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

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

Farelerde Yüksek Derecede Tekrarlayan Düşük Seviyeli Patlama Maruziyetinin Modellenmesi

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

Burada, fareler kullanılarak tekrarlanan düşük yoğunluklu patlama maruziyetleri üretmek için yöntemler sunulmaktadır.

Abstract

Patlayıcı patlamalara maruz kalmak, maruz kalan kişiler arasında beyin travması için önemli bir risk faktörüdür. Büyük patlamaların beyin üzerindeki etkileri iyi anlaşılmış olsa da, askeri eğitim sırasında meydana gelenler gibi daha küçük patlamaların etkileri daha az anlaşılmıştır. Bu küçük, düşük seviyeli patlamaya maruz kalma, askeri işgal ve eğitim temposuna göre de büyük ölçüde değişir, bazı birimler birkaç yıl boyunca az sayıda maruz kalma yaşarken, diğerleri birkaç hafta içinde yüzlerce maruz kalma yaşar. Hayvan modelleri, düşük seviyeli patlama maruziyetini takiben hem yaralanma mekanizmalarını hem de uzun vadeli klinik sağlık risklerini belirlemede önemli bir araçtır. Bu geniş maruziyet aralığını özetleyebilen modeller, bu farklı risk profillerinde akut ve kronik yaralanma sonuçlarını bilgilendirmek için gereklidir.

Birkaç düşük seviyeli patlama maruziyetini takip eden sonuçlar mekanik çalışma için kolayca modellense de, bir kariyer boyunca meydana gelen kronik maruziyetler, haftalar ve aylar boyunca sıklıkla meydana gelen tekrarlanan maruziyetlerle patlama yaralanması paradigmaları tarafından daha iyi modellenebilir. Burada, farelerde yüksek derecede tekrarlayan düşük seviyeli patlama maruziyetini modellemek için yöntemler gösterilmiştir. Prosedürler, aşırı basınç parametrelerini ve maruziyetlerin sayısını veya aralığını ayarlamak için ölçeklendirilebilen, açık alan patlama maruziyetinin yerleşik ve yaygın olarak kullanılan pnömatik şok tüpü modellerine dayanmaktadır. Bu yöntemler daha sonra mekanik araştırmaları mümkün kılmak veya incelenen klinik grupların rutin patlama maruziyetlerini özetlemek için kullanılabilir.

Introduction

Düşük seviyeli patlamaya (LLB) maruz kalma, bireyler veya yapılar tipik olarak küçük endüstriyel kazalardan, kontrollü yıkımlardan veya belirli askeri eğitim faaliyetlerinden kaynaklanan nispeten düşük büyüklükte patlayıcı kuvvete maruz kaldığında meydana gelir. Buna karşılık, yüksek seviyeli patlamaya (HLB) maruz kalma, askeri muharebede, terörist saldırılarda veya büyük ölçekli kazara patlamalarda yaygın olarak karşılaşılan yoğun ve potansiyel olarak yıkıcı büyüklüklerde patlayıcı kuvvete maruz kalmayı gerektirir. Bu nedenle, LLB ve HLB arasındaki temel ayrım, patlayıcı olayların yoğunluğunda ve buna bağlı olarak, maruz kalan kişilerin fiziksel veya fonksiyonel yaralanma yaşamadan önce tekrarlanan maruziyetleri tolere etme yeteneğinde yatmaktadır. Bu bağlamda, HLB maruziyetinin etkileri, LLB maruziyetinin etkilerinden daha belirgin olma eğilimindedir. Bu nedenle, önemli LLB maruziyeti olan kişiler, kümülatif etkileri fark edilebilir hale gelene kadar tespit edilemeyen yavaş gelişen yaralanmalar veya eksiklikler için yüksek risk altında olabilir.

Devam eden araştırmalar, patlamaya maruz kalmanın yoğunluk veya tekrarlama gibi özelliklerinin yaralanmaya nasıl neden olabileceğine dair anlayışımızı geliştirmeyi amaçlamaktadır, böylece önleme ve tıbbi yönetimi daha iyi yönlendirebiliriz. Askeri tıpta, patlamaya maruz kalmanın klinik etkilerini anlamak büyük önem taşır ve sonuç olarak, bu sonuçları bildirebilecek hayvan modellerine ihtiyaç vardır. Hayvan modelleri HLB’nin etkilerini aydınlatmaya yardımcı olsa da, LLB maruziyetlerinin etkileri büyük ölçüde yeterince çalışılmamıştır. Çok sayıda modelleme çalışması, inç kare başına 10 pound (psi) tepe basıncına yakın veya üzerindeki patlama aşırı basınçlarının etkilerini inceler 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18, ancak az sayıda rapor 1 ila 7 psi arasında değişen basınç seviyelerine odaklanmaktadır 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31, 32,33,34,35,36, askeri eğitim ortamlarında daha yaygın olan 37,38,39,40 ve güvenli çevresel maruziyet için 4 psi’lik tarihsel eşiğin yakınına düşer. Bu nedenle, LLB’nin sık kullanılan tepe basınçlarının incelenmesi için yöntemlerin daha geniş bir şekilde yaygınlaştırılması, askeri tıbba ve kuvvet optimizasyonuna uygulama için hızlı klinik içgörüleri katalize etmeye yardımcı olabilir.

LLB’nin mesleki riski ile çeşitli klinik tanılar arasında önemli bir ilişki, askeri LLB41,42,43,44’ün epidemiyolojik araştırmalarından ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmalar, kötü tanımlanmış doza bağlı bir ilişkiyi desteklemektedir ve tekrarlayan LLB maruziyetleri yüksek riskleri göstermektedir41. Bu, artan kümülatif patlama maruziyetinin askeri ortamlarda klinik sonuçların şekillenmesinde çok önemli bir rol oynadığını göstermektedir.

10 psi’nin altındaki LLB’nin önceki hayvan modelleme çalışmaları, maruziyetin etkilerini araştırmak için öncelikle patlayıcılar veya şok tüpü sistemleri kullanmıştır. Bu modeller tipik olarak bir ila üç maruziyetin etkilerini incelese de, yine de mekanik 19,20,30,31, nöropatolojik 29,31,33 ve davranışsal sonuçların 19,20,23,25,32,34 , askeri eğitim ortamına özgü düşük yoğunluklu patlama maruziyetleri ile ilişkili.

