה של מכלול הסגירה הושג כדי למנוע שריפות שגויות, אשר יכול לדרוש החלפת ממברנה ולהאט את תהליך החשיפה LLB. אנו משתמשים בהידראולי כדי לסגור את ההרכבה שלנו ב- 500 psi. 3. הכנת בעלי חיים הפעילו את כרית חימום המים מתחת לתא ההרדמה, כאשר הטמפרטורה מוגדרת ל-37°C (איור 1.11). הניחו פד רפואי סופג על גבי כרית החום. בחדר ההחזקה, הוציאו עכבר אחד מהכלוב הביתי שלו והכניסו אותו לכלוב העברה ריק. הביאו את העכבר הכלוא לחדר הפיצוץ. סובבו את קצב זרימת החמצן ל-1.0 ליטר/דקה (lpm) והפעילו את מערכת ניקוי הוואקום (איור 1.12). הפעילו את האיזופלורן ל-5% (כדי לגרום לאיבוד הכרה מהיר) ונתבו את הזרימה לתא הרדמת המכרסם (איור 1.13). הניחו את העכבר בתא כדי לגרום להרדמה (איור 1.14). לאחר שהעכבר מורדם לחלוטין ומפגין נשימה יציבה למשך 30 שניות נוספות, הושיט יד לתוך התא ואגרוף באוזן לזיהוי חד משמעי לטווח ארוך של העכבר לאורך שארית המחקר. ביצוע שלב זה כעת הוא הכרחי כדי למנוע הפרעה לזמני ההתאוששות לאחר הפיצוץ. לאחר מכן, יש למרוח חומר סיכה סטרילי על שתי העיניים כדי למנוע התייבשות הקרנית. הוציאו את העכבר מהחדר והכניסו את אפו לתוך חרוט האף (איור 1.15). העבר את זרימת ההרדמה (למשל, איזופלורן) מתא האינדוקציה אל חרוט האף. השתמשו בחתיכות קטנות של סרט מעבדה כדי לרסן קלות את גפי העכבר כנגד האלונקה (איור 1.16). לאחר ריסון העכבר, הניחו עניבת פיתול תיל סביב כל איבר וסובבו בחוזקה, תוך הצמדת העכבר לאלונקה בפרקי כף היד ובקרסוליים (איור 1.17). הניחו עניבת פיתול גדולה יותר סביב החזה, קשרו אותה בצורה רופפת מאוד כך שנשימתו של העכבר לא תהיה מוגבלת. זה ישמש כמנגנון ריסון משני למקרה שאחד ממעצורי הגפיים ישתחרר. הרימו את זנב העכבר והניחו אותו מתחת לרגל שמאל כדי להבטיח שהוא לא ייצבט כאשר האלונקה מוחדרת לצינור ההלם (איור 1.18). 4. הליך LLB פתחו את אזור החשיפה לבעלי חיים של צינור ההלם וכוונו את העכבר כך שיפנה לגל ההדף המתקרב (איור 1.19). הדקו / השעו את האלונקה באזור החשיפה לבעלי חיים (איור 1.20). סגרו את הדלת בחוזקה עבור אזור החשיפה לבעלי חיים, וודאו שצינור זרימת ההרדמה אינו נצבט על ידי הדלת (איור 1.21). להפחית את ההרדמה ל 2.5-3% isoflurane, 1 lpm למשך שארית הפגישה. הפעל את המערכת בהתאם לצורך (איור 1.22). אתר וחבר את קו האספקה של גז ההליום הדחוס (איור 1.23,1.24). צא מחדר הפיצוץ כדי לגשת למסוף בקרת צינור הפיצוץ בחדר סמוך, וודא שלא נותרו אנשי צוות או בעלי חיים בחדר הפיצוץ.הערה: הגנה על שמיעה עשויה להידרש על-ידי המוסד או על-ידי תנאים תפעוליים. תנאים כאלה עשויים לכלול סידורי צינור הלם שבהם מסוף הבקרה ממוקם באותו שטח פתוח כמו צינור ההלם. מהקונסולה, הפעל את תוכנת הרכישה כדי להקליט את אירוע הפיצוץ (ראה את התיבה הירוקה באיור 1.25).הערה: עבור הליכים אלה, אנו אוספים נתוני חיישנים בקצב דגימה של 20 קילו הרץ (kHz), אשר מעובד לאחר מכן באמצעות תוכנת LabView. אנו ממליצים לרכוש דגימת חיישנים במהירות של ≥10 קילוהרץ כדי להשיג זמן באיכות גבוהה לעומת עקומות לחץ. נתק כל מנעול בטיחות (לדוגמה, מפתחות בקרת הפעלה, המתוארים על-ידי חץ ירוק באיור 1.26). סגור את שני פתחי הגז ולחץ באופן פסיבי על הסליל (איור 1.27). אל תשתמש בצד הנהג. ממשיכים למלא עד שהקרום נקרע מעצמו בשיא היעד psi כפי שנקבע על ידי מספר יריעות הממברנה בשימוש. רשום את לחץ השיא, משך השלב החיובי והדחף במיקום החיה. (איור 1.28). כבה את מנגנון המילוי. חזור לצינור ההלם, נתק את קו הזנת ההליום וכבה את ספק הכוח למעגל בקרת ההדף (איור 1.29). כדי לבצע חשיפות LLB חוזרות ונשנות על אותה חיה, פתחו את הסליל, הסירו את ערימת קרום הסליל ולאחר מכן גלגלו והכניסו ערימת קרום סליל נוספת (איור 1.30, 1.31, 1.32). שטח את ערימת הממברנה וסגור מחדש את המכלול.