Induktion af diffus axonal hjerneskade hos rotter baseret på rotationsacceleration
Summary
Denne protokol validerer en pålidelig, nem at udføre og reproducerbare gnavere model af hjernen diffus axonal skade (DAI), der inducerer udbredt hvide stof skader uden kraniebrud eller kvæstelser.
Abstract
Traumatisk hjerneskade (TBI) er en væsentlig årsag til død og invaliditet. Diffus aksonal skade (DAI) er den fremherskende mekanisme til skade i en stor procentdel af TBI patienter, der kræver hospitalsindlæggelse. DAI indebærer udbredt axonal skade fra rysten, rotation eller blast skade, fører til hurtig axonal stretch skade og sekundære axonal ændringer, der er forbundet med en langvarig indvirkning på funktionel genopretning. Historisk set har eksperimentelle modeller af DAI uden fokale skader været vanskelige at designe. Her validerer vi en enkel, reproducerbar og pålidelig gnavermodel af DAI, der forårsager udbredt skade på hvidt stof uden kraniebrud eller kontusioner.
Introduction
Traumatisk hjerneskade (TBI) er en væsentlig årsag til død og invaliditet i USA. Tuberkulose bidrager til ca. 30 % af alle personskader1,2. De førende årsager til TBI varierer mellem aldersgrupper og omfatter fald, højhastighedskollisioner under sport, forsætlig selvskade, bilulykker og overfald1,2,3.
Hjernediffus axonal skade (DAI) er en specifik type TBI induceret af roterende acceleration, omrystning eller blast skade af hjernen som følge af ubegrænset hoved bevægelse i det øjeblik efter skade4,5,6,7,8. DAI indebærer omfattende aksonale skader, der fører til langvarig neurologisk svækkelse, der er forbundet med dårligt resultat, byrdefulde udgifter til sundhedspleje og en dødelighed på 33-64 %1,2,4,5,9,10,11. På trods af betydelig nyere forskning i DAI’s patogenese har der ikke været enighed om de bedste behandlingsmuligheder11,12,13,14.
I løbet af de seneste årtier har talrige forsøgsmodeller forsøgt præcist at kopiere forskellige aspekter af DAI11,12,15,16. Men disse modeller har begrænsninger i betragtning af den unikke præsentation af DAI i forhold til andre fokale skader. Disse tidligere modeller ikke kun forårsage axonal skade i hvide stof regioner, men også resultere i fokale hjerneskader. Klinisk, DAI er ledsaget af mikro blødninger, som kan udgøre en væsentlig årsag til skader på hvidt stof.
Kun to dyremodeller har vist sig at kopiere de vigtigste kliniske træk ved DAI. Gennarelli og kolleger produceret den første laterale hoved rotation enhed i 1982, ved hjælp af nonimpact hoved rotationsacceleration at fremkalde koma med DAI i en ikke-menneskelig primat model15. Denne primatmodel anvendte kontrolleret enkelt rotation for acceleration og deceleration for at fortrænge hovedet gennem 60° inden for 10-20 ms. Denne teknik var i stand til at efterligne nedsat bevidsthed og udbredt aksonal skade, der lignede virkningerne af svær TBI observeret i menneskelige hjerner. Men primat modeller er meget dyre4,11,16. Baseret på en delvis på den tidligere model, en gris model af roterende acceleration hjerneskade blev designet i 1994 (Ross et al.) med lignende resultater14.
Disse to dyremodeller, selv om de producerede forskellige præsentationer af typisk patologi, har tilføjet meget til begreberne DAI patogenese. Hurtig hovedrotation er generelt accepteret som den bedste metode til at fremkalde DAI, og gnavere giver en billigere model for den hurtige hovedrotationsundersøgelser11,16. Her validerer vi en enkel, reproducerbar og pålidelig gnavermodel af DAI, der forårsager udbredt skade på hvidt stof uden kraniebrud eller kontusioner. Denne nuværende model vil give en bedre forståelse af patosiologi af DAI og udvikling af mere effektive behandlinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver en gnavermodel af DAI. I DAI forårsager rotationsacceleration på hjernen en forskydningseffekt, der udløser axonale og biokemiske ændringer, der fører til tab af aksonal funktion i en progressiv proces. Sekundære aksonale ændringer skyldes en hurtig aksonale strækskade og varierer i omfang og alvor4,5,10. Inden for få timer til dage efter den primære skade vil biokemiske ændringer føre til ta…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne taknemmeligt anerkende Dr. Nathan Kleeorin (Institut for Maskinteknik, Ben-Gurion University of the Negev) for hans hjælp med biomekaniske målinger. Vi takker også professor Olena Severynovska, Maryna Kuscheriava, Maksym Kryvonosov, Daryna Yakumenko og Evgenia Goncharyk fra Institut for Fysiologi, Fakultetet for Biologi, Økologi og Medicin, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Ukraine for hendes støtte og nyttige bidrag til vores drøftelser.