Açık alan patlayıcıları tarafından üretilen tek LLB’leri inceleyen çalışmalar, travma sonrası stresle sıklıkla ilişkili ince beyin patolojileri ve davranış değişikliklerine dair kanıtlar bildirmiştir. Woods ve meslektaşları24, 2.5-5.5 psi’de mikroskobik beyin hasarını tespit edemediler, ancak kütle spektrometresi ile beyin dokusu glikosfingolipidlerindeki kantitatif değişiklikleri tespit ettiler. Aynı tepe basınçlarını ve deneysel tasarımı kullanarak, Rubovitch ve meslektaşları25, ışık mikroskobu ile ölçüldüğünde benzer bir beyin patolojisi eksikliği ile meydana gelen patlamaları takiben davranış değişiklikleri gözlemlediler. Bununla birlikte, daha sonraki patolojik araştırmada,6.7 psi LLB’ye maruz kalan farelerde elektron mikroskobu 29,30,31,32,33 ile beyin miyelini, mitokondri, nöronlar ve nörovaskülatürde kesin ultrastrüktürel hasar tanımlandı. İlginç bir şekilde, ~ 10 psi ve daha az basınçlı açık alan patlayıcıları kullanan birkaç LLB çalışması, tek bir maruziyetten sonra yaklaşık% 3-8 mortalite bildirmektedir25,36.

Benzer sonuçlar daha önce laboratuvar şok tüpleri kullanılarak yapılan birkaç çalışma ile not edilmiştir. Şok tüpleri tarafından üretilen tek LLB’leri inceleyen çalışmalarda, nöral hücre iskeleti hasarı ve tek bir 1.7 psi patlamaya maruz kaldıktan sonra gelişen nöronal ateşleme modellerindeki değişikliklere dair kanıtlar bulunmuştur22. 4 psi’de, LLB’ye maruz kalan sıçanlarda korpus kallozum disfonksiyonunun nörodavranışsal eksikliklere eşlik ettiği bildirilmiştir23. Havada ölçülen patlama süresiyle karşılaştırıldığında, Chavko ve meslektaşları27 , patlama aşırı basıncının pozitif faz süresinin, 5.8 psi’ye maruz kalan sıçanların beyinlerinde önemli ölçüde daha uzun olduğunu buldular. Benzer yaralanma tepkilerinin biyoimzaları, 7.5 psi maruziyetini takiben farelerde, Ahmed ve meslektaşlarının35 maruziyetten bir ay sonrasına kadar spesifik inflamatuar, metabolik, vasküler ve nöral yaralanma proteinlerinin serum seviyelerinde saptanabilir değişiklikler bildirdiği bir çalışma ile desteklenebilir. İlginç bir şekilde, bu çalışma aynı zamanda maruziyetten 24 saat sonra% 4,5 mortalite bildirmiştir.

Tek bir 20 dakikalık maruz kalma seansında üç şok tüpü LLB’yi inceleyen çalışmalarda, 1.4 ile 8.7 psi arasındaki LLB’ler, sıçanlarda intrakraniyal basınçta (ICP) psi’ye bağlı artışlara neden oldu, gözlemlenebilir ICP değişiklikleri daha düşük psi20 için daha uzun sürdü ve bilişsel değişikliklere neden oldu19,20. Domuzları kullanarak, aynı grup, çeşitli askeri teçhizattan üç adet 4 psi LLB maruziyetinin, hayvanlar ekipmanın21 insan kullanımını simüle eden topçu pozisyonlarına yerleştirildiğinde histolojik nöropatolojiye neden olmak için yeterli olduğunu belirledi.

Bu çalışmalar, sınırlı maruziyet ve iyileşme süreleri koşulları altında ortaya çıkabilecek LLB maruziyetinin çeşitli etkilerini toplu olarak göstermektedir. Tekrarlayan LLB maruziyeti, kalıcı bilişsel ve davranışsal eksikliklere neden oluyor gibi görünmektedir ve bu etkilerin klinik olarak ne zaman anlamlı hale gelebileceğini daha iyi belirleyebilmemiz için kümülatif etkilerin incelikli bir şekilde anlaşılmasına duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır; bu, özellikle yüksek düzeyde tekrarlayan LLB’ye maruz kalan askeri kursiyerler için geçerlidir. Bunu başarmak için, mevcut literatür, birkaç gün boyunca bir ila birkaç patlamayı aşan rutin askeri eğitim maruziyetlerinin klinik deneyimlerini yeterince modellemediğinden, yeni çalışmalara ihtiyaç vardır.

Özel Harekat Kuvvetleri (SOF), rutin maruziyetler sırasında önemli ve oldukça tekrarlayan LLB’ye dayanabilir. Yakın zamanda yapılan bir araştırma, patlayıcı bir giriş ihlali ekibindeki tüm pozisyonlarda anonimleştirilen temsili maruziyetin, bir eğitim haftası boyunca 184 kümülatif tepe psi kadar yüksek olduğunu tahmin ediyor42. Bu, kısmen, personele monte edilmiş patlama göstergeleri tarafından ölçüldüğü üzere, her biri ortalama 6 psi tepe basıncına sahip, günde kullanılan 4 ihlal ücretinin muhafazakar bir tahminine dayanmaktadır; Flashbang’leri ve diğer cihazları hesaba katmaz45. Rutin bir eğitim döngüsü birkaç hafta sürebilir. SOF üyelerinin eğitimi gibi klinik LLB deneyimlerinin incelenmesini kolaylaştırmak için, yüksek derecede tekrarlayan LLB maruziyetinin bir laboratuvar şok tüpü modelini sunuyoruz. Yerleşik pnömatik şok tüpü sistemlerine(46,47,48) dayanan yöntem, 2 psi ve daha yüksek basınçların yüksek oranda tekrarlanabilir araştırmalarına izin verir. Prosedür hava durumu gibi dış faktörlere bağlı değildir, gözlenen mortalite ile sonuçlanmaz ve laboratuvar tabanlıdır. Sonuç olarak, yöntem, haftalar ila aylar süren çalışmalar için aynı deneklerde sürekli, günlük tekrarlayan LLB maruziyetlerini mümkün kılar ve askeri eğitimin yüksek kaliteli araştırmasını kolaylaştırır.

