כירורגיה של חוט השדרה הLocomotor הניתוח והערכה פתוחה בשדה החזה בעכברוש
Summary
הטיפול בעמוד השדרה של החולדה הוא מודל רב ערך ומשחזר של פגיעה חד-צדדית בחוט השדרה כדי לחקור את המנגנונים העצביים של locomotor התאוששות ויעילות הטיפול. מאמר זה כולל מדריך מפורט של שלב אחר שלב לביצוע הליך החצייה ולהערכת ביצועים locomotor בזירה בשטח פתוח.
Abstract
פגיעה בחוט השדרה גורמת להפרעות בתפקוד המוטורי, החושי והאוטונומי מתחת לרמת הנגע. דגמי בעלי חיים ניסיוניים הם כלים יקרי ערך כדי להבין את המנגנונים העצביים המעורבים בשחזור locomotor לאחר SCI ולעצב טיפולים לאוכלוסיות קליניות. ישנם מספר מודלים של SCI ניסיוני, כולל החבלה, דחיסה, ופציעות רוחבי המשמשים במגוון רחב של מינים. החצייה כרוכה בחתך חד צדדי של חוט השדרה ומשבשת את כל העולים ויורדים על צד אחד בלבד. הפגיעה בעמוד השדרה מייצרת פציעה סלקטיבית ובררנית מאוד בהשוואה לשיטות החבלה או הדחיסה שהיא שימושית לחקירת הפלסטיות העצבית במסלולים שנפגעו וניזוקו הקשורים להתאוששות תפקודית. אנו מציגים פרוטוקול צעד אחר צעד מפורט עבור ביצוע הT8 בית החזה ברמה החוליות של בחולדה כי התוצאה שיתוק הראשונית של הנגע בצד של הפצע עם התאוששות ספונטנית מדורגת של locomotor פונקציה על מספר שבועות. אנו מספקים גם פרוטוקול locomotor הבקיע להערכת התאוששות תפקודית בשדה הפתוח. הערכה locomotor מספקת פרופיל התאוששות לינארית ניתן לבצע הן מוקדם יותר ושוב לאחר הפציעה כדי להתאים במדויק בעלי חיים עבור נקודות זמן מתאים שבו לבצע בדיקות התנהגותיות מיוחדות יותר. טכניקת הזיהום הציג ניתן להתאים בקלות מודלים אחרים רוחבי ומינים, ואת הערכה locomotor ניתן להשתמש במגוון של SCI ומודלים פציעה אחרים כדי להבקיע פונקציה locomotor.
Introduction
פגיעה בחוט השדרה (SCI) קשורה להפרעות חמורות בתפקוד המוטורי, החושי והאוטונומי. מודלים ניסויים בעלי חיים של SCI הם כלים יקרי ערך כדי להבין את האירועים האנטומיים והפיסיולוגיים המעורבים ב-SCI פתולוגיה, כדי לחקור את המנגנונים העצביים תיקון והתאוששות, ועל המסך עבור יעילות ובטיחות של טיפול פוטנציאלי תערבויות. העכברוש הוא המינים הנפוצים ביותר במחקר SCI1. מודלים חולדה הם בעלות נמוכה, קל להתרבות, ו סוללה גדולה של בדיקות התנהגותיות זמינים להעריך את התוצאות תפקודית2. למרות כמה הבדלים מיקומי בדרכי, חוט השדרה העכברוש משתף פונקציות דומות sensorimotor דומה עם יונקים גדולים יותר, כולל פרימטים3,4. חולדות גם לחלוק השלכות פיסיולוגיים והתנהגותיים של SCI המתייחסים לבני אדם5. פרימטים לא אנושיים ודגמי בעלי חיים גדולים יכולים לספק הערכה מקרוב יותר של SCI-6 והינם חיוניים להוכחת בטיחות ויעילות הטיפול לפני ניסויים אנושיים, אך משתמשים בהם פחות בגלל הרווחה האתית והחיה שיקולים, הוצאות ודרישות רגולטוריות7.