הערה: כדי למדל את החוויה הקלינית של חשיפות פיצוץ ברמה נמוכה במהלך אימון SOF מוגדר אמפירית, אנו חושפים עכברים ל- 5-6 LLB ליום, ומגבילים את החשיפות היומיות ל- PSI45 מצטבר שמרני ~ 20. מחקרים המדגישים יחסים מכניסטיים ומינון-תגובה עשויים לחלופין לבחור להשתמש במספר עקבי של חשיפות LLB עם פרמטרים מוגדרים של לחץ יתר בכל פגישה. לאחר ה-LLB הסופי עבור החיה הנוכחית, הוציאו אותה מצינור ההלם, והשאירו את חומר ההרדמה דולק (איור 1.33). להתיר את החיה בזמן שהיא תחת הרדמה. הוציאו אותו מחרוט ההרדמה, והניחו אותו על גבו על כרית המים המחוממת (איור 1.34). לאחר שהחיה הונחה על משטח המים, הפעילו טיימר ותיעדו את משך הזמן עד שהעכבר מתהפך על הצד הגחוני שלו (כלומר, על הבטן שלו) בכוחות עצמו (איור 1.35). רשום את הזמן הזה כזמן הנכון. לאחר שהעכבר מתאושש, יש להחזיר אותו לכלוב הביתי ולהמשיך במעקב לפי הצורך. 5. הליכים רב-יומיים כדי למדל חשיפות שגרתיות של LLB ממטעני הפרה המשמשים במהלך אימוני SOF Close Quarter Battle, בצע חשיפות יומיות חוזרות ונשנות על העכברים 5 ימים בשבוע (שני עד שישי) במשך סך של 15 ימים על פני 3 שבועות עבודה סטנדרטיים. 6. שינוי לחצי שיא LLB הגדל את לחץ השיא באמצעות שימוש בחומרי ממברנה חזקים יותר או פשוט על ידי הערמת ממברנות נוספות. לדוגמה, השתמש בממברנה Mylar Roll Clear 0.005 (500 G) כדי לייצר לחץ שיא ~ 20 psi (כאשר משתמשים בו הן כדרייבר והן כממברנות סליל) או בקרום Mylar Roll Clear 0.002 (200 G) כדי לייצר לחץ שיא ~ 10 psi. התאם את הפרמטרים למשך השלב החיובי ולדחף של הפיצוץ כדי לענות על צרכי הניסוי. כדי להתאים את משכי הפאזה והדחפים החיוביים, קבע אמפירית את תנאי היעד על ידי החלפת מקורות גז דחוס47,49 או שינוי אורך הנהג במידת האפשר. הפרוטוקול הנ”ל משתמש בהליום כדי ליצור לחץ שיא חד וצורת גל בדומה לעקומת פרידלנדר אידיאלית. 7. איסוף רקמות הערה: ניתן להתאים את שיטות איסוף הרקמות בהתאם לצרכי הניסוי. מרדימים את העכבר באמצעות הזרקה intraperitoneal עם 210 מ”ג / ק”ג של pentobarbital. הכנס את העכבר לכלוב עכבר או חולדה עם סורגים או רשת מוכנה מראש; הכניסו את העכבר הכלוא למכסה אדים. ברגע שהעכבר אינו מגיב, הניחו אותו על גבו על הסורגים שעל גבי הכלוב וסגרו את פיו סביב אחד הסורגים כדי לעזור לו להישאר במקומו במהלך הזילוח. תפוס את עור הבטן, משוך אותו כלפי מעלה, והשתמש בזוג מספריים גדולים כדי לחתוך חור בחלל הבטן, נזהר לא לחתוך אף אחד מהאיברים. ממשיכים לחתוך עמוק יותר לאורך בסיס הצלעות כדי לאפשר ביטוי חופשי יותר של כלוב הצלעות. באמצעות המוסטט, התקרבו לעכבר מהצד ותופסו את הרקמה ישירות על גבי כלוב הצלעות, גלגלו את ההמוסטאט לאחור כדי לשמור על בסיס כלוב הצלעות בזווית נגישה. השתמש בזוג מלקחיים או בכלי דומה כדי להחזיק את המוסטאט במקומו. בעזרת זוג מספריים כירורגיים קטנים, חותכים בזהירות את הסרעפת כדי לאפשר גישה ללב. השתמש בזוג מלקחיים כדי לסובב בעדינות את הלב כך שהתחתית פונה ישירות אל מחוץ לבסיס הפתוח של כלוב הצלעות. עבוד במהירות כך שהלב עדיין יפעם במהלך הזילוח. אם אתם אוספים דם, החזיקו את הלב עם זוג מלקחיים וניקבו בזהירות את החדר הימני באמצעות מזרק 3 מ”ל עם מחט “5 “25 גרם. הכנס מתחתית החדר ונכנס לאורך, נזהר לא לחדור את הצד הנגדי של החדר. למשוך בעדינות על המזרק עד 0.5-1.0 מ”ל של דם נאסף או זרימה מפסיק, ולאחר מכן להסיר את המזרק. השתמש בזוג מספריים כירורגיים כדי לחתוך חתך קטן באטריום הימני כדי לאפשר לדם ולבלבל להתנקז. החזיקו את הלב עם זוג מלקחיים, והכניסו בזהירות מחט פרפר 25 גרם לחדר השמאלי, החדרה מלמטה. החזק את מחט הפרפר במקומה עם מהדק מחזיק או ביד. לבלבל את החיה.חבר מזרק המכיל 50 מ”ל של מלח חוצץ פוספט (PBS) למחט פרפר ולנקב בקצב של כ -10 מ”ל לדקה. חפשו הלבנה של הכבד כסימן לזילוח תקין. לאחר ריקון המזרק, נתקו אותו ממחט הפרפר. להכנת רקמות למיקרוסקופיה, החלף את מזרק PBS הריק במזרק המכיל 50 מ”ל של 10% פורמלין חוצץ נייטרלי (NBF) או 4% תמיסת פורמלדהיד. חזור על השלבים לעיל כדי לנקב עם פורמלין.הערה: יש לראות את העכבר המחורר מתעוות במהלך זילוח; זה אמור לגרום לקשיחות או קשיחות של כל הגוף לאחר השלמת ההליך. הסר את מחט הפרפר מהלב והסר את העכבר מסורגי הכלוב לאיסוף רקמות. להסיר ולנתח את איברי היעד על פי הצורך; יש להקפיד לבצע הליכים על קרח כאשר נאספים חומרים טריים ולא קבועים. יש להקפיא רקמות לא מקובעות שנאספו בחנקן נוזלי ולאחסן אותן בטמפרטורה של -80°C עד לשימוש בפרוטוקולים לבדיקת מטרות חלבון או RNA. עבור רקמות קבועות, להסיר לצינור חרוטי מסומן 50 מ”ל מלא פורמלין (צינור אחד לכל איבר).