Protocol

Tüm prosedürler, Gazi İşleri Puget Sound Sağlık Bakım Sistemi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi tarafından onaylanan protokol #1588223 kapsamında ve Ulusal Sağlık Enstitüleri Laboratuvar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı Rehberine uygun olarak gerçekleştirildi. 1. Hayvan bakımı NOT: LLB’nin hayvan modelleri, yalnızca kullanılabilirlikleri ve şok tüpünün boyutlarını karşılama kapasitesi ile sınırlıdır. Burada açıklanan şok tüpü, farelerle kullanım için özel olarak tasarlanmıştır. Deneysel ihtiyaçlara uygun olarak 3-4 aylık erkek veya dişi C57BL/6J fareleri veya diğer onaylanmış fare suşlarını/çizgilerini kullanın. Fareleri, yiyecek ve suya ad libitum erişimi olan belirli patojen içermeyen tesislerde 12 saatlik bir karanlık ışık döngüsünde tutun. Fareler tipik olarak bir kafeste 4 veya 5 ile sosyal olarak barındırılır. Tesis sıcaklıklarını 20-22 °C’de tutun. Patlama ve sahte fareler içeren kafesleri yakındaki bir bekleme alanına getirin. Tek tek fareleri kumlama odasına ve kumlama odasından aktarmak için ayrı boş kafesler getirin. 2. Şok tüpü hazırlığı (Güvenlik kontrolü) Belirli bir sistem için gerekli güvenlik kontrollerinin tamamlandığını onaylayın. Gaz beslemesinin (helyum) ve ana gücün kapalı/bağlantısının kesilmiş olduğundan emin olun. Gerçekleştirilecek belirli sayıda düşük yoğunluklu patlama için membranları gerektiği gibi hazırlayın (Şekil 1.1). Bu protokolde kullanılan özel şok tüpü için gerektiği gibi kesin membran boyutları:Makarayı kapatmak için bir yaprak plastik streç filmi 5.5″ x 5.5″ kareye kesin ve basınç oluşmasına izin verin. Standart 8,5″ x 11″ fotokopi kağıdından (75 g/m2 ağırlık) 5,5″ x 11″ olacak şekilde bir sayfa kesin; Elde edilen kağıdı 5,5″ x 5,5″ kare oluşturacak şekilde ikiye katlayın. Bir adet 500 G mylar membran (125 μm kalınlık) tabakası elde edin.NOT: Bu levhalar, standart düşük yoğunluklu kumlama ile yırtılmaz veya önemli ölçüde deforme olmaz ve bir günlük prosedür süresince yeniden kullanılabilir. Bir kare streç film ve bir kare katlanmış kağıt alın ve düz bir yüzeye koyun (Şekil 1.2). Katlanmış kağıdı streç filmin üzerine yerleştirin ve ikisini mümkün olan en iyi şekilde birbiriyle hizalayın (Şekil 1.3). Tekrarlayan patlamaları hızlandırmak için tüm membran yığınlarını şimdi düzenleyin. Mylar membranı sürücü ile makara arasına küçük bir tüpe yuvarlayarak yerleştirin (yaklaşık olarak birinin işaret parmağı kadar büyük; Şekil 1.4,1.5). Tamamen mekanizmaya yerleştirin ve sürücü bölümünü makaradan ayıran lastik contaya karşı açılmasına izin vermek için bırakın. Mylar tabakasını yerine sabitlemek için makarayı sürücüye doğru itin; Bu, makarayı şok tüpünün sürülen bölümünden çıkaracaktır. Parmaklarınızı streç filmin üst yarısının altına yerleştirin ve hem streç filmi hem de kağıdı dikkatlice kendinize doğru yuvarlayın, yanlış hizalanmadan birlikte sarılmalarını sağlayın (Şekil 1.6). Membran yığınını makara ile şok tüpünün tahrik edilen bölümleri arasına yerleştirin (Şekil 1.7). Membran yığınının, plastik conta makaraya ve kağıt borunun sürülen bölümüne bakacak şekilde açılmasına izin verin (Şekil 1.8).NOT: Bu yönlendirme, sistemin basınçlandırılabilmesi için hava geçirmez bir conta oluşturacaktır. Makara tertibatını kapatın (Şekil 1.9,1.10). Uygun şekilde, cıvataları elle veya hidrolik olarak sıkın, sürücüye sabitleme makarası-şok borusu tertibatını sistemin basınçlandırılabilmesi için sabitleyin. (Güvenlik kontrolü; Şekil 1.10)NOT: Hidrolik sistemler için, membranın değiştirilmesini gerektirebilecek ve LLB’ye maruz kalma sürecini yavaşlatabilecek teklemeleri önlemek için kapatma tertibatının hedef basıncına ulaşıldığından emin olun. Montajımızı 500 psi’de kapatmak için hidrolik kullanıyoruz. 