Een muizenmodel van cervicale Spinal Cord Injury Study Post-letsels Respiratory Neuroplasticity
Summary
Respiratoir falen is de belangrijkste doodsoorzaak na een cervicale dwarslaesie. Met een reproduceerbare, kwantificeerbaar en betrouwbaar preklinische diermodel van ademhalingsfalen veroorzaakt door een gedeeltelijke cervicale letsels zullen helpen om de volgende respiratoire als niet-respiratoire neuroplasticiteit begrijpen en kan getest vermoedelijke reparatiestrategieën.
Abstract
Een cervicale dwarslaesie veroorzaakt permanente verlamming, en leidt vaak tot ademnood. Tot op heden zijn nog geen doeltreffende therapieën ontwikkeld te verbeteren / verbeteren van de respiratoire insufficiëntie volgende hoge cervicale dwarslaesie (SCI). Hier stellen we een muizen preklinisch model van hoge SCI bij de cervicale 2 (C2) metamere niveau om diverse post-letselvrije respiratoire neuroplasticiteit te bestuderen. De techniek bestaat uit een chirurgische gedeeltelijke schade aan het C2 niveau, dat een hemiparalysis van het membraan zal induceren door een deafferentatie van het diafragma motoneuronen van de respiratoire centra in de hersenstam. De contralaterale zijde van de schade blijft intact en kan het dier herstel. In tegenstelling tot andere gebieden van communautair belang die de motorische functie (bij de thoracale en lumbale niveau) beïnvloeden, heeft de functie van de luchtwegen geen dierlijke motivatie nodig hebben en de kwantificering van het tekort / herstel kan gemakkelijk worden uitgevoerd (membraan en diafragma zenuw opnames, hele lichaam ventilatie). Deze pre-klinische C2 SCI model is een krachtige, bruikbare en betrouwbare pre-klinisch model te bestuderen verschillende respiratoire als niet-respiratoire neuroplasticiteit gebeurtenissen op verschillende niveaus (moleculaire fysiologie) en diverse vermeende therapeutische strategieën die de ademhaling in kunnen verbeteren testen SCI patiënten.
Introduction
Ruggenmergtrauma een gemeenschappelijk schade waargenomen in de humane populatie met dramatische incidenten, zoals permanente verlamming. De ernst van het letsel is afhankelijk van het niveau en de mate van de aanvankelijke trauma. Respiratoir falen is de belangrijkste oorzaak van sterfte bij de bovenste cervicale dwarslaesie (SCI) 1. Momenteel is de enige therapeutische behandeling aan de patiënt te plaatsen onder ventilatieondersteuning. Sinds enkele patiënten kunnen worden gespeend de ventilatoire bijstand 2, als gevolg van spontaan herstel die optreedt met post-letsels vertraging, de noodzaak om nieuwe innovatieve niet-invasieve therapieën te ontwikkelen is urgent 3. Na een goede standaard preklinisch model om het effect van een cervicale SCI op respiratoire insufficiëntie onderzoeken en derhalve de toepassing van potentiële therapeutische strategieën te bestuderen, is essentieel.
In dit technische artikel beschrijven we een bepaalde pre-klinische muizenmodel of ademhalingsstoornissen veroorzaakt door een gedeeltelijke cervicale SCI op het C2 niveau. Dit model wordt momenteel gebruikt door verschillende laboratoria over de hele wereld (voor overzichten: 4-13). Toch kunnen kleine verschillen in de chirurgische procedure worden waargenomen bij de verschillende onderzoekers dit cervicale letsels muizenmodel genereren. Het effect van een C2 SCI op de ademhalingswegen uitgang werd eerst beschreven in 1895 door Porter 14. Een cervicale hemisectie induceert een deafferentatie van het diafragma motoneuronen van de centrale aandrijving (in het rVRG in de hersenstam, figuur 1A) op de ipsilaterale zijde van schade leidt tot een stille diafragma zenuw activiteit en de daaropvolgende verlamming membraan. De contralaterale zijde blijft intact en kan het dier te overleven. Unlike verschillende SCI in een lagere spinale segment (bijvoorbeeld een contusive schade op C4 level 15), wordt de integriteit van het diafragma motoneuron kern aan beide zijden bewaard. Na een CERVical C2 letsel, kan een aantal spontane activiteit worden waargenomen op de ipsilaterale zijde (diafragma en diafragma) als gevolg van een activering van contralaterale stille synaptische paden die de spinale middellijn op het segmentale niveau C3-C6 (Crossed phrenic paden, CPP, figuur 1B) gekruist . De activering van de CPP, die, per definitie, een C2 hemisectie gecombineerd met een contralaterale phrenicotomy die een ipsilaterale gedeeltelijke diafragma zenuw herstel induceren, kan van uren tot weken na het letsel 16-18. De werkelijke gunstige effect van deze CPP route op de luchtwegen herstel beperkt 19 en verder onderzoek en behandeling worden ontwikkeld om de omvang van spontane herstel 3 verbeteren.