Representative Results

בעוד שחקירת תוצאות ניסוי בעכברים בעקבות חשיפות לכוחות פיצוץ נפיצים, רישום ואפיון האירוע באמצעות ניתוח לחץ לעומת זמן הוא חיוני להערכת הצלחת הניסוי. שיטה זו, הכוללת מדידת השינויים הדינמיים בלחץ במהלך הפיצוץ, מסייעת לחוקרים להבין את ההשפעות של פיצוצים על מערכות ביולוגיות. בניסויים מוצלחים, הקלטות לחץ מציגות דפוס גל מוגדר ומבוקר היטב. עליית הלחץ חדה, ומגיעה לערכי שיא בזמנים הצפויים (איור 2). ירידת הלחץ שבאה לאחר מכן באה בעקבות עקומה צפויה, המודגמת על ידי צורת הגל פרידלנדר, המצביעה על פיזור יעיל של אנרגיה. במונחים של הערכת פציעה, אין סימנים גלויים של פציעה בניסויי LLB, אפילו כאשר מבצעים חשיפה חוזרת מאוד ל-LLB עם עד שישה פיצוצים המתרחשים תוך 15-20 דקות (איור 3). אולם ניתוח של זמני תיקון לאחר חשיפה חוזרת ונשנית ל-LLB מצביע על כך שעכברי פיצוץ חוזרים להכרה מהר יותר מעכברי דמה (איור 4). לפיכך, LLB חוזר גורם לשינויים הניתנים לשחזור בתגובות עוררות נוירו-התנהגותיות חריפות לאחר החשיפה. ניסויים תת-אופטימליים עשויים להציג פרופילי לחץ לא סדירים. מקרים בהם לחצי השיא מדוכאים באופן בלתי צפוי עשויים להצביע על שחרור מוקדם או איטי של גז, המונע שחרור חד של התפשטות גז לאורך קטע צינור ההלם המונע כדי לפגוש את בעל החיים באזור המטרה. אובדן מוקדם מדי של לחץ הגז הוא לעתים קרובות תוצאה של חתכי נהג או סליל אטומים כראוי. זה יכול לנבוע מפגמים בקרום או הידוק לא מספיק של מכלול צינור ההלם של הנהג. במקרים כאלה, דגימות ביולוגיות עשויות להראות סימנים מופחתים של טראומה. פירוש נתונים כרוך בקישור פרופילי זמן לחץ עם תגובות ביולוגיות נצפות. ניסויים מוצלחים מראים כי פרמטרי הפיצוץ שנבחרו, כגון לחץ שיא ומשך, מעוררים את התגובות הביולוגיות הצפויות או המבוססות הנחקרות. מתאמים בין תכונות לחץ ספציפיות לבין תוצאות ביולוגיות מסייעים בביסוס קשרים סיבתיים. מחקרי אורך מתאפשרים על-ידי פרוטוקול זה בשל היעדר אובדן נצפה של בעלי חיים עבור נקודות זמן למחקר, עד 6 חודשים לאחר LLB הסופי (איור 5). טווח התוצאות הקליניות בעקבות חשיפה ל- LLB הוא עדין ולא מובן. חשיפה חוזרת ונשנית ל- LLBs נחשבה היסטורית לתת-פגיעה הן עבור אנשים והן עבור עכברים. זה נתמך על ידי חזרה מהירה לאמבולציה, התנהגות ופעילות גופנית נורמלית לאחר חשיפות ב 2-5 psi. עם זאת, היעדר סימפטומים נוירוסנסוריים חריפים מכריעים או שינויים התנהגותיים אינו מונע את קיומן של השפעות חתרניות שליליות. מכיוון שפנוטיפים הקשורים ל- LLB הם עדינים במקרה הטוב, טווח ההשפעות המלא הוא תחום של חקירה פעילה ועשוי לדרוש זמן רב או חזרה כדי לעורר תוצאות משמעותיות מבחינה קלינית. איור 1: צעדים פרוצדורליים עבור מודל צינור ההלם של LLB מורין חוזר. לאחר הכנת צינור ההלם (שלבים 1-10) ושלבי הכנת בעלי החיים (שלבים 11-18), עכברים נחשפים ל-LLB אחד או יותר (שלבים 19-32), לפני הוצאתם מהצינור (שלב 33). לאחר מכן מניחים עכברים על ישבנם, על כרית חימום מחוממת (שלב 34). משך הזמן שלוקח לבעל החיים להתהפך על הצד הגחוני שלו נרשם כזמן הנכון (שלב 35). קיצור: LLB = פיצוץ ברמה נמוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 2: עקומות זמן לחץ מייצגות עבור חשיפות ליד 4 psi. (A) ערימות תוספים מספקות לחצי שיא ליניאריים בטווח של 2-4.5 psi שיא. פרופילי לחץ מייצג לעומת זמן (אלפיות השנייה) היו בממוצע בין 3-6 פיצוצי צינור הלם (אדום) בהשוואה לעקומות פרידלנדר האידיאליות (כחול) עבור (B) גיליון אחד, (C) 2 גיליונות, (D) 3 גיליונות ו-(E) 4 גיליונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 3: מרווח בין נושאים. הגדרה וביצוע של פיצוץ יחיד דורשים בממוצע 9.8 ± 1.9 דקות (ממוצע ± שגיאת תקן של הממוצע (sem)). חשיפות נוספות לפיצוץ דורשות תוספת של 1.7 ± 0.4 דקות לכל אירוע (ממוצע ± סמ’). נקודות מייצגות תוצאות של בעלי חיים בודדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 4: זמני תיקון יומיים במהלך 3 שבועות של חשיפות LLB חוזרות מאוד. הגרף מייצג את זמני התיקון המנורמלים על פני 3 שבועות של חשיפה ל- LLB. עכברי LLB היו נתונים ל -6 חשיפות פיצוץ יומיות בסך הכל 90 חשיפות LLB שהתרחשו במשך 15 ימים. מאפייני לחץ היתר הממוצע היו (± סמ) 3.05 ± 0.07 שיא psi, 0.94 ± 0.04 משך פאזה חיובי, ו 2 ± 0.1 psi * דחף msec. ערכי p משקפים תוצאות של ANOVA דו-כיוונית. קיצור: LLB = פיצוץ ברמה נמוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה. איור 5: השפעות מודל LLB של צינור הלם במעבדה על שחיקת בעלי חיים בעקבות חשיפות LLB חוזרות מאוד. שיעורי שחיקה עבור עכברי דמה (N = 24) ו- LLB (N = 32) מהחשיפה הראשונה ל- LLB (יום 1) דרך כל החשיפות למחקר (סיום היום ה -19) ולאחר תקופת התאוששות של 6 חודשים (יום 199). לא היה הבדל משמעותי בין שיעורי השחיקה של קבוצות דמה ו- LLB במהלך התקופה הנצפית. עכברי LLB חוו בממוצע 62 חשיפות בממוצע של 4.78 ± 0.01 שיא psi ו 3.16 ± 0.023 psi∙ms דחף. החשיפות ניתנו לעכברים 5 ימים בשבוע (כלומר, שני עד שישי) במשך 3 שבועות רצופים כדי למדל לאחרונה חשיפות ללחץ יתר של SOF שדווחו במהלך אימון הפרה שגרתי45. קיצור: LLB = פיצוץ ברמה נמוכה; SOF = כוחות מבצעים מיוחדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