ההמרה עכברוש מודלים SCI מבוצעים על ידי הפרעה ממוקדת של חוט השדרה עם נגע סלקטיבי באמצעות סכין לחיתוך או מספריים iridectomy לאחר כריתת למינציה. לעומת רוחבי מלאה, הטרנס חלקית התוצאות החולדה בפציעה חמורה פחות, טיפול בבעלי חיים קלה יותר, התאוששות locomotor ספונטנית, והדוק יותר מודלים SCI בבני אדם אשר לא שלם באופן חלקי עם חוסך חלקית של רקמה המחברת את חוט השדרה ואת המבנים הסופרעמוד8. הדלקת המעי החד מפריעה לכל העולה ויורדת על צד אחד בלבד, ומייצרת locomotor גרזמים מיוניתן לכימות ומאוד, שיפור החקירה של המנגנון הביולוגי הבסיסי. התוצאה התפקודית הבולטת ביותר של ההאחריכת הוא שיתוק הגפיים הראשונית באותו צד ומתחת לרמה של הנגע עם התאוששות ספונטנית מדורגת של locomotor פונקציה במשך מספר שבועות9,10, מיכל בן 11 , 12. דגם המסכה שימושי במיוחד כדי לחקור את הפלסטיות העצבית של השרשרות והמעגלים הקשורים להתאוששות תפקודית9,11,12, 13,14,15,16,17,18. באופן ספציפי, ביצוע החצייה ברמת בית החזה, כלומר, מעל מעגלי השדרה כי שליטה התנועה הגפיים, שימושי במיוחד עבור חקירת שינויים locomotor בקרת. כמו קשר שאינו ליניארי קיים בין חומרת הנגע להתאוששות locomotor לאחר SCI19, בדיקות התנהגותיות המתאים כדי להעריך את התוצאות תפקודית היא העליונה במודלים ניסיוניים.
סוללה מקיפה של בדיקות התנהגותיות זמינים כדי להעריך היבטים ספציפיים של התאוששות תפקודית locomotor ב עכברוש2,20. בדיקות locomotor רבות לא מספקים אמצעים אמינים מוקדם לאחר SCI כמו חולדות הם נכים מדי כדי לתמוך במשקל הגוף שלהם. מידה של ביצועים locomotor ספונטניים רגיש לפגיעות מוקדם לאחר הפציעה, ואינו דורש הכשרה מראש או ציוד מיוחד, מועיל כדי לפקח על ההתאוששות locomotor לנקודות הזמן המתאימות ל תוספת בדיקות התנהגותיות מיוחדות. הערכה מרטינז פתוח שדה הציון10, שפותחה במקור עבור הערכת locomotor ביצועים לאחר SCI הצווארי בעכברוש, הוא ציון 20 נקודת מסודר הערכה הביצועים הגלובליים locomotor במהלך תנועה הקרקע ספונטנית ב שדה פתוח. הניקוד מבוצע בנפרד עבור כל איבר באמצעות טבלת עזר להערכת הישגים המוערכת פרמטרים ספציפיים של מגוון של מדדים locomotor, כולל תנועת הגפיים הפרקולארית, תמיכה במשקל, מיקום הספרה, היכולת לצעוד, התאום האחורי של הגפיים, וזנב עמדה. תוצאת ההערכה נגזרת מן באסו, ביטי ו Bresnahan (BBB) קנה המידה שדה השטח הפתוח שנועד להעריך ביצועים locomotor לאחר החבלה בחזה21. הוא מותאם במדויק ואמין להעריך הן forelimb ו הlocomotor הפונקציה הגוף, מאפשר הערכה עצמאית של פרמטרים שונים הבקיע כי הוא לא מוכן עם הניקוד ההיררכי של BBB, ומספק שחזור ליניארי . פרופיל10 בנוסף, בהשוואה bbb, תוצאת ההערכה היא רגישה ואמינה במודלים חמורים יותר נזק10,11,20,22. תוצאת ההערכה שימש להערכת locomotor ליקוי בחולדה בעקבות צוואר הרחם10,12 ובית החזה9 SCI לבד בשילוב עם פגיעה מוחית טראומטית23.
