Een Knorretje Model van Neonatale hypoxisch-ischemische encefalopathie
Summary
Hypoxic-ischemic encephalopathy following perinatal asphyxia can be studied using animal models. We demonstrate the procedures necessary for establishing a piglet model of neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy.
Abstract
Geboorte asfyxie, die hypoxisch-ischemische encefalopathie (HIE) veroorzaakt, is goed voor 0.660.000 doden wereldwijd elk jaar, ongeveer een kwart van de wereld 2,9 miljoen neonatale sterfte. Diermodellen van HIE hebben bijgedragen aan het begrip van de pathofysiologie in HIE, en hebben gewezen op het dynamische proces dat zich in hersenletsel als gevolg van perinatale asfyxie. Zo hebben dierstudies een time-window voor post-belediging behandelingsstrategieën voorgesteld. Hypothermie is getest als een behandeling voor HIE in pdiglet modellen vervolgens effectief gebleken in klinische studies. Variaties van het model zijn in de studie van adjuvante neuroprotectieve methoden en biggen studies van xenon en melatonine toegepast geleid tot klinische fase I en II studies 1,2. Het biggetje HIE model wordt verder gebruikt voor neonatale resuscitation- en hemodynamische studies alsook in onderzoeken van cerebrale hypoxie op een cellulair niveau. Het is echter technisch moeilijkmodel en variaties in het protocol kan ofwel te zacht of te ernstig hersenletsel. In dit artikel tonen we de nodige technische procedures voor de oprichting van een stabiele big model van neonatale HIE. Eerst wordt de pasgeboren big (<24 uur oud, gemiddelde gewicht 1500 g) geanesthetiseerd, geïntubeerd, en bewaakt een opstelling vergelijkbaar met die in een neonatale intensive care unit. Globaal hypoxie-ischemie wordt veroorzaakt door het verlagen van de ingeademde zuurstof fractie tot wereldwijde hypoxie, ischemie door middel van hypotensie en een flatscreen trace amplitude geïntegreerd EEG (aEEG) indicatief cerebrale hypoxie bereiken. Overleving wordt bevorderd door aanpassing oxydatie volgens de aEEG response en bloeddruk. Hersenletsel wordt gekwantificeerd door histopathologie en magnetische resonantie imaging na 72 uur.
Introduction
Perinatale asfyxie is een acute en vaak onverwachte aandoening geassocieerd met hypoxisch-ischemische encefalopathie (HIE). Het algemene doel van dit protocol is om een bigoverleving model van perinatale hypoxisch-ischemische encefalopathie demonstreren. Dit model kan worden gebruikt om het effect van verschillende mate van hypoxie-ischemie te onderzoeken op de hersenschade en experimentele behandelingen neuropathologie, magnetische resonantie beeldvorming en spectroscopie (MRS en MRI) en biomarkers in lichaamsvloeistoffen zoals bloed, cerebrospinale vloeistof en urine . Het model is ook nuttig gebleken voor het onderzoeken van het cardiovasculaire systeem, het ademhalingsstelsel, de nieren en de lever, die zijn getroffen in globale hypoxie-ischemie.
Perinatale asfyxie is het gevolg van gecompromitteerde zuurstoftoevoer bevalling of in de onmiddellijke post-partum periode. Intrapartum hypoxie evenementen zijn goed voor 0.660.000 doden wereldwijd elk jaar, ongeveer een kwart van de wereld 2,9 molenion neonatale sterfgevallen in 2012 3. In 2010 is 1,15 miljoen baby's werden geschat neonatale encefalopathie te hebben ontwikkeld na de geboorte asfyxie 4. HIE gedefinieerd als encefalopathie bij kinderen geboren na 34 weken zwangerschap komt in 1-3 / 1000 levendgeborenen 5 in de geïndustrialiseerde wereld en tot 8,5 / 1000 levendgeborenen in ontwikkelingslanden 4. Het risico op overlijden is 10-60%, en het risico van neurologische handicap bij overlevenden 30-100% 6,7. 50.200.000 disability adjusted life years (DALY's) worden toegeschreven aan intrapartum hypoxie gebeurtenissen 4. Momenteel is de enige andere behandeling dan ondersteunend voor HIE is posthypoxische onderkoeling. Zo vooruitgang in diagnostische procedures en de behandeling van strategieën zijn essentieel voor het beheer van de HIE 8 te verbeteren.