Materials
| 0.01 M sodium citrate | SIGMA – ALDRICH | ||
| 2.5% normal horse serum | SIGMA – ALDRICH | H0146 | Liquid |
| 4 % buffered formaldehyde solution | |||
| Anti-Amyloid Precursor Protein, C – terminal antibodyproduced in rabbit | SIGMA – ALDRICH | Lot 056M4867V | |
| biotinylated secondary antibody | Vector | BA-1000-1.5 | 10 mM sodium phosphate, pH 7.8, 0.15 M NaCl, 0.08% sodium azide, 3 mg/ml bovine serum albumin |
| bone-cutting forceps | |||
| DAB Peroxidase (HRP) Substrate Kit (with Nickel), 3,3’-diaminobenzidine | vector laboratory | ||
| embedding cassettes | |||
| ethanol 99.9 % | ROMICAL | Flammable Liquid | |
| guillotine | |||
| Hematoxylin | SIGMA – ALDRICH | H3136-25G | |
| Hydrogen peroxide solution | Millipore | 88597-100ML-F | |
| Isofluran, USP 100% | Piramamal Critical Care, Inc | ||
| Olympus BX 40 microscope | Olympus | ||
| paraffine | paraplast plus leica biosystem | Tissue embedding medium | |
| phosphate-buffered saline (PBS) | SIGMA – ALDRICH | P5368-10PAK | Contents of one pouch, when dissolved in one liter of distilled or deionized water, will yield 0.01 M phosphate buffered saline (NaCl 0.138 M; KCl – 0.0027 M); pH 7.4, at 25 °C. |
| Streptavidin HRP | ABCAM | ab64269 | Streptavidin-HRP for use with biotinylated secondary antibodies during IHC / immunohistochemistry. |
| xylene |
References
- Faul, M., Wald, M. M., Xu, L., Coronado, V. G. Traumatic brain injury in the United States; emergency department visits, hospitalizations, and deaths, 2002-2006. US Government. , (2010).
- Taylor, C. A., Bell, J. M., Breiding, M. J., Xu, L. Traumatic Brain Injury-Related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths – United States, 2007 and 2013. MMWR Surveillance Summaries. 66, 1-16 (2017).
- Peterson, A. B., Xu, L., Daugherty, J., Breiding, M. J. Surveillance report of traumatic brain injury-related emergency department visits, hospitalizations, and deaths, United States, 2014. US Government. , (2014).
- Su, E., Bell, M. Diffuse axonal injury. Translational Research in Traumatic Brain Injury. 57, 41 (2016).
- Hammoud, D. A., Wasserman, B. A. Diffuse axonal injuries: pathophysiology and imaging. Neuroimaging Clinics. 12, 205-216 (2002).
- Adams, J. H., Graham, D. I., Gennarelli, T. A., Maxwell, W. L. Diffuse axonal injury in non-missile head injury. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 54, 481-483 (1991).
- Slazinski, T., Johnson, M. C. Severe diffuse axonal injury in adults and children. Journal of Neuroscience Nursing. 26, 151-154 (1994).
- Gentleman, S. M., et al. Axonal injury: a universal consequence of fatal closed head injury. Acta Neuropathologica. 89, 537-543 (1995).
- Marehbian, J., Muehlschlegel, S., Edlow, B. L., Hinson, H. E., Hwang, D. Y. Medical Management of the Severe Traumatic Brain Injury Patient. Neurocritical Care. 27, 430-446 (2017).
- Adams, J. H., et al. Diffuse axonal injury in head injury: definition, diagnosis and grading. Histopathology. 15, 49-59 (1989).
- Xiao-Sheng, H., Sheng-Yu, Y., Xiang, Z., Zhou, F., Jian-ning, Z. Diffuse axonal injury due to lateral head rotation in a rat model. Journal of Neurosurgery. 93, 626-633 (2000).
- Ross, D. T., Meaney, D. F., Sabol, M. K., Smith, D. H., Gennarelli, T. A. Distribution of forebrain diffuse axonal injury following inertial closed head injury in miniature swine. Experimental Neurology. 126, 291-299 (1994).
- Bullock, R. Opportunities for neuroprotective drugs in clinical management of head injury. Journal of Emergency Medicine. 11, 23-30 (1993).
- Gennarelli, T. A. Mechanisms of brain injury. Journal of Emergency Medicine. 11, 5-11 (1993).