3. Hayvan hazırlama Sıcaklık 37 °C’ye ayarlanmış durumda, anestezi odasının altında dolaşan su ısıtma yastığını açın (Şekil 1.11). Isı yastığının üzerine emici bir tıbbi ped yerleştirin. Bekleme odasında, bir fareyi ev kafesinden çıkarın ve boş bir transfer kafesine yerleştirin. Kafesteki fareyi patlama odasına getir. Oksijen akış hızını 1.0 L/dk’ya (lpm) çevirin ve vakumlu temizleme sistemini açın (Şekil 1.12). İzofluranı %5’e getirin (hızlı bilinç kaybına neden olmak için) ve akışı kemirgen anestezi odasına yönlendirin (Şekil 1.13). Anesteziyi indüklemek için fareyi odaya yerleştirin (Şekil 1.14). Fare tamamen uyuşturulduktan ve 30 saniye daha stabil solunum gösterdikten sonra, odaya uzanın ve çalışmanın geri kalanı boyunca farenin kesin olarak uzun vadeli tanımlanması için fareyi yumruklayın. Patlamadan sonra iyileşme sürelerine müdahale etmekten kaçınmak için bu adımı şimdi yapmak gerekir. Ardından, kornea kurumasını önlemek için her iki göze de steril oftalmik kayganlaştırıcı uygulayın. Fareyi hazneden çıkarın ve burnunu nosekonun içine yerleştirin (Şekil 1.15). Anestezi akışını değiştirin (ör., izofluran) indüksiyon odasından burun konisine. Farenin uzuvlarını sedyeye karşı hafifçe tutmak için küçük laboratuvar bandı parçaları kullanın (Şekil 1.16). Fareyi dizginledikten sonra, her bir uzvun etrafına bir tel büküm bağı yerleştirin ve fareyi bilek ve ayak bileklerindeki sedyeye sabitleyerek sıkıca bükün (Şekil 1.17). Göğsün etrafına daha büyük bir büküm bağı yerleştirin ve farenin nefes alması kısıtlanmayacak şekilde çok gevşek bir şekilde bağlayın. Bu, uzuv kısıtlamalarından herhangi birinin gevşemesi durumunda ikincil bir kısıtlama mekanizması görevi görecektir. Sedye şok tüpüne yerleştirildiğinde sıkışmamasını sağlamak için farenin kuyruğunu kaldırın ve sol ayağın altına yerleştirin (Şekil 1.18). 4. LLB prosedürü Şok tüpünün hayvan maruziyeti bölümünü açın ve fareyi yaklaşmakta olan patlama dalgasına bakacak şekilde yönlendirin (Şekil 1.19). Sedyeyi hayvan maruziyeti bölümünde emniyete alın/askıya alın (Şekil 1.20). Hayvan maruziyet bölümü için kapıyı sıkıca kapatın ve anestezik akış tüpünün kapı tarafından sıkışmadığından emin olun (Şekil 1.21). Seansın geri kalanında anesteziyi% 2.5-3 izofluran, 1 lpm’ye düşürün. Sisteme uygun şekilde güç verin (Şekil 1.22). Sıkıştırılmış helyum gazı için besleme hattını bulun ve bağlayın (Şekil 1.23,1.24). Bitişikteki bir odada bulunan kumlama borusu kontrol konsoluna erişmek için kumlama odasını terk edin ve kumlama odasında personel veya hayvan kalmadığından emin olun.NOT: İşitme koruması, kurum tarafından veya operasyonel koşullar nedeniyle gerekli olabilir. Bu tür koşullar, kontrol konsolunun şok tüpü ile aynı açık alana yerleştirildiği şok tüpü düzenlemelerini içerebilir. Konsoldan, patlama olayını kaydetmek için alım yazılımını açın (Şekil 1.25’teki yeşil kutuya bakın).NOT: Bu prosedürler için, sensör verilerini 20 kilo hertz (kHz) örnekleme hızında toplarız ve bu veriler daha sonra LabView yazılımı kullanılarak işlenir. Basınç eğrilerine karşı yüksek kaliteli zaman elde etmek için ≥10 kHz’de sensör örneklemesi almanızı öneririz. Herhangi bir güvenlik kilidini devre dışı bırakın (örneğin, Şekil 1.26’da yeşil bir okla gösterilen güç kontrol tuşları). Her iki gaz deliğini de kapatın ve makaraya pasif olarak basınç uygulayın (Şekil 1.27). Sürücü tarafını kullanmayın. Kullanılan membran tabakalarının sayısına göre belirlenen hedef tepe psi’de membran kendi kendine yırtılana kadar doldurmaya devam edin. Hayvan konumundaki tepe basıncını, pozitif faz süresini ve darbeyi kaydedin. (Şekil 1.28). Doldurma mekanizmasını kapatın. Şok tüpüne geri dönün, helyum besleme hattının bağlantısını kesin ve püskürtme kontrol devresine giden güç kaynağını kapatın (Şekil 1.29). Aynı hayvan üzerinde tekrarlanan LLB maruziyetleri yapmak için, makarayı açın, makara zarı yığınını çıkarın ve ardından başka bir makara zarı yığınını yuvarlayın ve yerleştirin (Şekil 1.30, 1.31, 1.32). Membran yığınını düzleştirin ve düzeneği yeniden kapatın.NOT: Ampirik olarak tanımlanmış SOF eğitimi sırasında düşük seviyeli patlama maruziyetlerinin klinik deneyimini modellemek için, fareleri günde 5-6 LLB’ye maruz bırakıyoruz ve günlük maruziyetleri muhafazakar ~ 20 kümülatif toplam psi45 ile sınırlıyoruz. Mekanik ve doz-yanıt ilişkilerini vurgulayan çalışmalar, alternatif olarak, seans başına tanımlanmış aşırı basınç parametreleri ile tutarlı sayıda LLB maruziyeti kullanmayı seçebilir. Mevcut hayvan için son LLB’den sonra, anesteziyi açık bırakarak şok tüpünden çıkarın (Şekil 1.33). Anestezi altındayken hayvanı çözün. Anestezi burun konisinden çıkarın ve ısıtılmış su yastığının üzerine sırt üstü yerleştirin (Şekil 1.34). Hayvan su yastığına yerleştirildikten sonra, bir zamanlayıcı başlatın ve fare kendi başına ventral tarafına (yani midesine) dönene kadar geçen süreyi kaydedin (Şekil 1.35). Bu süreyi doğru zaman olarak kaydedin. Fare iyileştikten sonra, onu ev kafesine geri koyun ve gerektiğinde izlemeye devam edin. 5. Çok günlü prosedürler SOF Yakın Çeyrek Savaşı eğitimi sırasında kullanılan ihlal ücretlerinden kaynaklanan rutin LLB maruziyetlerini modellemek için, 5 standart çalışma haftası boyunca toplam 15 gün boyunca haftada 3 gün (Pazartesi’den Cuma’ya kadar) fareler üzerinde tekrarlanan günlük maruziyetler gerçekleştirin. 