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

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

Моделирование высокоповторяющегося воздействия взрывной волны низкого уровня у мышей

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

Здесь представлены методы получения повторных взрывных облучек низкой интенсивности с использованием мышей.

Abstract

Воздействие взрывных устройств является значительным фактором риска получения черепно-мозговой травмы у лиц, подвергшихся воздействию. В то время как воздействие больших взрывов на мозг хорошо изучено, последствия более мелких взрывов, таких как те, которые происходят во время военных учений, менее изучены. Это небольшое, низкоуровневое воздействие взрыва также сильно варьируется в зависимости от военной оккупации и темпа обучения, при этом некоторые подразделения испытывают небольшое воздействие в течение нескольких лет, в то время как другие испытывают сотни в течение нескольких недель. Животные модели являются важным инструментом в выявлении как механизмов травмы, так и долгосрочных клинических рисков для здоровья после воздействия взрывной волны в малых дозах. Модели, способные воспроизвести такой широкий диапазон воздействий, необходимы для информирования об исходах острых и хронических травм в этих несопоставимых профилях риска.

Несмотря на то, что результаты после нескольких незначительных взрывных облучек легко моделируются для механистического исследования, хронические воздействия, которые происходят в течение карьеры, могут быть лучше смоделированы с помощью парадигм взрывных травм с повторяющимися воздействиями, которые часто происходят в течение недель и месяцев. Здесь представлены методы моделирования высокоповторяющегося воздействия взрывной волны низкого уровня у мышей. Методики основаны на установленных и широко используемых моделях пневматических ударных труб для воздействия взрывом в открытом поле, которые могут быть масштабированы для регулировки параметров избыточного давления, а также количества или интервала воздействий. Эти методы могут быть использованы либо для проведения механистических исследований, либо для повторения рутинных взрывных облучек изучаемых клинических групп.

Introduction

Воздействие низкоинтенсивной взрывной волны (LLB) происходит, когда отдельные лица или сооружения испытывают относительно низкую величину взрывной силы, обычно возникающую в результате небольших промышленных аварий, контролируемого сноса зданий или определенных военных учений. В отличие от этого, воздействие взрывной волны высокого уровня (ГЛБ) влечет за собой воздействие интенсивной и потенциально разрушительной взрывной силы, обычно встречающейся в военных действиях, террористических атаках или крупномасштабных случайных взрывах. Таким образом, основное различие между LLB и HLB заключается в интенсивности взрывных событий и, как следствие, в способности лиц, подвергшихся воздействию, переносить повторные воздействия до получения физической или функциональной травмы. В этом отношении эффекты воздействия ГЛБ, как правило, более очевидны, чем эффекты воздействия LLB. Из-за этого люди со значительным воздействием LLB могут подвергаться повышенному риску медленно развивающихся травм или дефицитов, которые остаются незамеченными до тех пор, пока их кумулятивные эффекты не станут заметными.

Текущие исследования направлены на улучшение нашего понимания того, как свойства воздействия взрыва, такие как интенсивность или повторение, могут привести к травме, чтобы мы могли лучше руководить профилактикой и медицинским лечением. В военной медицине понимание клинических последствий воздействия взрыва имеет первостепенное значение, и в результате необходимы животные модели, способные информировать об этих результатах. Несмотря на то, что животные модели помогли пролить свет на эффекты ГЛБ, эффекты воздействия LLB остаются в значительной степени малоизученными. В многочисленных исследованиях по моделированию изучаются эффекты избыточного давления взрыва вблизи или выше 10 фунтов на квадратный дюйм (psi) пикового давления 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18, но в немногих отчетах основное внимание уделяется уровням давления в диапазоне от 1 до 7 фунтов на квадратный дюйм 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, 32,33,34,35,36, которые чаще встречаются в условиях военных учений 37,38,39,40 и приближаются к историческому порогу в 4 фунта на квадратный дюйм для безопасного воздействия окружающей среды. Таким образом, более широкое распространение методов изучения часто используемых пиковых давлений LLB может помочь ускорить клинические выводы для применения в военной медицине и оптимизации сил.

Значимая связь между профессиональным риском LLB и различными клиническими диагнозами выявляется в эпидемиологических исследованиях военных LLB 41,42,43,44. Эти исследования подтверждают плохо определенную дозозависимую связь, при этом повторяющиеся воздействия LLB демонстрируют повышенный риск41. Это говорит о том, что увеличение кумулятивного воздействия взрыва играет решающую роль в формировании клинических результатов в военных условиях.

В предыдущих исследованиях по моделированию LLB на животных с давлением ниже 10 фунтов на квадратный дюйм в основном использовались взрывчатые вещества или системы ударных труб для изучения эффектов воздействия. Несмотря на то, что эти модели обычно изучают эффекты от одного до трех воздействий, они, тем не менее, внесли свой вклад в растущее понимание механистическихпоследствий 19,20,30,31, невропатологических 29,31,33 и поведенческих последствий 19,20,23,25,32,34, связанные с воздействием взрывной волны низкой интенсивности, которое является типичным для условий военной подготовки.