אנו מציגים כאן פרוטוקול צעד אחר צעד מפורט לביצוע SCI הT8 הבית החזה ברמה השדרה היחידה של האישה עכברוש ארוך-אוונס, ועל הערכת התאוששות הlocomotor הגפיים בשדה הפתוח.
Protocol
Representative Results
Discussion
החוזק העיקרי של טכניקת ההיחיצות הוא הסלקטיביות והתוכסות של הנגע המוביל לשונות מופחתת בפנוטיפים היסטלוגיים והתנהגותיים בין בעלי חיים25. על מנת להבטיח פגיעה חד צדדית ברמת עמוד השדרה המתאימה, זיהוי מדויק של מקטע החוליות הנכון ואת חוט השדרה באמצע הדרך הוא קריטי. כפי שיכול להיות נ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הקנדיים לחקר הבריאות (CIHR; מגב-142288) ל-M.M. M.M נתמך על ידי פרס משכורת של מעלעלי דה רצ’רצ’ה קוויבק סנטרה (FRQS), ו-A. R. B נתמך על ידי מלגת FRQS.
Materials
| Baytril | CDMV | 11242 | |
| Blunt dissection scissors | World Precision Instruments | 503669 | |
| Buprenorphine hydrochoride | CDMV | ||
| Camera lens | Pentax | C31204TH | 12.5-75mm, f1.8, 2/3" format, C-mount |
| CMOS video camera | Basler | acA2000-165uc | 2/3" format, 2048 x 1088 pixels, up to 165 fps, C-mount, USB3 |
| Compressed oxygen gas | Praxair | ||
| Cotton tipped applicators | CDMV | 108703 | |
| Delicate bone trimmers | Fine Science Tools | 16109-14 | |
| Dissecting knife | Fine Science Tools | 10055-12 | |
| Dumont fine forceps (#5) | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| Ethicon Vicryl 4/0 Violet Braided FS-2 suture (J392H) | CDMV | 111689 | |
| Feedback-controlled heating pad | Harvard Apparatus | 55-7020 | |
| Female Long-Evans rats | Charles River Laboratories | Strain code: 006 | 225-250g |
| Gelfoam | CDMV | 102348 | |
| Curved hemostat forceps | Fine Science Tools | 13003-10 | |
| Hot bead sterilizer | Fine Science Tools | 18000-45 | |
| Hydrogel | 70-01-5022 | Clear H20 | |
| Isofluorane | CDMV | 118740 | |
| Lactated Ringer's solution | CDMV | 116373 | |
| Lidocaine (2%) | CDMV | 123684 | |
| Needle 30 ga | CDMV | 4799 | |
| Open-field area | Custom | Circular Plexiglas arena 96 cm diameter, 40 cm wall height | |
| Opthalmic ointment | CDMV | 110704 | |
| Personal computer | With USB3 connectivity to record video with the listed camera | ||
| Physiological saline | CDMV | 1399 | |
| Proviodine | CDMV | 4568 | |
| Rodent Liquid Diet | Bioserv | F1268 | |
| Scalpal blade #11 | CDMV | 6671 | |
| Self-retaining retractor | World Precision Instruments | 14240 | |
| Vannas iridectomy spring scissors | Fine Science Tools | 15002-08 | |
| Veterinary Anesthesia Machine and isofluarane vaporizer | Dispomed | 975-0510-000 | |
| VLC media player | VideoLAN | videolan.org/vlc |
References
- Sharif-Alhoseini, M., et al. Animal models of spinal cord injury: a systematic review. Spinal Cord. 55 (8), 714-721 (2017).
- Sedy, J., Urdzikova, L., Jendelova, P., Sykova, E. Methods for behavioral testing of spinal cord injured rats. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 32 (3), 550-580 (2008).
- Butler, A. B., Hodos, W. . Comparative Vertebrate Neuroanatomy: Evolution and Adaptation. , 139-152 (2005).