איננו יכולים להתייחס כראוי למה שאיננו מבינים כראוי, ואיננו מבינים עדיין את מנגנוני הפגיעה הקשורים לחשיפה חוזרת ונשנית מאוד ל- LLB. אנשי SOF רבים מדווחים על התפתחות ליקויים הקשורים לבריאות הנחשבים קשורים לחשיפה חוזרת ונשנית מאוד ל- LLB בתוך חמש עד עשר שנים מהשירות המבצעי 50,51. חלק מאנשי SOF מפתחים השפעות נוירו-קוגניטיביות טראומטיות חריפות (TBI) מיד לאחר חשיפה ל-LLB39. יתר על כן, רופאים מדווחים כי תסמינים הנובעים מחשיפה לפיצוץ הם לעתים קרובות עקשנים לטיפולים מסורתיים, מה שעשוי להניע SOF וקלינאים לחפש טיפולים חלופיים52,53. למרות החשיפה התכופה של SOF ל-LLB ולמנגנוני לחץ יתר45, חומרת ועמידות הטיפול בסימפטומים הנובעים מכך, והדפוס המתועד של צלקות אסטרוגליות הקשורות לפיצוץ51, התוצאות הבריאותיות ארוכות הטווח נותרו בלתי ידועות יחסית. רופאים ומנהיגות צבאית מסתמכים על מחקר מודלים כדי לחשוף מנגנוני פציעה ופתופיזיולוגיה. מודלים אלה הם קריטיים לפיתוח מדיניות ואסטרטגיות לזיהוי, הפרעה, מניעה וטיפול מוקדם בתהליך הפתולוגי.

באופן מכריע, מודלים עכבריים של חשיפות צבאיות נפוצות LLB צפוי לשמש בסיס למודלים לחיזוי בריאות. פרקטיקה קלינית תפיק תועלת ממודלים לחיזוי LLB המזהים מי עשוי להיות בסיכון הגבוה ביותר לפתולוגיה הקשורה לפיצוץ, אילו תכונות פיצוץ מעוררות את התוצאות החמורות ביותר, וכיצד תהליך המחלה עשוי להתפתח בהתבסס על הכרוניות, המינון או הספציפיות של החשיפה לפיצוץ. לפיכך, מידול חשיפה חוזרת ל- LLB חיוני בפיתוח השערות ותחזיות כיצד חשיפות ישפיעו על התוצאות הבריאותיות של SOF וחברי שירות אחרים. מודלים של מנגנוני חיזוי ופציעה יסייעו באבחון ובטיפול, כמו גם בהחלטות לגבי חזרה לתפקיד בהתבסס על סימפטומים וחשיפה.

המחקר של TBI המושרה על ידי פיצוץ (bTBI) בעכברים ראה התקדמות משמעותית בשנים האחרונות, במיוחד עם פיתוח מודלים המנבאים תוצאות בעקבות bTBI קל כרוני חוזר ונשנה בבני אדם54,55. בעוד שהמחקר של חשיפה לפיצוץ ברמה בינונית עד גבוהה באמצעות שפופרות הלם מפותח היטב עם מאות מאמרים באינדקס PubMed 46,56,57,58, השימוש בשפופרות הלם במחקרים על פיצוצים ליד לחצי יתר שגרתיים של אימונים צבאיים (<6 psi לחץ שיא40) פחות מפותח, עם פחות מעשרה מאמרים שזוהו בחיפוש האחרון של PubMed 19,20, 22,23,26,27,28. כדי להקל על הפיתוח של תחום זה שלא נחקר, המודל המוצג מתמקד בשיקולים מרכזיים ללחץ יתר עקבי של LLB בעכברים, התאוששות לאחר פיצוץ וניטור, תוך ציון מספר יתרונות מובהקים של מודל זה על פני השימוש בחומרי נפץ בשדה פתוח. אכן, אנו טוענים כי מודל LLB המתואר במעבדה עשוי לאפשר פיתוח מודלים לחיזוי תוצאות קליניות לאחר LLB כרוני חוזר.

מודל LLB מציע יתרונות קריטיים על פני מודלים של פיצוץ נפץ בשדה פתוח, במיוחד במונחים של רווחת בעלי חיים. מודלים של שדה פתוח עשויים לגרום לשיעורי תמותה של 3-8% 25,36, בעוד שמודל LLB מבוסס מעבדה זה אינו מראה הפסד. הבחנה זו היא קריטית, במיוחד כאשר מדמים את החשיפות המצטברות הגבוהות האופייניות לאימונים צבאיים, שבהם כמעט אף מתאמן אינו חווה תוצאות קטלניות מחשיפה למשפטים. היעדרם לכאורה של דום נשימה או סיבות מוות אחרות, כגון טראומה ריאתית קטלנית, מבטיח את אמינותו ועקביותו של המודל, ומציב אותו כבחירה מועדפת למחקרים על ההשפעות הרלוונטיות מבחינה קלינית של LLB חוזר.

