Induktion av diffus axonal hjärnskada hos råttor baserat på rotationsacceleration
Summary
Detta protokoll validerar en pålitlig, lätt att utföra och reproducerbara gnagare modell av hjärnan diffusa axonal skada (DAI) som inducerar utbredd vit fråga skada utan skalle frakturer eller kontusioner.
Abstract
Traumatisk hjärnskada (TBI) är en viktig orsak till dödsfall och funktionshinder. Diffusa axonal skada (DAI) är den dominerande mekanismen för skada i en stor andel av TBI patienter som kräver sjukhusvistelse. DAI innebär omfattande axonal skador från skakningar, rotation eller blast skada, vilket leder till snabb axonal stretch skada och sekundära axonal förändringar som är associerade med en långvarig inverkan på funktionella återhämtning. Historiskt sett har experimentella modeller av DAI utan fokal skada varit svåra att utforma. Här validerar vi en enkel, reproducerbar och pålitlig gnagare modell av DAI som orsakar omfattande vit materia skada utan skallfrakturer eller kontusioner.
Introduction
Traumatisk hjärnskada (TBI) är en viktig orsak till dödsfall och funktionshinder i USA. Tbi bidrar till cirka 30 % av alla skaderelaterade dödsfall1,2. De främsta orsakerna till TBI skiljer sig mellan åldersgrupper och inkluderar fall, snabba kollisioner under sport, avsiktlig självskada, motorfordon kraschar och överfall1,2,3.
Hjärnan diffusa axonal skada (DAI) är en specifik typ av TBI framkallas av rotationsacceleration, skakning eller blast skada i hjärnan till följd av obegränsad huvudrörelse i omedelbar efter skada4,5,6,7,8. DAI innebär omfattande axonal skador som leder till långvariga neurologiska nedskrivningar som är förknippade med dåligt resultat, betungande sjukvårdskostnader, och en 33-64% dödlighet1,,2,4,5,9,10,11. Trots betydande ny forskning om patogenesen vid DAI, har det inte funnits en enighet om bästa behandlingsalternativ11,12,13,14.
Under de senaste decennierna har många experimentella modeller försökt att exakt replikera olika aspekter av DAI11,12,15,16. Dessa modeller har dock begränsningar med tanke på den unika presentationen av DAI jämfört med andra fokalskador. Dessa tidigare modeller inte bara orsaka axonal skada i vita frågor regioner men också resultera i fokal cerebrala skador. Kliniskt åtföljs DAI av mikro blödningar, som kan utgöra en viktig orsak till skador på vit materia.
Endast två djurmodeller har visat sig replikera de viktigaste kliniska funktionerna i DAI. Gennarelli och kollegor producerade den första laterala huvudrotationsenheten 1982, med hjälp av icke-effekt huvudrotationsacceleration för att inducera koma med DAI i en icke-mänsklig primatmodell15. Denna primat modell används kontrollerad enda rotation för acceleration och retardation att tränga huvudet genom 60 ° inom 10-20 ms. Denna teknik kunde efterlikna nedsatt medvetande och utbredd axonal skada som liknade effekterna av allvarliga TBI observerats i mänskliga hjärnor. Men primatmodeller är mycket dyra4,,11,16. Baserat delvis på den tidigare modellen, en gris modell av roterande acceleration hjärnskada utformades 1994 (Ross et al.) med liknande resultat14.
Dessa två djurmodeller, även om de producerade olika presentationer av typiska patologi, har lagt mycket till begreppen DAI patogenes. Snabb huvudrotation är allmänt accepterad som den bästa metoden för att inducera DAI, och gnagare ger en billigare modell för de snabba huvudrotationsstudierna11,16. Här validerar vi en enkel, reproducerbar och pålitlig gnagare modell av DAI som orsakar omfattande vit materia skada utan skallfrakturer eller kontusioner. Denna nuvarande modell kommer att möjliggöra bättre förståelse av patofysiologi av DAI och utveckling av effektivare behandlingar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver en gnagare modell av DAI. I DAI, roterande acceleration på hjärnan orsakar en skjuvning effekt som utlöser axonal och biokemiska förändringar som leder till förlust av axonal funktion i en progressiv process. Sekundära axonal förändringar produceras av en snabb axonal stretch skada och varierar i sin omfattning och svårighetsgrad4,5,10. Inom några timmar till dagar efter den primära skadan, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt Dr Nathan Kleeorin (Institutionen för maskinteknik, Ben-Gurion University of the Negev) för hans hjälp med biomekaniska mätningar. Vi tackar också professor Olena Severynovska, Maryna Kuscheriava, Maksym Kryvonosov, Daryna Yakumenko och Evgenia Goncharyk vid institutionen för fysiologi, fakulteten för biologi, ekologi och medicin, Oles Honchar Dnipro University, Dnipro, Ukraina för hennes stöd och användbara bidrag till våra diskussioner.
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).