Verbeteringen in de prognose na perinatale asfyxie en het beheer van neonatale hersenletsel zijn gebaseerd op het uitbreiden van de kennis van de onderliggende ziektemechanismen eend mogelijke behandelingen. Diermodellen van HIE zijn bijzonder bruikbaar als verschillende klinische gebeurtenissen kunnen leiden tot HIE en de incidentie in een enkele geboortecentrum is laag 5. Een experimentele opstelling waarin de invloed van de biologische variatie kan worden geminimaliseerd, is essentieel bij het testen van nieuwe prognostische en diagnostische instrumenten en therapeutische strategieën. Een diermodel dient de klinische situatie zo dicht mogelijk benaderen, wat bijdraagt tot het begrip van de pathologische mechanismen waardoor geïnduceerd letsel en dynamisch proces betrokken zijn bij de ziekte en it's resultaat 9. Diermodellen van neonatale HIE hebben een aantal species, waaronder knaagdieren, lammeren en varkens inbegrepen. In vergelijking, de pasgeboren biggen een hogere gelijkenis met menselijke pasgeborene betreft maat, cardiovasculair systeem 10 en hersenrijping op de levering 11,12. Monitoring, instrumentatie en evaluatie van de resultaten in de biggen model is vergelijkbaar met that in de klinische verzorging van kinderen met HIE. Dienovereenkomstig is er een grote mate van vertaling in pasgeboren zorg van dit model.
Biggen modellen van perinatale hypoxie en HIE worden door vele groepen en variëren in verschillende gebieden 13. Volgens het doel van het experiment, moet aandacht worden besteed aan de keuze van geneesmiddelen, werkwijze voor het induceren van hypoxie-ischemie, werkwijze voor het regelen insult duur en ernst, na insult reanimatie en zorg en evaluatie van de resultaten. Om vertekening een gerandomiseerde trial ontwerp moet altijd worden gebruikt in interventionele studies te vermijden.
De methode die wordt toegepast bij het opwekken van hypoxisch-ischemische letsel is belangrijk. Globaal hypoxie leidt tot HIE resulteert vaak in multi-orgaanfalen met hersenen, hart, longen, nieren en lever. Afhankelijk van de resultaten geëvalueerd moeten modellen HIE op basis van globale hypoxie en ischemie plaats van te vertrouwen op focale ischemie, bijv. Door ligatie autootid slagaders 14. Een recente studie paste een combinatie van hypoxie (FiO 2 12%) en halsslagader compressie behoud gemiddelde arteriële bloeddruk> 40 mm Hg 2. Een andere groep veroorzaakte globale hypoxie met 8% O 2 tot negatieve base overschot> 20 mmol / L of de gemiddelde arteriële bloeddruk (MABP) <15 mm Hg, en offerden de dieren in 4 uur 15. Hypoxie is ook getitreerd door cardiale output (tot 30-40% van de uitgangswaarde), MABP (30-35 mm Hg) en arteriële pH (6,95-7,05) 16.
Modellen globale hypoxie-ischemie getitreerd door aEEG onderdrukking vergelijkbaar met die in dit rapport, hebben aangetoond encefalopathie die klinisch, elektrofysiologische en neuropathologie te vergelijken met de toestand in het asfyxie term zuigeling 17,18.