פרוטוקול זה הוא ספציפי עבור צינור הלם “פתוח” עם עיצוב בן שלושה חלקים, המורכב מקטעי נהג, סליל והנעה. LLBs חוזרים מאוד עשויים להיות ניתנים להשגה עם עיצובים אחרים של צינור הלם עם שינויים מתאימים לפרוטוקול. עיצובי שפופרות הלם פתוחות משמשים לעתים קרובות לחקר נוירוטראומה הנגרמת על ידי פיצוץ 46,47,48. צינור ההלם הפתוח, הכולל קצה יציאה פתוח, מאפשר לגל ההלם שנוצר להתפשט בחופשיות לאורך הצינור שבו הוא פוגש את המטרה שלו (למשל, נושא החיה) לפני היציאה מהקצה השני של הצינור. תכנון זה מאפשר שכפול ומחקר של לחצי יתר ראשוניים טהורים יחסית של פיצוץ המתקרב לתכונות של פיצוצי פיצוץ כפי שיתרחשו בשדה הפתוח48. כתוצאה מכך, משווים את אמינותו של גל לחץ היתר של ההדף הנמדד אמפירית לגל פרידלנדר אידיאלי; זה מאפשר להעריך את ביצועי הצינור כדי לייצר אירוע לחץ יתר ספציפי. כדי למדל חשיפה LLB, אנו משתמשים בצינור פיצוץפתוח 48 שתואר קודם לכן, שנבנה בהתאמה אישית, שתוכנן במקור לשחזר את ההשפעות של פיצוצי HLB של מעל 200+ ליברות של טריניטרוטולואן (TNT) במרחק המתנה של ~ 25 רגל. כדי לאפשר לחץ יתר גבוה בשיא, מופעל לחץ גז לתוך הנהג, המופרד מהסליל על ידי קרום, ואוטם את הגז בנהג. הסליל, בתורו, מופרד גם מהקטע הפתוח על ידי קרום אחר. קרום שני זה מאפשר ללחוץ בנפרד על הסליל בנפרד. מערכת התא הכפול מאפשרת לחץ על הגזים בנהג מעבר לנקודת הקרע הרגילה של הממברנה. זה קורה מכיוון שהסליל בלחץ פועל כחיץ, תומך בקרום בממשק של הנהג והסליל, ובכך מונע את הקרע שלו. כאשר מפעיל צינור ההלם רוצה ליצור גל הלם בלחץ המטרה, שסתום אלקטרוני פולט גז מהסליל, מוריד במהירות את הלחץ בסליל ומאפשר לגז בלחץ יתר בחלק הנהג לקרוע הן את הנהג והן את קרומי הסליל ולהתרחב במהירות לאורך הצינור שבו הוא פוגש את בעל החיים באזור המטרה. השינוי העיקרי המאפשר את המחקר של LLB בצינורות בעלי ביצועים גבוהים של עיצוב זה הוא שאנו חוסמים את הנהג ומשתמשים רק בסליל בשילוב עם ממברנות סף נמוכות.

כדי להבטיח את האמינות ואת reproducability של ניסויים LLB, פעולות מסוימות יש לנקוט במהלך ההתקנה. אבטחה הדוקה של הידיים והרגליים בפרקי הידיים והקרסוליים היא חיונית. זה ממזער את השונות בתנועת הגוף ובחשיפה להדף ומונע פציעות לא מכוונות שעלולות לבלבל את התוצאות. בנוסף, סיבוב פרקי כף היד והקרסוליים פנימה מסייע לכוון את תנועת התוספתן לכיוון קו האמצע של החיה, ובכך מפחית את הסיכון לפציעות דיסטליות שעלולות להשפיע על הערכות הביצועים המוטוריים הבאות. יישור עקמומיות הראש ועמוד השדרה הוא גורם חיוני נוסף בהבטחת חשיפה אחידה להדף בין הנבדקים, שכן הוא מסייע להפחית את ההבדלים הפוטנציאליים בטווח התנועה. הגדלת אחוז האיזופלורן המשמש להרדמה מומלצת לפרוטוקולים הנמשכים מספר ימים או שבועות. התאמה זו מסייעת לשמור על עומק הרדמה עקבי לאורך כל תקופת הניסוי המורחבת. מניסיוננו, עלייה של 0.5% איזופלורן מספיקה כדי לשמור על הרדמה מספקת.

עם זאת, ייתכן שהעברת הרדמה באמצעות חרוט האף לא תהיה אפשרית עבור כל עיצובי צינורות הפיצוץ, במיוחד עבור אלה עם מארזים מלאים שאינם מאפשרים את החדרת הצינורית לחלק המונע. במקרים כאלה, חומרי הרדמה בהזרקה עשויים להיות עדיפים. אנו ממליצים לקבוע כמה זמן נדרש למסירת הפיצוצים הרציפים החוזרים ולאחר מכן לתת מספיק הרדמה כדי לשמור על חוסר הכרה לאורך כל ההליך. בדיקות רווחת בעלי חיים נוספות עשויות להיות נחוצות במהלך הפיתוח של שיטה שונה זו כדי להבטיח תחזוקה נאותה של הרדמה. יתר על כן, השימוש בהזרקות עלול להפוך את ניטור התגובה הפוסט-אקוטית, כגון איסוף מדדי זמן נכונים, לבלתי אפשרי.

שיקולים אתיים הם בעלי חשיבות עליונה במחקר בבעלי חיים, ומודל LLB מבוסס מעבדה זה משלב פרוטוקולים מקיפים לשחזור וניטור לאחר פיצוץ. נקודות קצה אנושיות לאחר חשיפה לפיצוץ, כולל קשיי נשימה, חוסר יכולת לתקן את עצמם, מצב לא אמבולטורי לאחר תקופת תצפית של שעתיים, תנועות דמויות התקף, תנועות מביכות, ליקוי ראייה ועדות לדימום פנימי או שבר בגפיים, נצפות מקרוב. יש לציין כי עכברי פיצוץ LLB לא הציגו אף אחד מהמצבים הללו בניסויים שלנו. עם זאת, שברים בגפיים יכולים להתרחש במהלך HLBs, לעתים קרובות עקב טעות מפעיל. הפחתת סיכון זה כרוכה בסיבוב הידיים והרגליים לכיוון קו האמצע של בעל החיים במהלך אבטחת אלונקה. טכניקה זו מונעת מרוח ההדף לסחוף את התוספתן לאחור ולשבור את העצמות הקשורות.

היתרונות של מודל LLB חוזר זה משתרעים מעבר לשיקולים אתיים להיבטים מעשיים ומתודולוגיים. התכנון מבוסס המעבדה שלה מבטל את הצורך בטיפול בחומרי נפץ, ובכך משפר את הבטיחות והנגישות. המודל ניתן לשחזור ולהתאמה אישית, ומאפשר לחוקרים להשפיע על פרמטרים של חשיפה באמצעות שימוש בסוגי גזים שונים, הגדרות מכשיר ועוצמות ממברנה. הליום, שנבחר כאן בשל יכולתו לשחזר קינטיקה של פיצוץ שדה פתוח49, עשוי לספק בסיס אמין 47,59,60. התאמת לחץ שיא מושגת אמפירית על ידי שינוי עובי או חוזק קרום השמירה, המאפשר כוונון עדין לדרישות ניסוי ספציפיות. לבסוף, מודל LLB מבטל את ההשפעה של שינויים עונתיים או מזג אוויר על נתונים, חשיפה לבעלי חיים וגורמים ניסיוניים אחרים. עקביות זו מבטיחה תוצאות חזקות ואמינות, מה שהופך את מודל LLB חוזר זה לכלי רב ערך למחקר פיצוץ אורכי וחוזר על עצמו.