Dit protocol biedt een krachtige vorm van pre-klinische muismodel voor de ademhalingswegen post-letselhuidweefsel plasticiteit studeren op verschillende niveaus (ademhalingsfysiologie van pre-en diafragma motoneuronen, interneuronen, moleculaire en cellulaire enr, locomotie van het voorste ledemaat bijvoorbeeld) en een model voor invasieve en niet-invasieve therapeutische strategieën gericht op de ademhaling en bewegingsapparaat herstel na C2 gedeeltelijke cervicale ruggenmerg letsel verbeteren testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Technische moeilijkheden van het maken van de C2 Injury Model
De C2 letsel muismodel is een interessant instrument om de luchtwegen na lesional neuroplasticiteit te bestuderen. De stappen die nodig zijn om een reproduceerbaar en betrouwbaar model te produceren zijn talrijk en elk kan hebben voor de resultaten van de studie. Bijvoorbeeld tijdens de intubatie proces uiterste zorg te worden genomen omdat de orotracheale buis een ontsteking van de luchtpijp kan produceren,…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt ondersteund door financiering van de Europese Unie Zevende Kaderprogramma (FP7/2007-2013) onder subsidieovereenkomst nr. 246556 (Europees project RBUCE-UP), HandiMedEx toegewezen door de Franse Public Investment Board. Marcel Bonay werd gesteund door de Kanselarij des Universites de Paris (Benen Poix), het Fonds de Dotatie Recherche en Sante respiratoire, en het Centre d'Assistance respiratoire à Domicile d'Île de France (CARDIF)
Materials
| Animal | |||
| Male Sprague Dawley Rat | Janvier | 225-250g | |
| Surgical Instruments | |||
| Student Dumont #5 forceps | Fine Science Tool | 91150-20 | |
| Student Standard Pattern Forceps | Fine Science Tool | 91100-12 | |
| Mayo-Stille Scissors | Fine Science Tool | 14013-15 | Curved |
| Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tool | 91500-09 | Straight |
| Spring Scissors – 8 mm Blades | Fine Science Tool | 15025-10 | Straight Blunt/Blunt |
| Friedman Pearson Rongeur | Fine Science Tool | 16121-14 | Curved |
| Dissecting Knife – Fine Tip | Fine Science Tool | 10055-12 | Straight |
| Olsen-Hegar Needle Holder | Fine Science Tool | 12002-14 | Serrated |
| Weitlaner-Locktite Retractor | Fine Science Tool | 17012-11 | 2×3 Blunt |
| Absorbable surgical sutures | Centravet | BYO001 | |
| Equipment | |||
| Hot Bead Steriliser | Fine Science Tool | 18000-45 | |
| Catheter | Centravet | CAT188 | 16 gauge |
| Laryngoscope | |||
| Guide wire | |||
| Laryngeal mirror | Centravet | MIR011 | |
| Lactated Ringers | Centravet | RIN020 | |
| Syringe | Centravet | ||
| Needle | Centravet | ||
| O2 | Air Liquid | I1001M20R2A001 | |
| 683 RodentT Ventilator 115/230V | Havard Apparatus | 55-0000 | |
| Stand-Alone Vaporizer | WPI | EZ-155 | |
| Thin line heated bed | WPI | EZ-211 | |
| Air canister | WPI | EZ-258 | |
| Drugs | |||
| Carprofen | Centravet | ||
| Rimadyl | Centravet | RIM011 | |
| Buprenorphine | Centravet | BUP001 | |
| Baytril | Centravet | BAY001 | |
| Dexmedetomidine | Centravet | DEX010 | |
| Atipamezole | Centravet | ANT201 | |
| Betadine Solution | Centravet | VET002 | |
| Isoflurane | Centravet | VET066 | |
Referencias
- Frankel, H. L., et al. Long-term survival in spinal cord injury: a fifty year investigation. Spinal Cord. 36, 266-274 (1998).
- Ramer, M. S., Harper, G. P., Bradbury, E. J. Progress in spinal cord research – a refined strategy for the International Spinal Research Trust. Spinal Cord. 38, 449-472 (2000).
- Zimmer, M. B., Nantwi, K., Goshgarian, H. G. Effect of spinal cord injury on the respiratory system: basic research and current clinical treatment options. J Spinal Cord Med. 30, 319-330 (2007).
- Mantilla, C. B., Sieck, G. C. Neuromuscular adaptations to respiratory muscle inactivity. Respir Physiol Neurobiol. 169, 133-140 (2009).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon and recovery of function following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 85-93 (2009).
- Nantwi, K. D. Recovery of respiratory activity after C2 hemisection (C2HS): involvement of adenosinergic mechanisms. Respir Physiol Neurobiol. 169, 102-114 (2009).
- Sandhu, M. S., et al. Respiratory recovery following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 169, 94-101 (2009).
- Lane, M. A., Lee, K. Z., Fuller, D. D., Reier, P. J. Spinal circuitry and respiratory recovery following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 123-132 (2009).