Исследования, изучающие одиночные LLB, генерируемые взрывчатыми веществами в открытом поле, сообщили о наличии тонких патологий мозга и поведенческих изменений, часто связанных с посттравматическим стрессом. Вудси его коллеги не смогли обнаружить микроскопическое повреждение головного мозга при давлении 2,5-5,5 фунтов на квадратный дюйм, но они обнаружили количественные изменения в гликосфинголипидах мозговой ткани с помощью масс-спектрометрии. Используя те же пиковые давления и экспериментальный дизайн, Рубовичи его коллеги наблюдали поведенческие изменения после взрывов, которые происходили с аналогичным отсутствием патологии мозга при измерении с помощью световой микроскопии. Тем не менее, в последующем патологическом исследовании с помощью электронной микроскопии 29,30,31,32,33 у мышей, подвергшихся воздействию LLB, подвергшихся воздействию LLB с давлением 6,7 фунтов на квадратный дюйм, было выявлено однозначное ультраструктурное повреждение миелина мозга, митохондрий, нейронов и нейроциркуляторного русла. Интересно, что в нескольких исследованиях LLB с использованием взрывчатых веществ в открытом поле с давлением ~10 фунтов на квадратный дюйм и менее сообщается о примерно 3-8% смертности после однократного воздействия25,36.

Подобные результаты ранее были отмечены в нескольких исследованиях с использованием лабораторных ударных трубок. В исследованиях, изучающих одиночные ЛМБ, производимые ударными трубками, были обнаружены доказательства повреждения нервов цитоскелета и изменений в паттернах возбуждения нейронов, развившихся после воздействия одного взрыва с давлением 1,7 фунта на квадратныйдюйм22. Сообщалось, что при давлении 4 фунтов на квадратный дюйм дисфункция мозолистого тела сопровождала нейроповеденческий дефицит у крыс, подвергшихся воздействию LLB23. По сравнению с продолжительностью взрыва, измеренной в воздухе, Чавко и коллегиобнаружили , что положительная продолжительность фазы избыточного давления взрыва была значительно больше в мозге крыс, подвергшихся воздействию давления 5,8 фунтов на квадратный дюйм. Биосигнатуры сходных реакций на повреждение могут быть подтверждены исследованием на мышах после воздействия 7,5 фунтов на квадратный дюйм, в котором Ахмеди его коллеги сообщают об обнаруживаемых изменениях в сыворотке крови на уровнях специфических воспалительных, метаболических, сосудистых и нервных белков в течение месяца после воздействия. Интересно, что в этом исследовании также сообщалось о 4,5% смертности через 24 часа после контакта.

В исследованиях, в которых изучали три ударных трубки LLB в течение одного 20-минутного сеанса воздействия, LLB в диапазоне от 1,4 до 8,7 фунтов на квадратный дюйм вызывали пси-зависимое повышение внутричерепного давления (ВЧД) у крыс, при этом наблюдаемые изменения ВЧД занимали больше времени при более низком уровне20 фунтов на квадратный дюйм и приводили к когнитивным изменениям19,20. Используя свиней, та же группа определила, что три воздействия 4 фунтов на квадратный дюйм LLB от различного военного оборудования были достаточны для того, чтобы вызвать гистологическую невропатологию, когда животные были размещены на позициях наводчика, имитирующихиспользование оборудования человеком.

Эти исследования в совокупности иллюстрируют различные эффекты воздействия LLB, которые могут иметь место в условиях ограниченного воздействия и периодов восстановления. Повторное воздействие LLB, по-видимому, вызывает стойкий когнитивный и поведенческий дефицит, подчеркивая необходимость детального понимания кумулятивных эффектов, чтобы мы могли лучше определить, когда эти эффекты могут стать клинически значимыми; это особенно актуально для военных стажеров, которые подвергаются воздействию высоких уровней повторяющихся LLB. Для достижения этой цели необходимы новые исследования, поскольку современная литература не позволяет адекватно смоделировать клинический опыт рутинных военных учений, которые превышают от одного до нескольких взрывов в течение нескольких дней.

Силы специальных операций (ССО) могут подвергаться значительному и часто повторяющемуся LLB во время обычных облучений. Согласно недавнему исследованию, репрезентативное воздействие, анонимизированное на всех позициях в команде по прорыву взрывчатых веществ, достигает 184 совокупных пиковых значений psi в течениеодной недели обучения. Это основано, в частности, на консервативной оценке использования 6 зарядов прорыва в день, со средним пиковым давлением 4 фунта на квадратный дюйм каждый, измеренным с помощью манометров, установленных на персонале; Он не учитывает светошумовые гранаты и другие устройства45. Обычный цикл тренировок может длиться несколько недель. Чтобы облегчить изучение клинического опыта LLB, например, обучения членов SOF, мы представляем лабораторную модель ударной трубки для высокоповторяющегося воздействия LLB. Метод, основанный на установленных системах пневматических ударных труб 46,47,48, позволяет проводить высоковоспроизводимые исследования давлений 2 фунта на квадратный дюйм и выше. Процедура не зависит от внешних факторов, таких как погода, не приводит к наблюдаемой смертности и является лабораторной. В результате, этот метод позволяет проводить длительные, ежедневно повторяющиеся воздействия LLB на одних и тех же субъектах в течение исследований продолжительностью от нескольких недель до нескольких месяцев, что способствует высокоточному исследованию военной подготовки.