הבנת נוירוטראומה הקשורה לפיצוץ דורשת הבהרת מנגנוני פציעה, מדדי עוצמת פיצוץ וערכי סף. עם זאת, חוסר ודאות אופף מנגנוני פגיעה מוחית אנושית בתרחישי פיצוץ. קריטריונים שהוצעו בעבר לפגיעה בבני אדם בעקבות חשיפה לפיצוץ הסתמכו על מחקרים בבעלי חיים, אך מאתגר ליישם מחקרים אלה ישירות על בני אדם בשל קריטריונים חלקיים לקנה מידה בין מינים61. קנה מידה של פגיעה ריאתית המבוסס על מסת גוף של בעלי חיים הוא יוצא מן הכלל, בהתחשב בנוכחות קריטריונים מקובלים62,63. עם זאת, חוקי קנה מידה מוצעים להשפעות מוחיות, המבוססים על גוף64,65 או מסת מוח66, מתעלמים מהבדלים אנטומיים ידועים ולא ידועים, במיוחד בנוגע למבנים המגנים בתוך המוח וסביבו. קנה מידה המוני מנבא סיכוני פציעה גבוהים יותר במינים בעלי גוף קטן יותר, אשר סותרים מחקרים הן בציפורים 67,68,69 והן בבני אדם70. פיתוח חוקי קנה מידה מדויקים דורש אפוא הבנה אמפירית של הקשר בין עוצמת אירועי פיצוץ חיצוניים לבין השפעות מוחיות פנימיות בין מינים. במקרה של LLBs, מעט מאוד ידוע על חשיפה בודדת או כרונית במודלים של בעלי חיים או באנשים. כתוצאה מכך, המחקרים האמפיריים הדרושים כדי ליידע את הפיתוח של חוקי קנה מידה עתידיים בטווח עוצמת LLB עשויים להיות מזורזים על ידי השיטה שלנו.

לסיכום, מודל שפופרת הלם מבוסס מעבדה זה מייצג התקדמות משמעותית בחקר ההשפעות הכרוניות של חשיפה ל- LLB בעכברים. על ידי שילוב נהלים למידול לחצי יתר עקביים, מתן עדיפות להתאוששות וניטור לאחר פיצוץ והדגשת יתרונות ברורים על פני מודלים חלופיים, מודל LLB מבוסס מעבדה זה עשוי לספק בחירה אמינה ואתית לקידום הבנתנו של פציעות הקשורות לחשיפה כרונית ל- LLB.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

JSM קיבל מימון מהמחלקה לענייני חיילים משוחררים של ארצות הברית (VA) המשרד למחקר ופיתוח מעבדה ביו-רפואית (JSM, I01BX004896) והמרכז הקליני והמחקר למחלות נפש של VA Northwest Mental Disease, ישות VA המנדטורית של הקונגרס החוקרת פגיעה מוחית הנגרמת על ידי פיצוץ ולחץ פוסט-טראומטי נלווה. JSM מדווח על מימון לא קשור מפרס FY22 Traumatic Brain Injury and Psychological Health Research Program Translational Research Award (W81XWH-22-TBIPHRPTRA, Award Number HT94252310755). המחברים מודים לאנדרו שוטס-דייוויד על עזרתו בעריכה.