- Nudo, R. J., Masterton, R. B. Descending pathways to the spinal cord: a comparative study of 22 mammals. Journal of Comparative Neurology. 277 (1), 53-79 (1988).
- Metz, G. A., et al. Validation of the weight-drop contusion model in rats: a comparative study of human spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 17 (1), 1-17 (2000).
- Friedli, L., et al. Pronounced species divergence in corticospinal tract reorganization and functional recovery after lateralized spinal cord injury favors primates. Science Translational Medicine. 7 (302), 302ra134 (2015).
- Talac, R., et al. Animal models of spinal cord injury for evaluation of tissue engineering treatment strategies. Biomaterials. 25 (9), 1505-1510 (2004).
- Kwon, B. K., Oxland, T. R., Tetzlaff, W. Animal models used in spinal cord regeneration research. Spine. 27 (14), 1504-1510 (2002).
- Brown, A. R., Martinez, M. Ipsilesional motor cortex plasticity participates in spontaneous hindlimb recovery after lateral hemisection of the thoracic spinal cord in the rat. Journal of Neuroscience. 38 (46), 9977-9988 (2018).
- Martinez, M., Brezun, J. M., Bonnier, L., Xerri, C. A new rating scale for open-field evaluation of behavioral recovery after cervical spinal cord injury in rats. Journal of Neurotrauma. 26 (7), 1043-1053 (2009).
- Martinez, M., Brezun, J. M., Zennou-Azogui, Y., Baril, N., Xerri, C. Sensorimotor training promotes functional recovery and somatosensory cortical map reactivation following cervical spinal cord injury. European Journal of Neuroscience. 30 (12), 2356-2367 (2009).
- Martinez, M., et al. Differential tactile and motor recovery and cortical map alteration after C4-C5 spinal hemisection. Experimental Neurology. 221 (1), 186-197 (2010).
- Leszczynska, A. N., Majczynski, H., Wilczynski, G. M., Slawinska, U., Cabaj, A. M. Thoracic hemisection in rats results in initial recovery followed by a late decrement in locomotor movements, with changes in coordination correlated with serotonergic innervation of the ventral horn. PLoS One. 10 (11), e0143602 (2015).
- Ballermann, M., Fouad, K. Spontaneous locomotor recovery in spinal cord injured rats is accompanied by anatomical plasticity of reticulospinal fibers. European Journal of Neuroscience. 23 (8), 1988-1996 (2006).
- Garcia-Alias, G., et al. Chondroitinase ABC combined with neurotrophin NT-3 secretion and NR2D expression promotes axonal plasticity and functional recovery in rats with lateral hemisection of the spinal cord. Journal of Neuroscience. 31 (49), 17788-17799 (2011).
- Petrosyan, H. A., et al. Neutralization of inhibitory molecule NG2 improves synaptic transmission, retrograde transport, and locomotor function after spinal cord injury in adult rats. Journal of Neuroscience. 33 (9), 4032-4043 (2013).
- Schnell, L., et al. Combined delivery of Nogo-A antibody, neurotrophin-3 and the NMDA-NR2d subunit establishes a functional ‘detour’ in the hemisected spinal cord. The European journal of neuroscience. 34 (8), 1256-1267 (2011).
- Shah, P. K., et al. Use of quadrupedal step training to re-engage spinal interneuronal networks and improve locomotor function after spinal cord injury. Brain. 136, 3362-3377 (2013).
- Schucht, P., Raineteau, O., Schwab, M. E., Fouad, K. Anatomical correlates of locomotor recovery following dorsal and ventral lesions of the rat spinal cord. Experimental Neurology. 176 (1), 143-153 (2002).
- Metz, G. A., Merkler, D., Dietz, V., Schwab, M. E., Fouad, K. Efficient testing of motor function in spinal cord injured rats. Brain Research. 883 (2), 165-177 (2000).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Barros Filho, T. E. P. d., Molina, A. E. I. S. Analysis of the sensitivity and reproducibility of the Basso, Beattie, Bresnahan (BBB) scale in Wistar rats. Clinics (Sao Paulo, Brazil). 63 (1), 103-108 (2008).