- Seeds, N. W., Akison, L., Minor, K. Role of plasminogen activator in spinal cord remodeling after spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 141-149 (2009).
- Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475, 196-200 (2011).
- Vinit, S. Cervical spinal cord injuries and respiratory insufficiency: a revolutionary treatment. Med Sci (Paris. 28, 33-36 (2012).
- Kastner, A., Gauthier, P. Are rodents an appropriate pre-clinical model for treating spinal cord injury? Examples from the respiratory system). Exp Neurol. 213, 249-256 (2008).
- Vinit, S., Lovett-Barr, M. R., Mitchell, G. S. Intermittent hypoxia induces functional recovery following cervical spinal injury. Physiol Neurobiol. 169, 210-217 (2009).
- Porter, W. T. The Path of the Respiratory Impulse from the Bulb to the Phrenic Nuclei. J Physiol. 17, 455-485 .
- Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235, 539-552 (2012).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon: a model for plasticity in the respiratory pathways following spinal cord injury. J Appl Physiol. 94, 795-810 (2003).
- Vinit, S., Gauthier, P., Stamegna, J. C., Kastner, A. High cervical lateral spinal cord injury results in long-term ipsilateral hemidiaphragm paralysis. J Neurotrauma. 23, 1137-1146 (2006).
- Fuller, D. D., Johnson, S. M., Johnson, R. A., Mitchell, G. S. Chronic cervical spinal sensory denervation reveals ineffective spinal pathways to phrenic motoneurons in the rat. Neurosci Lett. 323, 25-28 (2002).
- Dougherty, B. J., Lee, K. Z., Lane, M. A., Reier, P. J., Fuller, D. D. Contribution of the spontaneous crossed-phrenic phenomenon to inspiratory tidal volume in spontaneously breathing rats. J Appl Physiol. 112, 96-105 (2012).
- Jou, I. M., et al. Simplified rat intubation using a new oropharyngeal intubation wedge. J Appl Physiol. 89, 1766-1770 (2000).
- Fuller, D. D., et al. Graded unilateral cervical spinal cord injury and respiratory motor recovery. Respir Physiol Neurobiol. 165, 245-253 (2009).
- Vinit, S., Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Lipopolysaccharide attenuates phrenic long-term facilitation following acute intermittent hypoxia. Respir Physiol Neurobiol. 176, 130-135 (2011).
- Ahmad, F., Wang, M. Y., Levi, A. D. Hypothermia for Acute Spinal Cord Injury-A Review. World Neurosurg. , (2013).
- Lovett-Barr, M. R., et al. Repetitive intermittent hypoxia induces respiratory and somatic motor recovery after chronic cervical spinal injury. J Neurosci. 32, 3591-3600 (2012).
- Minor, K. H., Akison, L. K., Goshgarian, H. G., Seeds, N. W. Spinal cord injury-induced plasticity in the mouse–the crossed phrenic phenomenon. Exp Neurol. 200, 486-495 (2006).
- Baussart, B., Stamegna, J. C., Polentes, J., Tadie, M., Gauthier, P. A new model of upper cervical spinal contusion inducing a persistent unilateral diaphragmatic deficit in the adult rat. Neurobiol Dis. 22, 562-574 (2006).
- Golder, F. J., et al. Breathing patterns after mid-cervical spinal contusion in rats. Exp Neurol. 231, 97-103 (2011).
- Lane, M. A., et al. Respiratory function following bilateral mid-cervical contusion injury in the adult rat. Exp Neurol. 235, 197-210 (2012).
- Vinit, S., et al. Axotomized bulbospinal neurons express c-Jun after cervical spinal cord injury. Neuroreport. 16, 1535-1539 (2005).
- Guenther, C. H., Windelborn, J. A., Tubon, T. C., Yin, J. C., Mitchell, G. S. Increased atypical PKC expression and activity in the phrenic motor nucleus following cervical spinal injury. Exp Neurol. 234, 513-520 (2012).
- Mantilla, C. B., Gransee, H. M., Zhan, W. Z., Sieck, G. C. Motoneuron BDNF/TrkB signaling enhances functional recovery after cervical spinal cord injury. Exp Neurol. 247, 101-109 (2013).
- Vinit, S., Darlot, F., Aoulaiche, H., Boulenguez, P., Kastner, A. Distinct expression of c-Jun and HSP27 in axotomized and spared bulbospinal neurons after cervical spinal cord injury. J Mol Neurosci. 45, 119-133 (2011).
- Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Glial activation in the spinal ventral horn caudal to cervical injury. Respir Physiol Neurobiol. 180, 61-68 (2012).
- Vinit, S., Stamegna, J. C., Boulenguez, P., Gauthier, P., Kastner, A. Restorative respiratory pathways after partial cervical spinal cord injury: role of ipsilateral phrenic afferents. Eur J Neurosci. 25, 3551-3560 (2007).
- Dougherty, B. J., et al. Recovery of inspiratory intercostal muscle activity following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 183, 186-192 (2012).