Materials

Adroit Thermal Recirculating Heat Pump (120 V) Parkland Scientific HTP-1500
Copy paper, 75 g/m2 weight Staples 897804
Disposable Absorbant Blue Pads VWR 82020-845
Forane Inhalant Solution MedLine 10019-360-60
Helium Linde UN1046
Laboratory tape (1") VWR 89098-076
LabView software Emerson V 2011
Medical oxygen Central Welding Supply UN1072
Mylar, 0.005 thickness Tapp Plastics 22934
Plastic cling wrap Santa Cruz Biotechnology sc-3687
Plastic twist ties  VWR 11215-940
Pneumatic Shocktube (with driver and spool sections; target area sized for mice, 20 kHz sampling rate pressure sensors, control and acquisition software) BakerRisk, San Antonio, TX custom
Reusable Heavy Duty Heating Pad (12" x 18") Parkland Scientific 121218
Scissor-style, Rodent Ear Punch Kent Scientific INS750076-2
Sliding Top Chambers for Traditional Vaporizers Kent Scientific VetFlo-0530SM
VetFlo Isoflurane Vaporizer Kent Scientific VetFlo-1210S
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dal Cengio Leonardi, A., et al. Head orientation affects the intracranial pressure response resulting from shock wave loading in the rat. J Biomech. 45 (15), 2595-2602 (2012).
  2. Leonardi, A. D., Bir, C. A., Ritzel, D. V., VandeVord, P. J. Intracranial pressure increases during exposure to a shock wave. J Neurotrauma. 28 (1), 85-94 (2011).
  3. Li, Y., et al. Low-level primary blast induces neuroinflammation and neurodegeneration in rats. Mil Med. 184, 265-272 (2019).
  4. Ravula, A. R., et al. Animal model of repeated low-level blast traumatic brain injury displays acute and chronic neurobehavioral and neuropathological changes. Exp Neurol. 349, 113938 (2022).
  5. Dickstein, D. L., et al. Brain and blood biomarkers of tauopathy and neuronal injury in humans and rats with neurobehavioral syndromes following blast exposure. Mol Psychiatry. 26 (10), 5940-5954 (2021).
  6. Perez-Garcia, G., et al. Chronic post-traumatic stress disorder-related traits in a rat model of low-level blast exposure. Behav Brain Res. 340, 117-125 (2018).
  7. Perez-Garcia, G., et al. Exposure to a predator scent induces chronic behavioral changes in rats previously exposed to low-level blast: implications for the relationship of blast-related TBI to PTSD. Front Neurol. 7, 176 (2016).
  8. Perez Garcia, G., et al. Laterality and region-specific tau phosphorylation correlate with PTSD-related behavioral traits in rats exposed to repetitive low-level blast. Acta Neuropathol Commun. 9 (1), 33 (2021).
  9. Perez Garcia, G., et al. Progressive cognitive and post-traumatic stress disorder-related behavioral traits in rats exposed to repetitive low-level blast. J Neurotrauma. 38 (14), 2030-2045 (2021).
  10. Perez-Garcia, G., et al. PTSD-related behavioral traits in a rat model of blast-induced mTBI are reversed by the mGluR2/3 receptor antagonist BCI-838. eNeuro. 5 (1), (2018).
  11. Gasperi, R., et al. Progressive transcriptional changes in the amygdala implicate neuroinflammation in the effects of repetitive low-level blast exposure in male rats. J Neurotrauma. 40 (5-6), 561-577 (2023).
  12. De Gasperi, R., et al. Metabotropic glutamate receptor 2 expression is chronically elevated in male rats with post-traumatic stress disorder related behavioral traits following repetitive low-level blast exposure. J Neurotrauma. , (2023).
  13. Gama Sosa, M. A., et al. Lack of chronic neuroinflammation in the absence of focal hemorrhage in a rat model of low-energy blast-induced TBI. Acta Neuropathol Commun. 5 (1), 80 (2017).
  14. Gama Sosa, M. A., et al. Late chronic local inflammation, synaptic alterations, vascular remodeling and arteriovenous malformations in the brains of male rats exposed to repetitive low-level blast overpressures. Acta Neuropathol Commun. 11 (1), 81 (2023).
  15. Gama Sosa, M. A., et al. Low-level blast exposure induces chronic vascular remodeling, perivascular astrocytic degeneration and vascular-associated neuroinflammation. Acta Neuropathol Commun. 9 (1), 167 (2021).
  16. Hubbard, W. B., et al. Mitochondrial dysfunction after repeated mild blast traumatic brain injury is attenuated by a mild mitochondrial uncoupling prodrug. J Neurotrauma. 40 (21-22), 2396-2409 (2023).
  17. Hubbard, W. B., Velmurugan, G. V., Brown, E. P., Sullivan, P. G. Resilience of females to acute blood-brain barrier damage and anxiety behavior following mild blast traumatic brain injury. Acta Neuropathol Commun. 10 (1), 93 (2022).
  18. Chen, M., et al. Proteomic profiling of mouse brains exposed to blast-induced mild traumatic brain injury reveals changes in axonal proteins and phosphorylated Tau. J Alzheimers Dis. 66 (2), 751-773 (2018).
  19. Saljo, A., Bolouri, H., Mayorga, M., Svensson, B., Hamberger, A. Low-level blast raises intracranial pressure and impairs cognitive function in rats: prophylaxis with processed cereal feed. J Neurotrauma. 27 (2), 383-389 (2010).
  20. Saljo, A., Svensson, B., Mayorga, M., Hamberger, A., Bolouri, H. Low-level blasts raise intracranial pressure and impair cognitive function in rats. J Neurotrauma. 26 (8), 1345-1352 (2009).
  21. Saljo, A., Arrhen, F., Bolouri, H., Mayorga, M., Hamberger, A. Neuropathology and pressure in the pig brain resulting from low-impulse noise exposure. J Neurotrauma. 25 (12), 1397-1406 (2008).
  22. Park, E., Gottlieb, J. J., Cheung, B., Shek, P. N., Baker, A. J. A model of low-level primary blast brain trauma results in cytoskeletal proteolysis and chronic functional impairment in the absence of lung barotrauma. J Neurotrauma. 28 (3), 343-357 (2011).
  23. Park, E., Eisen, R., Kinio, A., Baker, A. J. Electrophysiological white matter dysfunction and association with neurobehavioral deficits following low-level primary blast trauma. Neurobiol Dis. 52, 150-159 (2013).
  24. Woods, A. S., et al. Gangliosides and ceramides change in a mouse model of blast induced traumatic brain injury. ACS Chem Neurosci. 4 (4), 594-600 (2013).
  25. Rubovitch, V., et al. A mouse model of blast-induced mild traumatic brain injury. Exp Neurol. 232 (2), 280-289 (2011).
  26. Perez Garcia, G., et al. Repetitive low-level blast exposure improves behavioral deficits and chronically lowers Abeta42 in an Alzheimer disease transgenic mouse model. J Neurotrauma. 38 (22), 3146-3173 (2021).
  27. Chavko, M., Koller, W. A., Prusaczyk, W. K., McCarron, R. M. Measurement of blast wave by a miniature fiber optic pressure transducer in the rat brain. J Neurosci Methods. 159 (2), 277-281 (2007).
  28. Chavko, M., et al. Relationship between orientation to a blast and pressure wave propagation inside the rat brain. J Neurosci Methods. 195 (1), 61-66 (2011).
  29. Song, H., et al. Ultrastructural brain abnormalities and associated behavioral changes in mice after low-intensity blast exposure. Behav Brain Res. 347, 148-157 (2018).
  30. Song, H., et al. Proteomic analysis and biochemical correlates of mitochondrial dysfunction after low-intensity primary blast exposure. J Neurotrauma. 36 (10), 1591-1605 (2019).
  31. Konan, L. M., et al. Multi-focal neuronal ultrastructural abnormalities and synaptic alterations in mice after low-intensity blast exposure. J Neurotrauma. 36 (13), 2117-2128 (2019).
  32. Chen, S., et al. Low-intensity blast induces acute glutamatergic hyperexcitability in mouse hippocampus leading to long-term learning deficits and altered expression of proteins involved in synaptic plasticity and serine protease inhibitors. Neurobiol Dis. 165, 105634 (2022).