- Gennarelli, T. A., et al. Diffuse axonal injury and traumatic coma in the primate. Annals of Neurology. 12, 564-574 (1982).
- Xiaoshengi, H., Guitao, Y., Xiang, Z., Zhou, F. A morphological study of diffuse axonal injury in a rat model by lateral head rotation trauma. Acta Neurologica Belgica. 110, 49-56 (2010).
- Zlotnik, A., et al. beta2 adrenergic-mediated reduction of blood glutamate levels and improved neurological outcome after traumatic brain injury in rats. Journal of Neurosurgical Anesthesiology. 24, 30-38 (2012).
- Boyko, M., et al. An Alternative Model of Laser-Induced Stroke in the Motor Cortex of Rats. Biological Procedures Online. 21, 9 (2019).
- Boyko, M., et al. The neuro-behavioral profile in rats after subarachnoid hemorrhage. Brain Research. 1491, 109-116 (2013).
- Ma, J., Zhang, K., Wang, Z., Chen, G. Progress of Research on Diffuse Axonal Injury after Traumatic Brain Injury. Neural Plasticity. 2016, 9746313 (2016).
- Medana, I. M., Esiri, M. M. Axonal damage: a key predictor of outcome in human CNS diseases. Brain. 126, 515-530 (2003).
- Tang-Schomer, M. D., Johnson, V. E., Baas, P. W., Stewart, W., Smith, D. H. Partial interruption of axonal transport due to microtubule breakage accounts for the formation of periodic varicosities after traumatic axonal injury. Experimental Neurology. 233, 364-372 (2012).
- Johnson, V. E., Stewart, W., Smith, D. H. Traumatic brain injury and amyloid-beta pathology: a link to Alzheimer’s disease. Nature Reviews Neuroscience. 11, 361-370 (2010).
- Sherriff, F. E., Bridges, L. R., Sivaloganathan, S. Early detection of axonal injury after human head trauma using immunocytochemistry for beta-amyloid precursor protein. Acta Neuropathologica. 87, 55-62 (1994).
- Reichard, R. R., White, C. L., Hladik, C. L., Dolinak, D. Beta-amyloid precursor protein staining of nonaccidental central nervous system injury in pediatric autopsies. Journal of Neurotrauma. 20, 347-355 (2003).
- Gentleman, S. M., Nash, M. J., Sweeting, C. J., Graham, D. I., Roberts, G. W. Beta-amyloid precursor protein (beta APP) as a marker for axonal injury after head injury. Neuroscience Letters. 160, 139-144 (1993).
- Smith, D. H., Hicks, R., Povlishock, J. T. Therapy development for diffuse axonal injury. Journal of Neurotrauma. 30, 307-323 (2013).
- McKenzie, K. J., et al. Is beta-APP a marker of axonal damage in short-surviving head injury. Acta Neuropathologica. 92, 608-613 (1996).
- Wilkinson, A., Bridges, L., Sivaloganathan, S. Correlation of survival time with size of axonal swellings in diffuse axonal injury. Acta Neuropathologicaogica. 98, 197-202 (1999).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22, 42-75 (2005).
- Alder, J., Fujioka, W., Lifshitz, J., Crockett, D. P., Thakker-Varia, S. Lateral fluid percussion: model of traumatic brain injury in mice. Journal of Visualized Experiments. , e3063 (2011).
- Povlishock, J., Marmarou, A., McIntosh, T., Trojanowski, J., Moroi, J. Impact acceleration injury in the rat: evidence for focal axolemmal change and related neurofilament sidearm alteration. Journal of Neuropathology & Experimental Neurology. 56, 347-359 (1997).
- Heath, D. L., Vink, R. Impact acceleration-induced severe diffuse axonal injury in rats: characterization of phosphate metabolism and neurologic outcome. Journal of Neurotrauma. 12, 1027-1034 (1995).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5, 1-15 (1988).
- Palmer, A. M., et al. Traumatic brain injury-induced excitotoxicity assessed in a controlled cortical impact model. Journal of Neurochemistry. 61, 2015-2024 (1993).
- Hamm, R. J., et al. Cognitive deficits following traumatic brain injury produced by controlled cortical impact. Journal of Neurotrauma. 9, 11-20 (1992).
- Nyanzu, M., et al. Improving on Laboratory Traumatic Brain Injury Models to Achieve Better Results. International Journal of Medical Sciences. 14, 494-505 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Lighthall, J. W., Dixon, C. E., Anderson, T. E. Experimental models of brain injury. Journal of Neurotrauma. 6, 83-97 (1989).
- Meaney, D. F., et al. Modification of the cortical impact model to produce axonal injury in the rat cerebral cortex. Journal of Neurotrauma. 11, 599-612 (1994).