De mate van HIE geïnduceerde is essentieel. Een nuttig diermodel van HIE moet ook zorgen voor het testen van nieuwe diagnostische procedures en behandeling opties. Om dit mogelijk te maken dient de modellen gematigde HIE waar een behandeling potentieel ernstig hersenletsel met weinig of geen behandeling mogelijk zou minder relevant zijn bij het evalueren van nieuwe behandelingen induceren. Tolerantie voor hypoxie verschilt aanzienlijk tussen de proefdieren. Eerdere studies hebben aangetoond dat een meer consistente hersenletsel kan worden bereikt en dat er meer dieren overleven 17,19 individualiseren van de geïnduceerde hypoxia volgens cerebrale antwoord Elke big geëvalueerd door amplitude geïntegreerde elektro (aEEG) in plaats van een ingestelde waarde 2 FiO gehele hypoxische gebeurtenis. De duur van aEEG onderdrukking correleert met de mate van hersenletsel, met weinig histopathologische veranderingen op <20 min aEEG onderdrukking en ernstige convulsies toeneemt met> 45 min aEEG onderdrukken. Een recente beoordeling van neuroprotectieve behandelingen voor HIE gewezen op de noodzaak om te overleven modellen waardoor gedragsproblemen uitkomst measgelen in diermodellen 20.
Er zijn tal van voordelen van de gepresenteerde HIE biggen model. Het is gebaseerd op een soort waar de resultaten zeer waarschijnlijk vertalen naar de menselijke fysiologie. Globaal hypoxie-ischemie modellen multi-orgaanfalen en titratie van hypoxie-ischemie aEEG induceert een consistente mate van hersenletsel met overleving klinisch relevante resultaten zoals die biomarkers, MRI en gedrag kan worden op relevante tijdstippen geëvalueerd.
Knorretje modellen van perinatale asfyxie en HIE hebben niet alleen in belangrijke mate bijgedragen aan de huidige inzicht in HIE pathofysiologie, maar hebben ook met succes voorafgegaan klinische proeven, uiteindelijk resulterend in nieuwe behandelingen bij mensen. Knorretje modelstudies speelde een belangrijke rol bij het vaststellen van onderkoeling als een behandeling voor HIE 21, en worden gebruikt in neonatale reanimatie onderzoek 22. Verschillende groepen hebben gebruikt biggen modellen bij het uitvoeren van onderzoek binnen verstikking en HIE, eend studies omvatten hypothermie 23, alfa-melanocyt stimulerend hormoon 24, hartstilstand 25, tyrosine hydroxylase activiteit 26 herhaalde hypoxische blootstelling 27, NMDA receptoractiviteit 14 en nabij-infraroodspectroscopie 28.
De biggen HIE model gepresenteerd in dit rapport is technisch uitdagend om mee te werken, als kleine aanpassingen in de loop van de procedure kan leiden tot ofwel te licht of te zwaar hersenletsel 29,2. We vonden dat de bestaande literatuur ontbrak voldoende gedetailleerd zijn om eerder gepubliceerde modellen reproduceren. Zo hebben we hier te tonen elke stap van de nodige technische procedures voor de oprichting van een biggetje 72 uur overleven model in dit verslag, waardoor de onderzoekers om dit geavanceerde model vast te stellen voor de studie van HIE.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vanwege de complexiteit, de beschreven model kan alleen worden in faciliteiten geaccrediteerd geïmplementeerd en ervaren in dierproeven. Goedkeuring door de lokale ethische commissies moet worden verkregen vóór het begin van de experimenten, en optimale welzijn van dieren moet worden gewaarborgd op alle tijden. Aangezien het model is gebaseerd op de overleving van de proefdieren, is het belangrijk dat een steriele omgeving tijdens invasieve procedures om infecties te voorkomen wordt gehandhaafd.
<p class="jove_co…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank John Kristensen and Søren Braad Andersen from the Department of Communication, Aarhus University Hospital, Denmark, for their exceptional help with filming and editing. Animal technician Diana Gyldenløve and veterinarian Birgitte Kousgaard, Institute of Clinical Medicine Aarhus University Hospital, Denmark for assisting with animal care. This study was supported by the Lundbeck Foundation, the Laerdal Foundation for Acute Medicine, Central Denmark Region’s Research Foundation, Augustinus Foundation, Aase and Ejnar Danielsens Foundation, the Institute of Clinical Medicine Aarhus University Hospital, Brødrene Hartmanns Foundation, Karen Elise Jensens Foundation, Fonden til Lægevidenskabens Fremme, and Marie Dorthea og Holger From, Haderslevs Fond.
