Induksjon av diffus axonal hjerneskade hos rotter basert på rotasjonsakselerasjon
Summary
Denne protokollen validerer en pålitelig, lett-å-utføre og reproduserbar gnagermodell av hjernediffus aksonal skade (DAI) som induserer utbredt hvit materieskade uten kraniebrudd eller kontusjoner.
Abstract
Traumatisk hjerneskade (TBI) er en viktig årsak til død og funksjonshemning. Diffus aksonal skade (DAI) er den dominerende skademekanismen hos en stor andel TBI-pasienter som krever sykehusinnleggelse. DAI innebærer omfattende aksonalskade fra risting, rotasjon eller blastskade, noe som fører til rask aksonal strekkskade og sekundære aksonale endringer som er forbundet med en langvarig innvirkning på funksjonell gjenoppretting. Historisk har eksperimentelle modeller av DAI uten fokalskade vært vanskelig å designe. Her validerer vi en enkel, reproduserbar og pålitelig gnagermodell av DAI som forårsaker omfattende hvit materieskade uten kraniebrudd eller kontusjoner.
Introduction
Traumatisk hjerneskade (TBI) er en viktig årsak til død og funksjonshemning i USA. TBIer bidrar til ca 30% av alle skaderelaterte dødsfall1,2. De viktigste årsakene til TBI varierer blant aldersgrupper og inkluderer fall, høyhastighetskollisjoner under sport, forsettlig selvskading, motorvognkrasj og angrep1,2,3.
Hjernediffus aksonal skade (DAI) er en bestemt type TBI indusert av rotasjonsakselerasjon, risting eller blast skade av hjernen som følge av ubegrenset hodebevegelse i umiddelbar tid etter skade4,5,6,7,8. DAI innebærer omfattende aksonal skade som fører til langvarig nevrologisk svekkelse som er forbundet med dårlig resultat, tyngende helsekostnader og en 33-64% dødelighet1,2,4,5,9,10,11. Til tross for betydelig nyere forskning på patogenesen av DAI, har det ikke vært en konsensus om beste behandlingstilbud11,12,13,14.
I løpet av de siste tiårene har mange eksperimentelle modeller forsøkt å nøyaktig gjenskape ulike aspekter ved DAI11,12,15,16. Disse modellene har imidlertid begrensninger gitt den unike presentasjonen av DAI sammenlignet med andre fokusskader. Disse tidligere modellene forårsaker ikke bare aksonalskade i hvite substansregioner, men resulterer også i fokale hjerneskader. Klinisk er DAI ledsaget av mikroblødninger, noe som kan utgjøre en viktig årsak til skade på hvit substans.
Bare to dyremodeller har vist seg å gjenskape de viktigste kliniske egenskapene til DAI. Gennarelli og kolleger produserte den første laterale hoderotasjonsenheten i 1982, ved hjelp av rotasjonsakselerasjon for ikke-støt for å indusere koma med DAI i en ikke-menneskelig primatmodell15. Denne primatmodellen brukte kontrollert enkeltrotasjon for akselerasjon og retardasjon for å fortrenge hodet gjennom 60° innen 10-20 ms. Denne teknikken var i stand til å etterligne nedsatt bevissthet og utbredt aksonal skade som lignet effekten av alvorlig TBI observert i menneskelige hjerner. Men primat modeller er svært dyrt4,11,16. Basert delvis på den forrige modellen, ble en grismodell av rotasjonsakselerasjon hjerneskade designet i 1994 (Ross et al.) med lignende resultater14.
Disse to dyremodellene, selv om de produserte forskjellige presentasjoner av typisk patologi, har lagt sterkt til begrepene DAI patogenese. Rask hoderotasjon er generelt akseptert som den beste metoden for å indusere DAI, og gnagere gir en billigere modell for de raske hoderotasjonsstudiene11,16. Her validerer vi en enkel, reproduserbar og pålitelig gnagermodell av DAI som forårsaker omfattende skade på hvit materie uten kraniebrudd eller kontusjoner. Denne nåværende modellen vil muliggjøre bedre forståelse av patofysiologien til DAI og utvikling av mer effektive behandlinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver en gnagermodell av DAI. I DAI forårsaker rotasjonsakselerasjon på hjernen en skjæreffekt som utløser aksonale og biokjemiske endringer som fører til tap av aksonal funksjon i en progressiv prosess. Sekundære aksonale endringer produseres av en rask aksonal strekkskade og er variabel i deres grad og alvorlighetsgrad4,5,10. Innen timer til dager etter den primære skaden, vil biokjemiske endringer…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkjenner takknemlig Dr. Nathan Kleeorin (Institutt for maskinteknikk, Ben-Gurion University of the Negev) for hans hjelp med de biomekaniske målingene. Også, vi takker professor Olena Severynovska, Maryna Kuscheriava, Maksym Kryvonosov, Daryna Yakumenko og Evgenia Goncharyk av Institutt for fysiologi, Fakultet for biologi, økologi og medisin, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Ukraina for hennes støtte og nyttige bidrag til våre diskusjoner.
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).