Protocol

Все процедуры были выполнены в соответствии с протоколом #1588223, утвержденным Комитетом по уходу за институциональными животными и их использованию Системы здравоохранения Пьюджет-Саунд при Управлении по делам ветеранов и в соответствии с Руководством Национальных институтов здравоохранения по уходу и использованию лабораторных животных. 1. Уход за животными ПРИМЕЧАНИЕ: Животные модели LLB ограничены исключительно их доступностью и вместимостью ударной трубы, соответствующей их размеру. Описанная здесь ударная труба была разработана специально для использования с мышами. Используйте 3-4-месячных самцов или самок мышей C57BL/6J или другие утвержденные линии/линии мышей в соответствии с экспериментальными потребностями. Поддерживайте мышей в течение 12-часового цикла «темное-светлый» в специальных помещениях, свободных от патогенов, с ограниченным доступом к пище и воде. Мышей обычно размещают по 4 или 5 человек в клетке. Поддерживайте температуру в помещении на уровне 20-22 °C. Принесите клетки с взрывными и фиктивными мышами в ближайшую зону хранения. Возьмите с собой отдельные пустые клетки для переноса отдельных мышей в дробеструйную камеру и обратно. 2. Подготовка амортизатора (Проверка безопасности) Убедитесь, что необходимые проверки безопасности для конкретной системы завершены. Убедитесь, что подача газа (гелия) и основное питание выключены/отключены. Подготовьте мембраны по мере необходимости для проведения определенного числа взрывов низкой интенсивности (Рисунок 1.1). Вырежьте размеры мембраны в соответствии с требованиями для конкретной ударной трубы, используемой в этом протоколе:Разрежьте один лист пластиковой пищевой пленки на квадрат размером 5,5 x 5,5 дюйма, чтобы герметизировать катушку, позволяя ей нагнетать давление. Отрежьте один лист стандартной копировальной бумаги размером 8,5 x 11 дюймов (вес 75 г/м2 ) до 5,5 x 11 дюймов; Сложите полученный лист бумаги пополам, чтобы получился квадрат размером 5,5 x 5,5 дюймов. Получите один лист майларовой мембраны плотностью 500 г (толщина 125 мкм).ПРИМЕЧАНИЕ: Эти листы не разрываются и не деформируются при стандартной струйной обработке низкой интенсивности и могут быть повторно использованы в течение всего дня процедуры. Возьмите квадрат пищевой пленки и квадрат сложенной бумаги и разложите их на ровной поверхности (рисунок 1.2). Положите сложенную бумагу поверх пищевой пленки и выровняйте их друг относительно друга как можно лучше (рисунок 1.3). Чтобы ускорить повторяющиеся взрывы, расположите все мембранные стеки сейчас. Вставьте майларовую мембрану между драйвером и катушкой, свернув ее в небольшую трубку (размером примерно с указательный палец; Рисунок 1.4, 1.5). Полностью вставьте его в механизм и отпустите, чтобы он развернулся относительно резинового уплотнения, отделяющего секцию драйвера от катушки. Надавите на катушку по направлению к водителю, чтобы закрепить майларовый лист на месте; Это освободит золотник от приводной части амортизатора. Поместите пальцы под верхнюю половину пищевой пленки и осторожно сверните пищевую пленку и бумагу к себе, следя за тем, чтобы они сворачивались вместе, не сворачиваясь (Рисунок 1.6). Вставьте блок мембран между золотником и приводными секциями амортизатора (рис. 1.7). Дайте стеку мембран развернуться так, чтобы пластиковое уплотнение было обращено к катушке, а бумага — к ведомой части пробирки (Рисунок 1.8).ПРИМЕЧАНИЕ: Такая ориентация создаст герметичное уплотнение, чтобы система могла находиться под давлением. Закройте катушку в сборе (рис. 1.9,1.10). При необходимости затяните болты вручную или гидравлически, закрепив узел привод-катушка-амортизатор таким образом, чтобы можно было создать давление в системе. (Проверка безопасности; Рисунок 1.10)ПРИМЕЧАНИЕ: Для гидравлических систем убедитесь, что достигнуто целевое давление в узле затвора, чтобы предотвратить пропуски зажигания, которые могут потребовать замены мембраны и замедлить процесс воздействия LLB. Мы используем гидравлику для замыкания нашей сборки при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм. 3. Подготовка животных Включите грелку с циркуляционной водой под анестезиологической камерой при температуре 37 °C (рис. 1.11). Положите поверх грелки впитывающую медицинскую прокладку. В комнате содержания извлеките одну мышь из домашней клетки и поместите ее в пустую клетку для переноса. Принесите мышь в клетке в комнату для взрывов. Увеличьте расход кислорода до 1,0 л/мин (л/мин) и включите вакуумную систему продувки (Рисунок 1.12). Включите изофлуран до 5% (чтобы вызвать быструю потерю сознания) и направьте поток в анестезиологическую камеру грызунов (рис. 1.13). Поместите мышь в камеру, чтобы вызвать анестезию (рис. 1.14). После