6. Tepe LLB basınçlarının değiştirilmesi Daha güçlü membran malzemeleri kullanarak veya sadece ek membranları istifleyerek tepe basıncını artırın. Örneğin, ~ 20 psi tepe basıncı üretmek için Mylar Roll Clear 0.005 (500 G) membran (hem sürücü hem de makara membranı olarak kullanıldığında) veya ~ 10 psi tepe basıncı üretmek için Mylar Roll Clear 0.002 (200 G) membran kullanın. Deneysel ihtiyaçları karşılamak için patlamanın pozitif faz süresi ve darbesi parametrelerini ayarlayın. Pozitif faz sürelerini ve darbeleri ayarlamak için, sıkıştırılmış gaz kaynaklarını47,49 değiştirerek veya mümkün olduğunda sürücü uzunluğunu değiştirerek hedef koşulları ampirik olarak belirleyin. Yukarıdaki protokol, idealize edilmiş bir Friedlander eğrisine benzer keskin bir tepe basıncı ve dalga formu oluşturmak için helyum kullanır. 7. Doku toplama NOT: Doku toplama uygulamaları deneysel ihtiyaçlara göre ayarlanabilir. Fareyi 210 mg / kg pentobarbital ile intraperitoneal enjeksiyon yoluyla uyuşturun. Fareyi çubuklu veya önceden yapılmış bir ağ ile bir fare veya sıçan kafesine yerleştirin; Kafesli fareyi bir çeker ocak içine yerleştirin. Fare yanıt vermediğinde, kafesin üstündeki çubukların üzerine sırt üstü koyun ve perfüzyon sırasında yerinde kalmasına yardımcı olmak için ağzını çubuklardan birinin etrafına kapatın. Midenin derisini tutun, yukarı doğru çekin ve karın boşluğunda bir delik açmak için büyük bir makas kullanın, organların hiçbirini kesmemeye dikkat edin. Göğüs kafesinin daha serbest eklemlenmesini sağlamak için kaburgaların tabanı boyunca daha fazla kesmeye devam edin. Bir kanama durdurucu kullanarak, fareye yandan yaklaşın ve dokuyu doğrudan göğüs kafesinin üstünden tutun, göğüs kafesinin tabanını kolay erişilebilir bir konumda açılı tutmak için kanama durdurucuyu geri yuvarlayın. Kanama durdurucuyu yerinde tutmak için bir çift forseps veya benzeri bir alet kullanın. Küçük bir çift cerrahi makas kullanarak, kalbe erişim sağlamak için diyaframı dikkatlice kesin. Kalbi, alt kısmı doğrudan göğüs kafesinin açık tabanından dışarı bakacak şekilde hafifçe açılandırmak için bir çift forseps kullanın. Hızlı çalışın, böylece perfüzyon sırasında kalp atmaya devam edecektir. Kan topluyorsanız, kalbi bir çift forseps ile tutun ve 0,5 “25 G iğne ile uçlu 3 mL’lik bir şırınga kullanarak sağ ventrikülü dikkatlice delin. Ventrikülün altından yerleştirin ve ventrikülün karşı tarafını delmemeye dikkat ederek uzunlamasına ilerleyin. 0.5-1.0 mL kan toplanana veya akış durana kadar şırıngayı yavaşça çekin ve ardından şırıngayı çıkarın. Kanın ve perfüzatın akmasını sağlamak için sağ atriyumda küçük bir kesi kesmek için bir çift cerrahi makas kullanın. Kalbi bir çift forseps ile tutun ve alttan sokarak sol ventriküle dikkatlice 25 G’lik bir kelebek iğne yerleştirin. Kelebek iğneyi bir tutma kelepçesi ile veya elle yerinde tutun. Hayvanı perfüze edin.50 mL fosfat tamponlu salin (PBS) içeren bir şırıngayı bir kelebek iğnesine bağlayın ve yaklaşık 10 mL / dak hızında perfüze edin. Uygun perfüzyonun bir işareti olarak karaciğerin ağarmasını arayın. Şırınga boşaltıldıktan sonra, kelebek iğnesinden ayırın. Mikroskopi için dokuların hazırlanması için, boş PBS şırıngasını 50 mL% 10 nötr tamponlu formalin (NBF) veya% 4 formaldehit çözeltisi içeren bir şırınga ile değiştirin. Formalin ile perfüze etmek için yukarıdaki adımları tekrarlayın.NOT: Perfüze farenin perfüzyon sırasında seğirdiği gözlemlenmelidir; Bu, prosedür tamamlandıktan sonra tüm vücut titizliği veya sertliği ile sonuçlanmalıdır. Kelebek iğneyi kalpten çıkarın ve doku toplamak için fareyi kafes çubuklarından çıkarın. İhtiyaca göre hedef organları çıkarın ve alt parçalara ayırın; Taze, sabitlenmemiş malzemeler toplandığında buz üzerinde prosedürler gerçekleştirmeye dikkat edin. Sıvı nitrojen içinde toplanan sabitlenmemiş dokuları hızlı bir şekilde dondurun ve protein veya RNA hedeflerini test eden protokollerde kullanılana kadar -80 ° C’de saklayın. Sabit dokular için, formalin ile doldurulmuş etiketli 50 mL konik bir tüpe çıkarın (organ başına bir tüp).