Materials
| Warm-touch-pediatric blanket | Covidien | 5030840 |
| Adhesive Apertrue Drape | Barrier | 915447 |
| Utility Drape (sterile) 75×80 cm | Barrier | 800530 |
| Neoflon | BD – Luer | 391350 |
| Laryngoscope | Miller | 85-0045 |
| Endotracheal tube 2.5 mm | Covidien | 111-25 |
| Endotracheal tube 3.0 mm with cuff | Unomedical | MM61110030 |
| Endotracheal tube 3.5 mm with cuff | Unomedical | MM61110035 |
| Anesthesia machine | GE Healthcare | 1009-9002-000 |
| EEG – electrodes/disposable subdermal needle electrode | Cephalon | ACCE120550 |
| ECG – electrodes | medtronic | 3010107-003 |
| ECG-electrodes for MR | philips | ACCE120550 |
| Arterial blood sampler – aspirator | Radiometer medical ApS | 956552 |
| Polyurethane Umbilical vein catheter (5 Fr/Ch) | Covidien | 8888160341 |
| Polyurethane Umbilical vein catheter (3,5 Fr/ch) | Covidien | 8888160333 |
| Suture set (size 3-0) | Covidien | 8886 623341 |
| BD Spinal needle 0.7x38mm | BD needles | 405254 |
| Gas with 96% Nitrogen / 4% oxygen | Air Liquide | made on order |
| NeuroMonitor (CFM) system | Natus Medical Incorporated | OBM70002 |
References
- Chakkarapani, E., et al. Xenon enhances hypothermic neuroprotection in asphyxiated newborn pigs. Annals of. 68, 330-341 (2010).
- Robertson, N. J., et al. Melatonin augments hypothermic neuroprotection in a perinatal asphyxia model. Brain : a journal of neurology. 136, 90-105 (2013).
- Lawn, J. E., et al. Every Newborn: progress, priorities, and potential beyond survival. Lancet. 384, 189-205 (2014).
- Lee, A. C., et al. Intrapartum-related neonatal encephalopathy incidence and impairment at regional and global levels for 2010 with trends from 1990. Pediatric research. 74, 50-72 (2013).
- Kurinczuk, J. J., White-Koning, M., Badawi, N. Epidemiology of neonatal encephalopathy and hypoxic-ischaemic encephalopathy. Early human development. 86, 329-338 (2010).
- Shankaran, S., Woldt, E., Koepke, T., Bedard, M. P., Nandyal, R. Acute neonatal morbidity and long-term central nervous system sequelae of perinatal asphyxia in term infants. Early human development. 25, 135-148 (1991).
- Robertson, C. M., Finer, N. N., Grace, M. G. School performance of survivors of neonatal encephalopathy associated with birth asphyxia at term. The Journal of pediatrics. 114, 753-760 (1989).
- Bennet, L., Booth, L., Gunn, A. J. Potential biomarkers for hypoxic-ischemic encephalopathy. Seminars in feta., & neonatal medicine. 15, 253-260 (2010).
- Yager, J. Y., Ashwal, S. Animal models of perinatal hypoxic-ischemic brain damage. Pediatric neurology. 40, 156-167 (2009).
- Buckley, N. M. Maturation of circulatory system in three mammalian models of human development. Comparative biochemistry and physiology. A, Comparative. 83, 1-7 (1986).
- Dobbing, J., Sands, J. Comparative aspects of the brain growth spurt. Early human development. 3, 79-83 (1979).
- Dobbing, J., Sands, J. Quantitative growth and development of human brain. Archives of disease in childhood. 48, 757-767 (1973).
- Foster, K. A., et al. An improved survival model of hypoxia/ischaemia in the piglet suitable for neuroprotection studies. Brain research. 919, 122-131 (2001).