того, как мышь будет полностью обезболена и начнет стабильно дышать в течение еще 30 секунд, протяните руку в камеру и ударьте мышью по уху для однозначной долгосрочной идентификации мыши на протяжении оставшейся части исследования. Выполнение этого шага необходимо сейчас, чтобы не нарушать время восстановления после взрыва. Затем нанесите стерильную офтальмологическую смазку на оба глаза, чтобы предотвратить высыхание роговицы. Извлеките мышь из камеры и поместите ее носик в носовой конус (рис. 1.15). Переключите поток анестезии (например, изофлурана) из индукционной камеры в носовой конус. С помощью небольших кусочков лабораторного скотча слегка прижмите конечности мыши к каталке (Рисунок 1.16). После фиксации мыши наденьте проволочную стяжку вокруг каждой конечности и плотно скрутите, закрепив мышь на каталке на запястьях и лодыжках (рис. 1.17). Наденьте на грудь стяжку большего размера, завязав ее очень свободно, чтобы дыхание мыши не ограничивалось. Это будет служить вторичным удерживающим механизмом в случае, если какой-либо из фиксаторов конечностей ослабнет. Поднимите хвост мыши и подложите его под левую ногу, чтобы он не был защемлен при вставке каталки в шоковую трубу (Рисунок 1.18). 4. Процедура LLB Откройте секцию шоковой трубки, предназначенную для воздействия на животных, и поверните мышь так, чтобы она была обращена к встречной взрывной волне (рис. 1.19). Закрепите/подвесьте каталку в секции контакта с животными (Рисунок 1.20). Плотно закройте дверцу для секции воздействия на животных, следя за тем, чтобы дренажная трубка не была зажата дверцей (Рисунок 1.21). Уменьшите дозу анестезии до 2,5-3% изофлурана, 1 л/мин до конца сеанса. Включите систему соответствующим образом (Рисунок 1.22). Найдите и подсоедините подводящую линию для сжатого газообразного гелия (рис. 1.23,1.24). Выйдите из дробеструйной камеры, чтобы получить доступ к консоли управления струйной трубой в соседней комнате, и убедитесь, что в струйной камере не осталось персонала или животных.ПРИМЕЧАНИЕ: Защита органов слуха может потребоваться в зависимости от учреждения или условий эксплуатации. К таким условиям можно отнести расположение ударных труб, в которых пульт управления расположен на том же открытом пространстве, что и ударная труба. На консоли включите программное обеспечение для сбора данных для записи события взрыва (см. зеленое поле на рисунке 1.25).ПРИМЕЧАНИЕ: Для этих процедур мы собираем данные датчиков с частотой дискретизации 20 килогерц (кГц), которые затем обрабатываются с помощью программного обеспечения LabView. Мы рекомендуем получать выборку с датчика на частоте ≥10 кГц для получения высококачественных кривых зависимости времени от давления. Отключите все предохранительные замки (например, клавиши управления питанием, которые изображены зеленой стрелкой на рисунке 1.26). Закройте оба газовых отверстия и пассивно нагнетайте давление в золотнике (Рисунок 1.27). Не используйте сторону водителя. Продолжайте заполнять мембрану до тех пор, пока мембрана не разорвется сама по себе на целевом пике psi, определяемом количеством используемых мембранных листов. Запишите пиковое давление, длительность положительной фазы и импульс в месте нахождения животного. (Рисунок 1.28). Выключите механизм заполнения. Вернитесь к ударной трубе, отсоедините лиевую линию подачи и выключите подачу питания на цепь управления взрывом (рис. 1.29). Чтобы провести повторное воздействие LLB на одно и то же животное, откройте катушку, снимите стек мембраны катушки, а затем сверните и вставьте еще один стек мембраны катушки (рис. 1.30, 1.31, 1.32). Разровняйте мембранный стек и снова закройте узел.ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы смоделировать клинический опыт воздействия взрывов в низких уровнях во время эмпирически определенной тренировки SOF, мы подвергали мышей воздействию 5-6 LLB в день, ограничивая ежедневное воздействие до консервативного ~20 совокупного общего количества фунтов на квадратный дюйм45. В исследованиях, подчеркивающих механистическую зависимость и зависимость «доза-реакция», в качестве альтернативы может быть выбрано использование постоянного числа воздействий LLB с определенными параметрами избыточного давления за сеанс. После окончательного LLB для текущего животного извлеките его из шоковой трубки, оставив анестезию включенной (Рисунок 1.33). Развяжите животное, пока оно находится под наркозом. Извлеките его из носового конуса для анестезии, положив на спину на подогретую водяную подставку (рис. 1.34). После того, как животное будет помещено на подушку для воды, запустите таймер и запишите время, пока мышь самостоятельно не перевернется на свою брюшную сторону (т.