Representative Results

Patlayıcı patlama kuvvetlerine maruz kaldıktan sonra farelerde deneysel sonuçları araştırırken, olayın basınca karşı zaman analizi yoluyla kaydedilmesi ve karakterize edilmesi, deneyin başarısını değerlendirmek için çok önemlidir. Patlama sırasında basınçtaki dinamik değişikliklerin ölçülmesini içeren bu yöntem, araştırmacıların patlamaların biyolojik sistemler üzerindeki etkilerini anlamalarına yardımcı olur. Başarılı deneylerde, basınç kayıtları iyi tanımlanmış ve kontrollü bir dalga modeli sergiler. Basınç artışı keskindir ve beklenen süreler içinde en yüksek değerlere ulaşır (Şekil 2). Müteakip basınç düşüşü, enerjinin verimli bir şekilde dağıldığını gösteren Friedlander dalga formu ile örneklenen öngörülebilir bir eğriyi takip eder. Yaralanma değerlendirmesi açısından, 15-20 dakika içinde meydana gelen altı patlama ile çok tekrarlayan LLB maruziyeti yapılırken bile, LLB deneylerinde açık bir yaralanma belirtisi yoktur (Şekil 3). Bununla birlikte, tekrarlayan LLB maruziyetini takiben düzeltme sürelerinin analizi, patlama farelerinin sahte farelerden daha hızlı bilince geri döndüğünü göstermektedir (Şekil 4). Bu nedenle, tekrarlayan LLB, maruziyetten sonra akut nörodavranışsal uyarılma tepkilerinde tekrarlanabilir değişikliklere neden olur. Optimal olmayan deneyler düzensiz basınç profilleri gösterebilir. Tepe basınçlarının beklenmedik bir şekilde bastırıldığı durumlar, gazın erken veya yavaş bir şekilde salındığını gösterebilir ve hedef alandaki hayvanla karşılaşmak için tahrik edilen şok tüpü bölümünün uzunluğu boyunca gaz genleşmesinin keskin bir şekilde serbest bırakılmasını önleyebilir. Erken gaz basıncı kaybı, genellikle uygun şekilde kapatılmamış sürücü veya makara bölümlerinin sonucudur. Bu, membrandaki kusurlardan veya sürücü-makara-şok borusu tertibatının yetersiz sıkılmasından kaynaklanabilir. Bu gibi durumlarda, biyolojik numuneler azalmış travma belirtileri gösterebilir. Veri yorumlama, basınç-zaman profillerinin gözlemlenen biyolojik tepkilerle ilişkilendirilmesini içerir. Başarılı deneyler, tepe basıncı ve süresi gibi seçilen patlama parametrelerinin, araştırılan beklenen veya kurulan biyolojik tepkileri ortaya çıkardığını göstermektedir. Spesifik basınç özellikleri ve biyolojik sonuçlar arasındaki korelasyonlar, nedensel ilişkilerin kurulmasına yardımcı olur. Boylamsal çalışmalar, son LLB’den 6 ay sonra çalışma zaman noktaları için gözlenen hayvan kaybının olmaması nedeniyle bu protokol tarafından sağlanır (Şekil 5). LLB maruziyetini takiben klinik sonuçların aralığı belirsizdir ve tam olarak anlaşılamamıştır. LLB’lere tekrar tekrar maruz kalma, tarihsel olarak hem insanlar hem de fareler için zararlı olarak kabul edilmiştir. Bu, 2-5 psi’de maruziyetlerin ardından normal ambulasyon, davranış ve fiziksel aktiviteye hızlı bir dönüş ile desteklenir. Bununla birlikte, ezici akut nörosensoriyel semptomların veya davranış değişikliklerinin olmaması, olumsuz sinsi etkilerin varlığını engellemez. LLB ile ilişkili fenotipler en iyi ihtimalle ince olduğundan, tüm etkiler aktif bir araştırma alanıdır ve klinik olarak anlamlı sonuçları tetiklemek için önemli ölçüde zaman veya tekrarlama gerektirebilir. Şekil 1: Tekrarlanan murin LLB’nin şok tüpü modeli için prosedür adımları. Hem şok tüpünün hazırlanmasının (Adım 1-10) hem de hayvan hazırlama aşamalarının (Adım 11-18) ardından, fareler tüpten çıkarılmadan önce bir veya daha fazla LLB’ye (Adım 19-32) maruz bırakılır (Adım 33). Fareler daha sonra ısıtılmış bir ısıtma yastığına sırt üstü yerleştirilir (Adım 34). Hayvanın ventral tarafına dönmesi için geçen süre, doğrultma süresi olarak kaydedilir (Adım 35). Kısaltma: LLB = Düşük seviyeli patlama. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2: 4 psi’ye yakın maruziyetler için temsili basınç-zaman eğrileri. (A) Katkı yığınları, 2-4.5 tepe psi aralığında doğrusal tepe basınçları sağlar. (B) 1 sayfa, (C) 2 sayfa, (D) 3 yaprak ve (E) 4 yaprak için idealize edilmiş Friedlander eğrileri (mavi) ile karşılaştırıldığında, 3-6 şok tüpü patlamasından (kırmızı) ortalama olarak alınan temsili basınca karşı zaman (milisaniye) profilleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: Konular arası aralık. Tek bir patlatmanın ayarlanması ve yürütülmesi ortalama 9,8 ± 1,9 dakika gerektirir (ortalamanın (sem) ortalama ± standart hatası). Ek patlama maruziyetleri, olay başına ek 1,7 ± 0,4 dakika gerektirir (ortalama ± sem). Noktalar, tek tek hayvanlardan elde edilen sonuçları temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: 3 haftalık yüksek derecede tekrarlayan LLB maruziyetleri sırasında günlük düzeltme süreleri. Grafik, 3 haftalık LLB maruziyeti boyunca sahte normalleştirilmiş düzeltme sürelerini temsil eder. LLB fareleri, 15 gün boyunca meydana gelen toplam 90 LLB maruziyeti için 6 günlük patlama maruziyetine maruz bırakıldı. Ortalama aşırı basınç özellikleri (± sem) 3.05 ± 0.07 tepe psi, 0.94 ± 0.04 pozitif faz süresi ve 2 ± 0.1 psi * msn dürtü idi. p değerleri, 2 yönlü ANOVA’dan elde edilen sonuçları yansıtır. Kısaltma: LLB = Düşük seviyeli patlama. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5: Laboratuvar şok tüpü LLB modelinin, yüksek oranda tekrarlayan LLB maruziyetlerini takiben hayvan yıpranması üzerindeki etkileri. Sahte (N = 24) ve LLB fareleri (N = 32) için ilk LLB maruziyetinden (1. gün) tüm çalışma maruziyetlerine (19. gün biten) ve 6 aylık bir iyileşme döneminden sonra (199. gün) yıpranma oranları. Gözlenen süre boyunca sahte ve LLB gruplarının yıpranma oranları arasında anlamlı bir fark yoktu. LLB fareleri, ortalama 4.78 ± 0.01 tepe psi ve 3.16 ± 0.023 psi dürtü ile ortalama 62 maruz kalma yaşadı. Maruziyetler, rutin ihlal eğitimi45 sırasında yakın zamanda bildirilen SOF aşırı basınç maruziyetlerini modellemek için art arda 3 hafta boyunca haftada 5 gün (yani Pazartesi-Cuma) farelere uygulandı. Kısaltma: LLB = Düşük seviyeli patlama; SOF = Özel Harekat Kuvvetleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Yetersiz anladığımız şeyi yeterince tedavi edemiyoruz ve yüksek derecede tekrarlayan LLB maruziyeti ile ilgili yaralanma mekanizmalarını henüz anlamıyoruz. Birçok SOF personeli, operasyonel hizmetten sonraki beş ila on yıl içinde yüksek derecede tekrarlayan LLB maruziyeti ile ilişkili olduğu düşünülen sağlıkla ilgili bozuklukların geliştiğini bildirmektedir50,51. Bazı SOF personeli, LLB maruziyetinden hemen sonra akut travmatik beyin hasarı (TBI) benzeri nörobilişsel etkiler geliştirir39. Ayrıca, klinisyenler, patlamaya maruz kalmaktan kaynaklanan semptomların sıklıkla geleneksel tedavilere dirençli olduğunu ve bunun da SOF ve klinisyenleri alternatif tedavilere bakmaya itebileceğini bildirmektedir52,53. SOF’un LLB’ye ve aşırı basınç mekanizmalarına(45) sık sık maruz kalmasına, ortaya çıkan semptomların şiddetine ve tedavi direncine ve patlama ile ilişkili astroglial yara izlerinin51 belgelenmiş modeline rağmen, uzun vadeli sağlık sonuçları nispeten bilinmemektedir. Klinisyenler ve askeri liderlik, yaralanma mekanizmalarını ve patofizyolojiyi ortaya çıkarmak için modelleme araştırmalarına güvenmektedir. Bu modeller, patoloji sürecini erken tanımlamak, kesintiye uğratmak, önlemek ve tedavi etmek için politikalar ve stratejiler geliştirmek için kritik öneme sahiptir.

En önemlisi, yaygın askeri LLB maruziyetlerinin fare modellemesinin sağlık tahmin modellerini bilgilendirmesi beklenmektedir. Klinik uygulama, patlama ile ilgili patoloji için kimin en büyük risk altında olabileceğini, hangi patlama özelliklerinin en ciddi sonuçlara neden olduğunu ve patlama maruziyetinin kronikliğine, dozuna veya özgüllüğüne bağlı olarak hastalık sürecinin nasıl gelişebileceğini belirleyen LLB öngörücü modellerden faydalanacaktır. Bu nedenle, tekrarlayan LLB maruziyetinin modellenmesi, maruziyetlerin SOF ve diğer Hizmet üyelerinin sağlık sonuçlarını nasıl etkileyeceğine dair hipotezler ve tahminler geliştirmede esastır. Tahmin ve yaralanma mekanizması modelleri, teşhis ve tedavinin yanı sıra semptomlara ve maruziyete dayalı olarak göreve dönüş kararlarını da bilgilendirecektir.