- LeBlanc, M. H., Li, X. Q., Huang, M., Patel, D. M., Smith, E. E. AMPA antagonist LY293558 does not affect the severity of hypoxic-ischemic injury in newborn pigs. Stroke; a journal of cerebral circulation. 26, 1908-1914 (1995).
- Andresen, J. H., et al. Nicotine affects the expression of brain-derived neurotrophic factor mRNA and protein in the hippocampus of hypoxic newborn piglets. J Perinat Med. 37, 553-560 (2009).
- Cheung, P. Y., Gill, R. S., Bigam, D. L. A swine model of neonatal asphyxia. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
- Thoresen, M., et al. A piglet survival model of posthypoxic encephalopathy. Pediatric research. 40, 738-748 (1996).
- Liu, X., Tooley, J., Loberg, E. M., Suleiman, M. S., Thoresen, M. Immediate hypothermia reduces cardiac troponin I after hypoxic-ischemic encephalopathy in newborn pigs. Pediatric research. 70, 352-356 (2011).
- Bjorkman, S. T., et al. Hypoxic/Ischemic models in newborn piglet: comparison of constant FiO2 versus variable FiO2 delivery. Brain research. 1100, 110-117 (2006).
- Robertson, N. J., et al. Which neuroprotective agents are ready for bench to bedside translation in the newborn infant. The Journal of pediatrics. 160, 544-552 (2012).
- Jacobs, S. E., et al. Cooling for newborns with hypoxic ischaemic encephalopathy. Cochrane Database Syst Rev. 1, CD003311 (2013).
- Andresen, J. H., et al. Resuscitation with 21 or 100% oxygen in hypoxic nicotine-pretreated newborn piglets: possible neuroprotective effects of nicotine. Neonatology. 93, 36-44 (2008).
- Karlsson, M., et al. Delayed hypothermia as selective head cooling or whole body cooling does not protect brain or body in newborn pig subjected to hypoxia-ischemia. Pediatric research. 64, 74-78 (2008).
- Kovacs, J., et al. Asphyxia-induced release of alpha-melanocyte-stimulating hormone in newborn pigs. Peptides. 22, 1049-1053 (2001).
- Varvarousi, G., et al. Asphyxial cardiac arrest, resuscitation and neurological outcome in a Landrace/Large-White swine model. Laboratory animals. 45, 184-190 (2011).
- Tammela, O., Pastuszko, A., Lajevardi, N. S., Delivoria-Papadopoulos, M., Wilson, D. F. Activity of tyrosine hydroxylase in the striatum of newborn piglets in response to hypocapnic hypoxia. Journal of neurochemistry. 60, 1399-1406 (1993).
- Cote, A., Barter, J., Meehan, B. Age-dependent metabolic effects of repeated hypoxemia in piglets. Canadian journal of physiology and pharmacology. 78, 321-328 (2000).
- Tichauer, K. M., et al. Assessing the severity of perinatal hypoxia-ischemia in piglets using near-infrared spectroscopy to measure the cerebral metabolic rate of oxygen. Pediatric research. 65, 301-306 (2009).
- Jasani, M. S., Salzman, S. K., Tice, L. L., Ginn, A., Nadkarni, V. M. Anesthetic regimen effects on a pediatric porcine model of asphyxial arrest. Resuscitation. 35, 69-75 (1997).
- Chakkarapani, E., Thoresen, M., Liu, X., Walloe, L., Dingley, J. Xenon offers stable haemodynamics independent of induced hypothermia after hypoxia-ischaemia in newborn pigs. Intensive care medicine. 38, 316-323 (2012).
- Munkeby, B. H., et al. A piglet model for detection of hypoxic-ischemic brain injury with magnetic resonance imaging. Acta radiologica. 49, 1049-1057 (2008).
- Andresen, J. H., et al. Newborn piglets exposed to hypoxia after nicotine or saline pretreatment: long-term effects on brain and heart. J Matern Fetal Neonatal Med. 22, 161-168 (2009).
- Munkeby, B. H., et al. Resuscitation with 100% O2 increases cerebral injury in hypoxemic piglets. Pediatric research. 56, 783-790 (2004).