е. живот) (рис. 1.35). Запишите это время как время исправления. Как только мышь восстановится, верните ее в домашнюю клетку и продолжайте наблюдение по мере необходимости. 5. Многодневные процедуры Чтобы смоделировать рутинные воздействия LLB от зарядов взлома, используемых во время тренировок SOF Close Quarter Fight, выполняйте повторные ежедневные воздействия на мышей 5 дней в неделю (с понедельника по пятницу) в общей сложности 15 дней в течение 3 стандартных рабочих недель. 6. Изменение пикового давления LLB Увеличьте пиковое давление за счет использования более прочных мембранных материалов или простой укладки дополнительных мембран. Например, используйте мембрану Mylar Roll Clear 0,005 (500 G) для создания пикового давления ~20 фунтов на квадратный дюйм (при использовании в качестве приводной и золотниковой мембраны) или мембрану Mylar Roll Clear 0,002 (200 G) для создания пикового давления ~10 фунтов на квадратный дюйм. Отрегулируйте параметры длительности положительной фазы и импульса взрыва в соответствии с экспериментальными потребностями. Для регулировки длительности положительной фазы и импульсов необходимо опытным путем определить целевые условия путем замены источников сжатого газа 47,49 или изменения длины драйвера, когда это возможно. В приведенном выше протоколе гелий используется для создания резкого пикового давления и формы волны, аналогичной идеализированной кривой Фридлендера. 7. Забор тканей ПРИМЕЧАНИЕ: Методы сбора тканей могут быть скорректированы в соответствии с экспериментальными потребностями. Обезболивайте мышь путем внутрибрюшинной инъекции 210 мг/кг пентобарбитала. Поместите мышь в клетку для мыши или крысы с брусьями или заранее изготовленной сеткой; Поместите мышь в клетку в вытяжной шкаф. Как только мышь перестанет реагировать, положите ее на спину на решетку в верхней части клетки и закройте ее рот вокруг одной из решеток, чтобы помочь ей оставаться на месте во время перфузии. Возьмите кожу живота, потяните ее вверх и с помощью больших ножниц прорежьте отверстие в брюшной полости, стараясь не разрезать ни один из органов. Продолжайте резать дальше вниз вдоль основания ребер, чтобы обеспечить более свободное сочленение грудной клетки. С помощью гемостата подойдите к мыши сбоку и захватите ткань непосредственно на верхней части грудной клетки, откатывая гемостат назад, чтобы удерживать основание грудной клетки под углом в легкодоступном положении. Используйте щипцы или аналогичный инструмент, чтобы удерживать гемостат на месте. С помощью небольших ножниц аккуратно разрежьте диафрагму, чтобы обеспечить доступ к сердцу. С помощью щипцов аккуратно наклоните сердце так, чтобы дно было обращено прямо к открытому основанию грудной клетки. Работайте быстро, чтобы сердце продолжало биться во время перфузии. При сборе крови удерживайте сердце с помощью щипцов и осторожно прокалывайте правый желудочек с помощью шприца объемом 3 мл с наконечником из иглы 0,5 дюйма 25 G. Вводите со дна желудочка и входите вдоль, стараясь не проколоть противоположную сторону желудочка. Осторожно потяните за шприц до тех пор, пока не будет собрано 0,5-1,0 мл крови или поток не прекратится, а затем извлеките шприц. Хирургическими ножницами разрежьте небольшой разрез в правом предсердии, чтобы кровь и перфузат могли стечь. Удерживайте сердце парой щипцов и осторожно введите иглу-бабочку 25 G в левый желудочек, вводя снизу. Удерживайте иглу-бабочку на месте с помощью зажима или рукой. Перфузируйте животное.Подсоедините шприц, содержащий 50 мл фосфатно-солевого буфера (PBS), к игле-бабочке и проведите перфузию со скоростью примерно 10 мл/мин. Ищите побледнение печени как признак правильной перфузии. После того, как шприц будет опорожнен, отсоедините его от иглы-бабочки. Для подготовки тканей к микроскопии замените пустой шприц PBS на шприц, содержащий 50 мл 10% нейтрального буферизованного формалина (NBF) или 4% раствор формальдегида. Повторите вышеописанные действия для перфузии формалином.ПРИМЕЧАНИЕ: Следует следить за тем, как перфузионная мышь подергивается во время перфузии; Это должно привести к полной жесткости тела или ригидности после завершения процедуры. Извлеките иглу-бабочку из сердца и извлеките мышь из решетки клетки для сбора тканей. Удалите и подразделите органы-мишени в соответствии с необходимостью; Будьте осторожны при выполнении процедур на льду при сборе свежих, незакрепленных материалов. Мгновенно заморозьте все незафиксированные ткани, которые были собраны в жидком азоте, и храните их при температуре -80 °C до тех пор, пока они не будут использованы в протоколах анализа белков или РНК-мишеней. Неподвижные ткани следует удалить в маркированную коническую пробирку объемом 50 мл, заполненную формалином (по одной пробирке на орган).