Farelerde blast kaynaklı TBI (bTBI) çalışması, özellikle insanlarda kronik tekrarlayan hafif bTBH’yi takiben sonuçları öngören modellerin geliştirilmesiyle son yıllarda önemli ilerlemeler kaydetmiştir54,55. Şok tüpleri kullanılarak orta-yüksek seviye patlamaya maruz kalma çalışması, yüzlerce PubMed indeksli makale 46,56,57,58 ile iyi bir şekilde geliştirilmişken, rutin askeri eğitim aşırı basınçlarına (<6 psi tepe basıncı40) yakın patlama çalışmalarında şok tüpü kullanımı daha az gelişmiştir ve yakın tarihli bir PubMed aramasında ondan az makale tanımlanmıştır 19,20, 22,23,26,27,28. Bu az çalışılmış alanın geliştirilmesini kolaylaştırmak için, sunulan model, farelerde tutarlı LLB aşırı basınçları, patlama sonrası geri kazanım ve izleme için temel hususlara odaklanırken, bu modelin açık alan patlayıcılarının kullanımına göre birkaç belirgin avantajına dikkat çekmektedir. Gerçekten de, tanımlanan laboratuvar LLB modelinin, kronik tekrarlayan LLB’yi takiben klinik sonuçların öngörücü modellerinin geliştirilmesini sağlayabileceğini savunuyoruz.

LLB modeli, özellikle hayvan refahı açısından açık alan patlayıcı patlatma modellerine göre kritik avantajlar sunar. Açık alan modelleri %3-8 mortalite oranlarınaneden olabilir 25,36, oysa bu laboratuvar tabanlı LLB modeli herhangi bir kayıp göstermez. Bu ayrım, özellikle neredeyse hiçbir kursiyerin LLB maruziyetinden ölümcül sonuçlar yaşamadığı askeri eğitime özgü yüksek kümülatif maruziyetleri simüle ederken çok önemlidir. Apne veya ölümcül pulmoner travma gibi diğer ölüm nedenlerinin belirgin yokluğu, modelin güvenilirliğini ve tutarlılığını sağlayarak, tekrarlayan LLB’nin klinik olarak ilgili etkileri üzerine yapılan çalışmalar için tercih edilen bir seçenek olarak konumlandırır.

Bu protokol, sürücü, makara ve tahrik edilen bölümlerden oluşan üç parçalı bir tasarıma sahip “açık uçlu” bir şok tüpüne özgüdür. Son derece tekrarlayan LLB’ler, protokolde uygun değişikliklerle diğer şok tüpü tasarımlarıyla elde edilebilir. Açık uçlu şok tüpü tasarımları, patlamaya bağlı nörotravmanın incelenmesi için sıklıkla kullanılmaktadır 46,47,48. Açık bir çıkış ucuna sahip açık uçlu şok tüpü, üretilen şok dalgasının, tüpün karşı ucundan çıkmadan önce hedefiyle (örneğin hayvan denek) karşılaştığı tüpün uzunluğu boyunca serbestçe yayılmasına izin verir. Bu tasarım, açık alanda meydana gelecekleri gibi patlama patlamalarının özelliklerine yaklaşan nispeten saf birincil patlama aşırı basınçlarının yeniden üretilmesini ve incelenmesini kolaylaştırır48. Sonuç olarak, ampirik olarak ölçülen patlama aşırı basınç dalgasının doğruluğu, idealize edilmiş bir Friedlander dalgası ile karşılaştırılır; Bu, belirli bir aşırı basınç olayı üretmek için tüp performansının değerlendirilmesine izin verir. LLB maruziyetini modellemek için, orijinal olarak ~25 fitlik bir mesafeden 200+ lbs trinitrotoluen (TNT) üzerindeki HLB patlamalarının etkilerini yeniden üretmek için tasarlanmış, daha önce tarif edilmiş, özel olarak inşa edilmiş, açık uçlu bir patlama tüpü kullanıyoruz. Yüksek tepe aşırı basınçlarını mümkün kılmak için, makaradan bir zar ile ayrılan ve gazın sürücüde sızdırmaz hale getirildiği sürücüye bir gaz basınçlandırılır. Makara da açık uçlu bölümden başka bir zar ile ayrılır. Bu ikinci zar, makaranın ayrı olarak basınçlandırılmasını sağlar. Çift odacıklı sistem, sürücüdeki gazların membranın normal yırtılma noktasını geçecek şekilde basınçlandırılmasını sağlar. Bunun nedeni, basınçlı makaranın bir tampon görevi görmesi, sürücü ve makaranın arayüzündeki zarı desteklemesi ve böylece yırtılmasını önlemesidir. Şok tüpü operatörü hedef basınçta bir şok dalgası oluşturmak istediğinde, elektronik bir valf makaradan gazı tahliye eder, makaradaki basıncı hızla düşürür ve sürücü bölümündeki aşırı basınçlı gazın hem sürücü hem de makara zarlarını yırtmasına ve hedef bölgede hayvanla karşılaştığı yerde tüpün uzunluğu boyunca hızla genişlemesine izin verir. Bu tasarımın yüksek performanslı tüplerinde LLB’nin incelenmesini sağlayan temel değişiklik, sürücüyü bloke etmemiz ve makarayı yalnızca düşük eşikli membranlarla birlikte kullanmamızdır.

LLB deneylerinin güvenilirliğini ve tekrarlanabilirliğini sağlamak için, kurulum sırasında belirli eylemler gerçekleştirilmelidir. Kolları ve bacakları bilek ve ayak bileklerinden sıkıca sabitlemek çok önemlidir. Bu, bedensel hareket ve patlamaya maruz kalmadaki değişkenliği en aza indirir ve kafa karıştırıcı sonuçlara yol açabilecek istenmeyen yaralanmaları önler. Ek olarak, bileklerin ve ayak bileklerinin içe doğru döndürülmesi, eklerin hareketini hayvanın orta hattına doğru yönlendirmeye yardımcı olur ve sonraki motor performans değerlendirmelerini etkileyebilecek distal yaralanma riskini azaltır. Başın düzleşmesi ve omurga eğriliği, hareket açıklığındaki potansiyel farklılıkları azaltmaya yardımcı olduğu için, denekler arasında tek tip patlama maruziyetini sağlamada bir diğer önemli faktördür. Anestezi için kullanılan izofluran yüzdesinin arttırılması, birkaç gün veya haftaya yayılan protokoller için önerilir. Bu ayarlama, uzatılmış deney süresi boyunca tutarlı anestezi derinliğinin korunmasına yardımcı olur. Deneyimlerimize göre, yeterli anesteziyi sürdürmek için% 0.5 izofluran’da bir artış yeterlidir.