  33. Li, C., et al. Low-intensity open-field blast exposure effects on neurovascular unit ultrastructure in mice. Acta Neuropathol Commun. 11 (1), 144 (2023).
  34. Siedhoff, H. R., et al. Long-term effects of low-intensity blast non-inertial brain injury on anxiety-like behaviors in mice: home-cage monitoring assessments. Neurotrauma Rep. 3 (1), 27-38 (2022).
  35. Ahmed, F., Plantman, S., Cernak, I., Agoston, D. V. The temporal pattern of changes in serum biomarker levels reveals complex and dynamically changing pathologies after exposure to a single low-intensity blast in mice. Front Neurol. 6, 114 (2015).
  36. Pun, P. B., et al. Low level primary blast injury in rodent brain. Front Neurol. 2, 19 (2011).
  37. Lang, M., et al. Shooter-experienced blast overpressure in .50-caliber rifles. J Spec Oper Med. 18 (4), 87-91 (2018).
  38. Wiri, S., et al. Significant mitigation of blast overpressure exposure during training by adjustment of body position as demonstrated with field data. Mil Med. , (2023).
  39. Woodall, J. L. A., et al. Repetitive low-level blast exposure and neurocognitive effects in army ranger mortarmen. Mil Med. 188 (3-4), e771-e779 (2023).
  40. Wiri, S., et al. Dynamic monitoring of service members to quantify blast exposure levels during combat training using BlackBox Biometrics Blast Gauges: explosive breaching, shoulder-fired weapons, artillery, mortars, and 0.50 caliber guns. Front Neurol. 14, 1175671 (2023).
  41. Belding, J. N., Englert, R., Bonkowski, J., Thomsen, C. J. Occupational risk of low-level blast exposure and TBI-related medical diagnoses: a population-based epidemiological investigation (2005-2015). Int J Environ Res Public Health. 18 (24), 12925 (2021).
  42. Belding, J. N., Kolaja, C. A., Rull, R. P., Trone, D. W. Single and repeated high-level blast, low-level blast, and new-onset self-reported health conditions in the U.S. Millennium Cohort Study: An exploratory investigation. Front Neurol. 14, 1110717 (2023).
  43. Belding, J. N., et al. Self-reported concussion symptomology during deployment: differences as a function of injury mechanism and low-level blast exposure. J Neurotrauma. 37 (20), 2219-2226 (2020).
  44. Belding, J. N., Khokhar, B., Englert, R. M., Fitzmaurice, S., Thomsen, C. J. The persistence of blast- versus impact-induced concussion symptomology following deployment. J Head Trauma Rehabil. 36 (6), E397-E405 (2021).
  45. McEvoy, C. B., Crabtree, A., Powell, J. R., Meabon, J. S., Mihalik, J. P. Cumulative blast exposure estimate model for Special Operations Forces combat soldiers. J Neurotrauma. 40 (3-4), 318-325 (2023).
  46. Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. J Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
  47. Reneer, D. V., et al. A multi-mode shock tube for investigation of blast-induced traumatic brain injury. J Neurotrauma. 28 (1), 95-104 (2011).
  48. Huber, B. R., et al. Blast exposure causes early and persistent aberrant phospho- and cleaved-tau expression in a murine model of mild blast-induced traumatic brain injury. J Alzheimers Dis. 37 (2), 309-323 (2013).
  49. Reeder, E. L., et al. Effect of driver gas composition on production of scaled Friedlander waveforms in an open-ended shock tube model. Biomed Phys Eng Express. 8 (6), (2022).
  50. Frueh, B. C., et al. 34;Operator syndrome": A unique constellation of medical and behavioral health-care needs of military special operation forces. Int J Psychiatry Med. 55 (4), 281-295 (2020).
  51. Stewart, W., Trujillo, K. Modern warfare destroys brains: Creating awareness and educating the force on the effects of blast traumatic brain injury. Harvard Kennedy School, Belfer Center for Science and International Affairs. , 1-69 (2020).
  52. Lipov, E., Sethi, Z., Nandra, G., Frueh, C. Efficacy of combined subanesthetic ketamine infusion and cervical sympathetic blockade as a symptomatic treatment of PTSD/TBI in a special forces patient with a 1-year follow-up: A case report. Heliyon. 9 (4), e14891 (2023).
  53. Ivory, H. R. Stellate ganglion block as treatment for risk taking behaviors among Naval Special Warfare operators and Veterans. DNA Reporter. 48 (3), 9 (2023).
  54. Schindler, A. G., et al. Repetitive blast mild traumatic brain injury increases ethanol sensitivity in male mice and risky drinking behavior in male combat veterans. Alcohol Clin Exp Res. 45 (5), 1051-1064 (2021).
  55. Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Sci Transl Med. 8 (321), 326 (2016).
  56. Garman, R. H., et al. Blast exposure in rats with body shielding is characterized primarily by diffuse axonal injury. J Neurotrauma. 28 (6), 947-959 (2011).
  57. Vu, P. A., et al. Transient disruption of mouse home cage activities and assessment of orexin immunoreactivity following concussive- or blast-induced brain injury. Brain Res. 1700, 138-151 (2018).
  58. Logsdon, A. F., et al. Low-intensity blast wave model for preclinical assessment of closed-head mild traumatic brain injury in rodents. J Vis Exp. (165), (2020).
  59. Panzer, M. B., et al. A multiscale approach to blast neurotrauma modeling: Part I – Development of novel test devices for in vivo and in vitro blast injury models. Front Neurol. 3, 46 (2012).
  60. Kumar, R., Nedungadi, A. Using gas-driven shock tubes to produce blast wave signatures. Front Neurol. 11, 90 (2020).
  61. Panzer, M. B., Wood, G. W., Bass, C. R. Scaling in neurotrauma: how do we apply animal experiments to people. Exp Neurol. 261, 120-126 (2014).
  62. Bowen, I. G., Fletcher, E. R., Richmond, D. R., Hirsch, F. G., White, C. S. Biophysical mechanisms and scaling procedures applicable in assessing responses of the thorax energized by air-blast overpressures or by nonpenetrating missiles. Ann N Y Acad Sci. 152 (1), 122-146 (1968).
  63. Bass, C. R., Rafaels, K. A., Salzar, R. S. Pulmonary injury risk assessment for short-duration blasts. J Trauma. 65 (3), 604-615 (2008).
  64. Bass, C. R., et al. Brain injuries from blast. Ann Biomed Eng. 40 (1), 185-202 (2012).
  65. Rafaels, K., et al. Survival risk assessment for primary blast exposures to the head. J Neurotrauma. 28 (11), 2319-2328 (2011).
  66. Wood, G. W., et al. Scaling in blast neurotrauma. Injury Biomechanics Res: Proceedings of the 40th International Workshop. , 549-558 (2013).
  67. Wang, L., et al. Why do woodpeckers resist head impact injury: a biomechanical investigation. PLoS One. 6 (10), e26490 (2011).
  68. Van Wassenbergh, S., et al. Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks. Curr Biol. 32 (14), 3189-3194 (2022).
  69. Gibson, L. Woodpecker pecking: how woodpeckers avoid brain injury. J Zool. 270 (3), 462-465 (2006).
  70. Jean, A., et al. An animal-to-human scaling law for blast-induced traumatic brain injury risk assessment. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (43), 15310-15315 (2014).

Tags

Repetitive Low-level Blast ExposureMouse ModelPneumatic Shock TubeOpen-field BlastTraumatic Brain InjuryMilitary TrainingBlast Overpressure

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Crabtree, A., McEvoy, C., Muench, P., Ivory, R. A., Rodriguez, J., Omer, M., Charles, T., Meabon, J. S. Modeling Highly Repetitive Low-level Blast Exposure in Mice. J. Vis. Exp. (207), e66592, doi:10.3791/66592 (2024).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image