Representative Results

При исследовании результатов эксперимента на мышах после воздействия взрывных сил, запись и характеристика события с помощью анализа зависимости давления от времени имеет решающее значение для оценки успеха эксперимента. Этот метод, который включает в себя измерение динамических изменений давления во время взрыва, помогает исследователям понять влияние взрывов на биологические системы. В успешных экспериментах записи давления демонстрируют четко определенную и контролируемую волновую картину. Повышение давления происходит резко, достигая пиковых значений в течение ожидаемого времени (Рисунок 2). Последующее снижение давления следует предсказуемой кривой, примером которой является форма волны Фридлендера, указывающая на эффективное рассеивание энергии. Что касается оценки травмы, то в экспериментах с LLB не наблюдаются явные признаки травмы, даже при проведении интенсивно повторяющегося воздействия LLB, при этом в течение 15-20 минут происходит до шести взрывов (Рисунок 3). Тем не менее, анализ времени коррекции после повторного воздействия LLB показывает, что взрывные мыши возвращаются в сознание быстрее, чем фиктивные мыши (рис. 4). Таким образом, повторяющийся LLB приводит к воспроизводимым изменениям острых нейроповеденческих реакций возбуждения после воздействия. Неоптимальные эксперименты могут показать нерегулярные профили давления. Случаи, когда пиковое давление неожиданно снижается, могут указывать на преждевременное или медленное высвобождение газа, препятствуя резкому выбросу газа по всей длине приводной секции ударной трубы, чтобы столкнуться с животным в целевой зоне. Преждевременная потеря давления газа часто является результатом неправильной герметизации секций шуруповерта или золотника. Это может быть результатом дефектов мембраны или недостаточной затяжки узла драйвер-катушка-амортизатор. В таких случаях биологические образцы могут демонстрировать уменьшенные признаки травмы. Интерпретация данных включает в себя связь профилей давления-времени с наблюдаемыми биологическими реакциями. Успешные эксперименты показывают, что выбранные параметры взрыва, такие как пиковое давление и продолжительность, вызывают ожидаемые или установленные биологические реакции, которые исследуются. Корреляция между специфическими особенностями давления и биологическими последствиями помогает установить причинно-следственные связи. Этот протокол позволяет проводить лонгитюдные исследования благодаря отсутствию наблюдаемых потерь животных в течение 6 месяцев после окончательного LLB (Рисунок 5). Диапазон клинических исходов после воздействия LLB незначителен и плохо изучен. Повторное воздействие LLB исторически считалось субвредным как для людей, так и для мышей. Этому способствует быстрое возвращение к нормальному передвижению, поведению и физической активности после воздействия при давлении 2-5 фунтов на квадратный дюйм. Однако отсутствие подавляющих острых нейросенсорных симптомов или поведенческих изменений не исключает существования негативных коварных эффектов. Поскольку фенотипы, связанные с LLB, в лучшем случае незначительны, полный спектр эффектов является областью активного исследования и может потребовать значительного времени или повторения, чтобы спровоцировать клинически значимые результаты. Рисунок 1: Процедурные шаги для модели ударной трубки повторного мышиного LLB. После этапов подготовки шоковой трубки (этапы 1-10) и подготовки животных (этапы 11-18) мыши подвергаются воздействию одного или нескольких LLB (этапы 19-32), прежде чем их удаляют из трубки (этап 33). Затем мышей кладут на заднюю часть на подогретую грелку (шаг 34). Время, которое требуется животному для того, чтобы перевернуться на брюшную сторону, записывается как время выпрямления (шаг 35). Сокращение: LLB = Низкоинтенсивный взрыв. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. Рисунок 2: Репрезентативные кривые зависимости давления от времени для воздействия около 4 фунтов на квадратный дюйм. (A) Стеки присадок обеспечивают линейное пиковое давление в диапазоне 2-4,5 фунтов на квадратный дюйм. Репрезентативные профили зависимости давления от времени (миллисекунды) усреднены по результатам 3-6 взрывов ударной трубы (красный) по сравнению с идеализированными кривыми Фридлендера (синий) для (B) 1 листа, (C) 2 листов, (D) 3 листов и (E) 4 листов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. Рисунок 3: Межсубъектный интервал. На постановку и выполнение одного взрыва требуется в среднем 9,8 ± 1,9 мин (среднее значение ± стандартная погрешность от среднего значения (sem)). Дополнительные взрывные воздействия требуют дополнительных 1,7 ± 0,4 мин на событие (в среднем ± сем). Точки представляют результаты работы отдельных животных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. Рисунок 4: Ежедневное время коррекции в течение 3 недель при интенсивно повторяющемся воздействии LLB. На графике представлено фиктивно нормализованное время коррекции в течение 3 недель воздействия LLB. Мыши LLB подвергались 6 ежедневным взрывным воздействиям, в общей сложности 90 воздействий LLB в течение 15 дней. Средние характеристики избыточного давления составляли (± сэм) 3,05 ± 0,07 пика фунта на квадратный дюйм, 0,94 ± 0,04 положительной фазы и 2 ± 0,1 фунта на квадратный дюйм * мс. p-значения отражают результаты 2-way ANOVA. Сокращение: LLB = Низкоинтенсивный взрыв. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры. Рисунок 5: Влияние лабораторной ударной трубки LLB на отсев животных после многократного воздействия LLB. Коэффициенты отсева фиктивных (N = 24) и LLB мышей (N = 32) от первого воздействия LLB (день 1) через все исследования (конец 19-го дня) и после 6-месячного периода восстановления (день 199). Существенной разницы между коэффициентами отсева фиктивных и LLB-групп за наблюдаемый период не выявлено. Мыши LLB испытали в среднем 62 воздействия в среднем 4,78 ± 0,01 пикового фунта на квадратный дюйм и 3,16 ± 0,023 фунта на квадратный дюйм. Воздействие проводилось у мышей 5 дней в неделю (т.е. с понедельника по пятницу) в течение 3 недель подряд для моделирования недавно зарегистрированных воздействий избыточного давления SOF во время рутинной тренировки по нарушению45. Сокращение: LLB = Низкоинтенсивный взрыв; ССО = Силы специальных операций. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Discussion

Мы не можем адекватно лечить то, что мы недостаточно понимаем, и мы еще не понимаем механизмы травмирования, связанные с высокоповторяющимся воздействием LLB. Многие сотрудники ССО сообщают о развитии нарушений, связанных со здоровьем, которые, как считается, связаны с часто повторяющимся воздействием LLB в течение пяти-десяти лет службы 50,51. У некоторых сотрудников ССО развиваются острые черепно-мозговые травмы (ЧМТ) нейрокогнитивные эффекты сразупосле контакта с LLB. Кроме того, клиницисты сообщают, что симптомы, возникающие в результате воздействия взрыва, часто не поддаются традиционному лечению, что может вынудить ССО и клиницистов искать альтернативные методы лечения52,53. Несмотря на частое воздействие ССОС на LLB и механизмы избыточного давления45, тяжесть и резистентность к лечению возникающих симптомов, а также документально подтвержденный характер рубцевания астроглии, связанного совзрывом51, долгосрочные последствия для здоровья остаются относительно неизвестными. Клиницисты и военное руководство полагаются на исследования по моделированию, чтобы раскрыть механизмы травм и патофизиологию. Эти модели имеют решающее значение для разработки политики и стратегий по выявлению, прерыванию, профилактике и лечению патологического процесса на ранней стадии.