Bununla birlikte, tüm patlama tüpü tasarımları için, özellikle de borunun sürülen bölüme yerleştirilmesine izin vermeyen tam muhafazalara sahip olanlar için, nosekon yoluyla anestezi verilmesi mümkün olmayabilir. Bu gibi durumlarda, enjekte edilebilir anestezikler tercih edilebilir. Tekrarlanan ardışık patlamaların verilmesi için ne kadar zaman gerektiğini belirlemenizi ve ardından prosedür boyunca bilinç kaybını sürdürmek için yeterli anestezik uygulanmasını öneririz. Uygun anestezi bakımını sağlamak için bu modifiye yöntemin geliştirilmesi sırasında ek hayvan refahı kontrolleri gerekli olabilir. Ayrıca, enjektablların kullanımı, düzeltme süresi önlemlerinin toplanması gibi post-post yanıt izlemeyi imkansız hale getirebilir.

Hayvan araştırmalarında etik hususlar çok önemlidir ve bu laboratuvar tabanlı LLB modeli, kapsamlı patlama sonrası kurtarma ve izleme protokollerini içerir. Patlamaya maruz kaldıktan sonra, nefes almada zorluk, kendilerini düzeltememe, 2 saatlik bir gözlem süresinden sonra ambulatuvar olmama durumu, nöbet benzeri hareketler, garip hareketler, görme bozukluğu ve iç kanama veya kırık uzuv kanıtları dahil olmak üzere insani uç noktalar yakından izlenir. Özellikle, LLB patlama fareleri deneylerimizde bu koşulların hiçbirini sergilememiştir. Bununla birlikte, HLB’ler sırasında, genellikle operatör hatası nedeniyle uzuv kırıkları meydana gelebilir. Bu riski azaltmak, sedye emniyeti sırasında ellerin ve ayakların hayvanın orta hattına doğru döndürülmesini içerir. Bu teknik, patlama rüzgarının uzantıları geriye doğru süpürmesini ve ilişkili kemikleri kırmasını önler.

Bu tekrarlayan LLB modelinin avantajları, etik hususların ötesine geçerek pratik ve metodolojik yönlere kadar uzanır. Laboratuvar tabanlı tasarımı, patlayıcıların taşınması ihtiyacını ortadan kaldırarak güvenliği ve erişilebilirliği artırır. Model, son derece tekrarlanabilir ve özelleştirilebilir, bu da araştırmacıların farklı gaz türleri, cihaz ayarları ve membran güçleri kullanarak maruz kalma parametrelerini etkilemelerine olanak tanır. Açık alan patlama kinetiğini49 yeniden üretme yeteneği nedeniyle burada seçilen helyum, güvenilir bir temelsağlayabilir 47,59,60. Tepe basıncının ayarlanması, tutma membranı kalınlığının veya mukavemetinin modifiye edilmesiyle ampirik olarak elde edilir ve bu da belirli deneysel gereksinimler için ince ayar yapılmasını sağlar. Son olarak, LLB modeli, mevsimsel veya hava durumu değişikliklerinin veriler, hayvan maruziyeti ve diğer deneysel faktörler üzerindeki etkisini ortadan kaldırır. Bu tutarlılık, sağlam ve güvenilir sonuçlar sağlayarak, bu tekrarlayan LLB modelini uzunlamasına ve son derece tekrarlayan patlatma araştırmaları için paha biçilmez bir araç haline getirir.

Patlama ile ilişkili nörotravmayı anlamak, yaralanma mekanizmalarının, patlama yoğunluğu ölçümlerinin ve eşik değerlerinin aydınlatılmasını gerektirir. Bununla birlikte, patlama senaryolarında insan beyin hasarı mekanizmalarını çevreleyen belirsizlikler vardır. Patlamaya maruz kalmayı takiben insan yaralanması için daha önce önerilen kriterler hayvan çalışmalarına dayanıyordu, ancaktür 61 arasında eksik ölçeklendirme kriterleri nedeniyle bu çalışmaları doğrudan insanlara uygulamak zordur. Hayvan vücut kütlesine dayalı akciğer hasarı ölçeklendirmesi, kabul edilen kriterlerin varlığı göz önüne alındığında bir istisnadır62,63. Bununla birlikte, vücut 64,65 veya beyin kütlesi66’ya dayanan beyin etkileri için önerilen ölçeklendirme yasaları, özellikle beynin içindeki ve çevresindeki koruyucu yapılarla ilgili olarak bilinen ve bilinmeyen anatomik farklılıkları göz ardı eder. Kütle ölçeklendirmesi, hem kuşlarda 67,68,69 hem de insanlarda70 yapılan çalışmalarla çelişen daha küçük gövdeli türlerde daha yüksek yaralanma risklerini öngörmektedir. Bu nedenle, doğru ölçeklendirme yasalarının geliştirilmesi, türler arasında dış patlama olayı yoğunluğu ile iç beyin etkileri arasındaki ilişkinin ampirik olarak anlaşılmasını gerektirir. LLB’ler söz konusu olduğunda, hayvan modellerinde veya insanlarda tek veya kronik maruziyet hakkında çok az şey bilinmektedir. Sonuç olarak, LLB yoğunluk aralığında gelecekteki ölçeklendirme yasalarının geliştirilmesini bilgilendirmek için gereken ampirik çalışmalar, yöntemimiz tarafından katalize edilebilir.

Özetle, bu laboratuvar tabanlı şok tüpü modeli, farelerde LLB maruziyetinin kronik etkilerinin araştırılmasında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Tutarlı aşırı basınçları modellemek için prosedürleri dahil ederek, patlama sonrası geri kazanım ve izlemeye öncelik vererek ve alternatif modellere göre belirgin avantajları vurgulayarak, bu laboratuvar tabanlı LLB modeli, kronik LLB maruziyetine bağlı yaralanmalara ilişkin anlayışımızı geliştirmek için güvenilir ve etik bir seçim sağlayabilir.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

JSM, Amerika Birleşik Devletleri Gazi İşleri Bakanlığı (VA) Biyomedikal Laboratuvar Araştırma ve Geliştirme Ofisi (JSM, I01BX004896) ve patlamaya bağlı beyin hasarını araştıran Kongre tarafından yetkilendirilmiş bir VA kuruluşu olan VA Kuzeybatı Akıl Hastalıkları Araştırma Eğitim ve Klinik Merkezi’nden fon aldı. JSM, FY22 Travmatik Beyin Hasarı ve Psikolojik Sağlık Araştırma Programı Translasyonel Araştırma Ödülü’nden (W81XWH-22-TBIPHRPTRA, Ödül Numarası HT94252310755) ilgisiz fon sağladığını bildirmektedir. Yazarlar, editoryal yardımı için Andrew Shutes-David’e teşekkür eder.

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