- Inoue, T., et al. Combined SCI and TBI: recovery of forelimb function after unilateral cervical spinal cord injury (SCI) is retarded by contralateral traumatic brain injury (TBI), and ipsilateral TBI balances the effects of SCI on paw placement. Experimental Neurology. 248, 136-147 (2013).
- Vichaya, E. G., Baumbauer, K. M., Carcoba, L. M., Grau, J. W., Meagher, M. W. Spinal glia modulate both adaptive and pathological processes. Brain, Behavior, and Immunity. 23 (7), 969-976 (2009).
- Ahmed, R. U., Alam, M., Zheng, Y. -. P. Experimental spinal cord injury and behavioral tests in laboratory rats. Heliyon. 5 (3), e01324 (2019).
- Ham, T. R., et al. Automated gait analysis detects improvements after intracellular sigma peptide administration in a rat hemisection model of spinal cord injury. annals of biomedical engineering. 47 (3), 744-753 (2019).
- Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).
- Neckel, N. D., Dai, H. N., Burns, M. P. A novel multidimensional analysis of rodent gait reveals the compensation strategies employed during spontaneous recovery from spinal cord and traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. , (2018).
- Fouad, K., Metz, G. A. S., Merkler, D., Dietz, V., Schwab, M. E. Treadmill training in incomplete spinal cord injured rats. Behavioural Brain Research. 115 (1), 107-113 (2000).
- Thibaudier, Y., et al. Interlimb coordination during tied-belt and transverse split-belt locomotion before and after an incomplete spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 34 (9), 1751-1765 (2017).
- Alluin, O., et al. Kinematic study of locomotor recovery after spinal cord clip compression injury in rats. Journal of Neurotrauma. 28 (9), 1963-1981 (2011).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Effect of locomotor training in completely spinalized cats previously submitted to a spinal hemisection. Journal of Neuroscience. 32 (32), 10961-10970 (2012).
- Behrmann, D. L., Bresnahan, J. C., Beattie, M. S., Shah, B. R. Spinal cord injury produced by consistent mechanical displacement of the cord in rats: behavioral and histologic analysis. Journal of Neurotrauma. 9 (3), 197-217 (1992).
- Soblosky, J. S., Colgin, L. L., Chorney-Lane, D., Davidson, J. F., Carey, M. E. Ladder beam and camera video recording system for evaluating forelimb and hindlimb deficits after sensorimotor cortex injury in rats. Journal of Neuroscience Methods. 78 (1-2), 75-83 (1997).
- Bareyre, F. M., et al. The injured spinal cord spontaneously forms a new intraspinal circuit in adult rats. Nature Neuroscience. 7 (3), 269-277 (2004).
- Courtine, G., et al. Recovery of supraspinal control of stepping via indirect propriospinal relay connections after spinal cord injury. Nature Medicine. 14 (1), 69-74 (2008).
- van den Brand, R., et al. Restoring voluntary control of locomotion after paralyzing spinal cord injury. Science. 336 (6085), 1182-1185 (2012).
- Lukovic, D., et al. Complete rat spinal cord transection as a faithful model of spinal cord injury for translational cell transplantation. Scientific Reports. 5, 9640-9640 (2015).
- Wilson, S., et al. The hemisection approach in large animal models of spinal cord injury: overview of methods and applications. Journal of Investigative Surgery. 10, 1-12 (2018).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Incomplete spinal cord injury promotes durable functional changes within the spinal locomotor circuitry. Journal of Neurophysiology. 108 (1), 124-134 (2012).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Recovery of hindlimb locomotion after incomplete spinal cord injury in the cat involves spontaneous compensatory changes within the spinal locomotor circuitry. Journal of Neurophysiology. 106 (4), 1969-1984 (2011).
- Capogrosso, M., et al. A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature. 539, 284-288 (2016).