Важно отметить, что мышиное моделирование распространенных военных воздействий LLB, как ожидается, послужит основой для моделей прогнозирования здоровья. Клиническая практика выиграет от прогностических моделей LLB, которые определяют, кто может подвергаться наибольшему риску развития патологии, связанной с бластом, какие свойства бласта провоцируют наиболее серьезные исходы и как может развиваться процесс заболевания в зависимости от хроничности, дозировки или специфичности воздействия бласта. Таким образом, моделирование повторяющегося воздействия LLB имеет важное значение для разработки гипотез и прогнозов о том, как воздействие повлияет на состояние здоровья ССО и других военнослужащих. Модели прогнозирования и механизма травматизма будут использоваться для диагностики и лечения, а также для принятия решений о возвращении в строй на основе симптомов и воздействия.

В последние годы в изучении бласт-индуцированной ЧМТ (ЧМТ) у мышей были достигнуты значительные успехи, особенно с разработкой моделей, которые предсказывают исходы после хронической повторяющейся легкой ЧМТ у людей54,55. В то время как изучение воздействия взрывной волны на средних и высоких уровнях с использованием ударных трубок хорошо разработано с сотнями статей, индексированных в PubMed 46,56,57,58, использование ударных трубок в исследованиях взрывов вблизи обычных военных учений при избыточном давлении (пиковое давление <6 фунтов на квадратный дюйм40) менее развито, с менее чем десятью статьями, выявленными в недавнем поиске PubMed 19,20. 22,23,26,27,28. Чтобы облегчить развитие этой малоизученной области, представленная модель фокусируется на ключевых соображениях для постоянного избыточного давления LLB у мышей, восстановления после взрыва и мониторинга, отмечая при этом несколько явных преимуществ этой модели по сравнению с использованием взрывчатых веществ открытого грунта. Действительно, мы утверждаем, что описанная лабораторная модель LLB может позволить разработать прогностические модели клинических исходов после хронического повторяющегося LLB.

Модель LLB имеет критические преимущества по сравнению с моделями взрывного взрыва в открытом поле, особенно с точки зрения благополучия животных. Модели открытого грунта могут привести к 3-8% смертности25,36, в то время как эта лабораторная модель LLB не показывает потерь. Это различие имеет решающее значение, особенно при моделировании высоких кумулятивных облучений, типичных для военной подготовки, где практически никто из обучаемых не испытывает смертельных исходов от воздействия LLB. Очевидное отсутствие апноэ или других причин смерти, таких как смертельная травма легких, обеспечивает надежность и согласованность модели, позиционируя ее как предпочтительный выбор для исследований клинически значимых эффектов повторяющихся LLB.

Этот протокол специфичен для амортизатора с «открытым концом» с трехсекционной конструкцией, состоящей из драйвера, катушки и ведомых секций. Высокоповторяющиеся LLB могут быть достижимы с помощью других конструкций ударных труб с соответствующими изменениями протокола. Конструкции ударных трубок с открытым концом часто используются для исследования нейротравм, вызванных взрывом 46,47,48. Ударная трубка с открытым концом позволяет генерируемой ударной волне свободно распространяться вниз по длине трубки, где она сталкивается со своей целью (например, животным), прежде чем покинуть противоположный конец трубки. Такая конструкция облегчает воспроизведение и изучение относительно чистых первичных избыточных давлений взрыва, приближенных к свойствам взрывных газов, происходящих в открытом поле48. В результате точность эмпирически измеренной волны избыточного давления взрыва сравнивается с идеализированной волной Фридлендера; Это позволяет оценить производительность трубки для создания конкретного события избыточного давления. Для моделирования воздействия LLB мы используем ранее описанную48 специально изготовленных взрывных трубок с открытым концом, первоначально разработанных для воспроизведения эффектов детонации HLB более 200+ фунтов тринитротолуола (тротила) на расстоянии ~25 футов. Чтобы обеспечить высокое пиковое избыточное давление, газ подается под давлением в драйвер, который отделяется от золотника мембраной, герметизируя газ в драйвере. Шпуля, в свою очередь, также отделена от открытого участка другой мембраной. Эта вторая мембрана позволяет отдельно нагнетать давление в золотнике. Двухкамерная система позволяет нагнетать газы в драйвере выше нормальной точки разрыва мембраны. Это происходит потому, что золотник под давлением действует как буфер, поддерживая мембрану на стыке драйвера и катушки, тем самым предотвращая ее разрыв. Когда оператор ударной трубки хочет создать ударную волну при целевом давлении, электронный клапан выпускает газ из катушки, быстро снижая давление в катушке и позволяя газу под избыточным давлением в секции привода разорвать мембраны привода и катушки и быстро распространиться вниз по длине трубки там, где он сталкивается с животным в целевой зоне. Ключевым изменением, позволяющим исследовать LLB в высокопроизводительных трубках такой конструкции, является то, что мы блокируем драйвер и используем золотник только в сочетании с низкопороговыми мембранами.

Чтобы обеспечить надежность и воспроизводимость экспериментов с LLB, во время настройки необходимо предпринять определенные действия. Очень важно плотно закрепить руки и ноги на запястьях и лодыжках. Это сводит к минимуму вариативность движений тела и воздействие взрывной волны, а также предотвращает непреднамеренные травмы, которые могут исказить результаты. Кроме того, вращение запястий и лодыжек внутрь помогает направить движение придатков к средней линии животного, снижая риск дистальных травм, которые могут повлиять на последующую оценку двигательных функций. Выпрямление головы и искривление позвоночника является еще одним важным фактором в обеспечении равномерного воздействия взрывной волны на всех объектах, поскольку это помогает уменьшить потенциальную разницу в диапазоне движений. Увеличение процентного содержания изофлурана, используемого для анестезии, рекомендуется для протоколов, охватывающих несколько дней или недель. Эта корректировка помогает поддерживать постоянную глубину анестезии на протяжении всей длительной продолжительности эксперимента. По нашему опыту, увеличение до 0,5% изофлурана достаточно для поддержания адекватной анестезии.

Тем не менее, доставка анестезии через носовой конус может быть невозможна для всех конструкций струйных трубок, особенно для тех, которые имеют полные корпуса, которые не позволяют вставлять трубку в управляемую секцию. В таких случаях инъекционные анестетики могут быть предпочтительнее. Мы рекомендуем определить, сколько времени требуется для проведения повторных последовательных взрывов, а затем ввести достаточное количество анестетика для поддержания бессознательного состояния на протяжении всей процедуры. Во время разработки этого модифицированного метода могут потребоваться дополнительные проверки благополучия животных для обеспечения надлежащего поддержания анестезии. Кроме того, использование инъекционных препаратов может сделать невозможным мониторинг постострой реакции, такой как сбор данных о времени коррекции.

Этические соображения имеют первостепенное значение в исследованиях на животных, и эта лабораторная модель LLB включает в себя комплексные протоколы восстановления и мониторинга после взрыва. Под пристальным наблюдением наблюдаются гуманные конечные точки после воздействия взрывной волны, включая затрудненное дыхание, неспособность встать на ноги, неамбулаторное состояние после 2-часового периода наблюдения, судорожные движения, неловкие движения, ухудшение зрения, а также признаки внутреннего кровотечения или переломов конечностей. Примечательно, что бластные мыши LLB не продемонстрировали ни одного из этих условий в наших экспериментах. Тем не менее, во время ГЛБ могут произойти переломы конечностей, часто из-за ошибки оператора. Снижение этого риска включает в себя вращение рук и ног по направлению к средней линии животного во время крепления каталки. Этот метод предотвращает сметание придатков назад взрывным ветром и перелом связанных с ними костей.

Преимущества этой повторяющейся модели LLB выходят за рамки этических соображений и распространяются на практические и методологические аспекты. Его лабораторная конструкция устраняет необходимость в обращении со взрывчатыми веществами, тем самым повышая безопасность и доступность. Модель обладает высокой воспроизводимостью и возможностями настройки, что позволяет исследователям влиять на параметры воздействия за счет использования различных типов газа, настроек устройства и прочности мембраны. Гелий, который выбран здесь из-за его способности воспроизводить кинетику взрывав открытом поле49, может обеспечить надежную базовую линию 47,59,60. Корректировка пикового давления достигается эмпирическим путем изменения толщины или прочности удерживающей мембраны, что позволяет точно настроить ее в соответствии с конкретными экспериментальными требованиями. Наконец, модель LLB исключает влияние сезонных или погодных колебаний на данные, воздействие на животных и другие экспериментальные факторы. Такая стабильность обеспечивает устойчивые и надежные результаты, что делает эту повторяющуюся модель LLB бесценным инструментом для длительных и часто повторяющихся взрывных исследований.

Понимание нейротравмы, связанной с взрывом, требует выяснения механизмов травмы, показателей интенсивности взрыва и пороговых значений. Тем не менее, механизмы повреждения головного мозга человека в сценариях взрывов связаны с неопределенностью. Ранее предложенные критерии травмирования человека в результате воздействия взрывной волны основывались на исследованиях на животных, однако прямое применение этих исследований к людям затруднено из-за неполных критериев масштабирования по видам61. Исключение составляет шкалирование повреждения легких на основе массы тела животного, учитывая наличие принятых критериев62,63. Однако предложенные законы масштабирования для эффектов мозга, основанные на теле64,65 или массе мозга66, упускают из виду известные и неизвестные анатомические различия, особенно в отношении защитных структур внутри и вокруг мозга. Массовое масштабирование предсказывает более высокие риски травм у более мелких видов, что противоречит исследованиям как на птицах 67,68,69, так и на людях70. Таким образом, разработка точных законов масштабирования требует эмпирического понимания взаимосвязи между интенсивностью внешних взрывных событий и внутренними эффектами мозга у разных видов. В случае с LLB очень мало известно об однократном или хроническом воздействии на животных моделях или людях. В результате, эмпирические исследования, необходимые для разработки будущих законов масштабирования в диапазоне интенсивностей LLB, могут быть катализированы нашим методом.

Таким образом, эта лабораторная модель ударной трубки представляет собой значительный прогресс в изучении хронических эффектов воздействия LLB на мышей. Благодаря включению процедур моделирования постоянного избыточного давления, приоритизации восстановления и мониторинга после взрыва, а также выявлению явных преимуществ по сравнению с альтернативными моделями, эта лабораторная модель LLB может обеспечить надежный и этичный выбор для углубления нашего понимания травм, связанных с хроническим воздействием LLB.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

JSM получила финансирование от Управления биомедицинских лабораторных исследований и разработок Министерства по делам ветеранов США (VA) (JSM, I01BX004896) и Северо-западного исследовательского образовательного и клинического центра психических заболеваний Департамента по делам ветеранов, уполномоченного Конгрессом по делам ветеранов, занимающегося расследованием взрывной черепно-мозговой травмы и сопутствующего посттравматического стресса. JSM сообщает о несвязанном финансировании от Программы трансляционных исследований в области черепно-мозговой травмы и психологического здоровья на 22 финансовый год (W81XWH-22-TBIPHRPTRA, номер HT94252310755). Авторы благодарят Эндрю Шутс-Дэвида за его редакторскую помощь.

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