نموذج مغلق الرأس يتم التحكم فيه كهرومغناطيسيا لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة في الفئران
Summary
يصف البروتوكول إصابات الدماغ الرضحية الخفيفة في نموذج الفأر. على وجه الخصوص ، يتم شرح بروتوكول خطوة بخطوة للحث على إصابة خفيفة في الرأس المغلق في خط الوسط وتوصيف النموذج الحيواني بشكل كامل.
Abstract
هناك حاجة إلى نماذج حيوانية قابلة للتكرار للغاية لإصابات الدماغ الرضحية (TBI) ، مع أمراض محددة جيدا ، لاختبار التدخلات العلاجية وفهم آليات كيفية تغيير TBI لوظائف الدماغ. يعد توفر نماذج حيوانية متعددة من إصابات الدماغ الرضية ضروريا لنمذجة الجوانب والشدة المختلفة لإصابات الدماغ الرضية التي تظهر في البشر. تصف هذه المخطوطة استخدام إصابة الرأس المغلقة في خط الوسط (CHI) لتطوير نموذج فأر من إصابات الدماغ الرضية الخفيفة. يعتبر النموذج خفيفا لأنه لا ينتج آفات دماغية هيكلية تعتمد على التصوير العصبي أو فقدان الخلايا العصبية الإجمالي. ومع ذلك ، فإن تأثير واحد يخلق ما يكفي من الأمراض بحيث يكون الضعف الإدراكي قابلا للقياس على الأقل 1 شهر بعد الإصابة. تم تعريف بروتوكول خطوة بخطوة للحث على CHI في الفئران باستخدام تأثير كهرومغناطيسي موجه بشكل مجسم في الورقة. تشمل فوائد نموذج CHI المعتدل لخط الوسط إمكانية تكرار التغييرات الناجمة عن الإصابة مع انخفاض معدل الوفيات. تم تمييز النموذج مؤقتا حتى 1 سنة بعد الإصابة بالتصوير العصبي والكيمياء العصبية والعصبية المرضية والتغيرات السلوكية. النموذج مكمل لنماذج الجمجمة المفتوحة ذات التأثير القشري المتحكم فيه باستخدام نفس جهاز التصادم. وبالتالي ، يمكن للمختبرات نمذجة كل من إصابات الدماغ الرضية المنتشرة الخفيفة وإصابات الدماغ الرضية البؤرية المتوسطة إلى الشديدة بنفس التأثير.
Introduction
تحدث إصابات الدماغ الرضحية (TBI) بسبب قوة خارجية على الدماغ ، وغالبا ما ترتبط بالسقوط أو الإصابات الرياضية أو العنف الجسدي أو حوادث الطرق. في عام 2014 ، قررت مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها أن 2.53 مليون أمريكي زاروا قسم الطوارئ لطلب المساعدة الطبية للحوادث المرتبطة بإصابات الدماغالرضية 1. نظرا لأن إصابات الدماغ الرضية الخفيفة (mTBI) تمثل غالبية حالات إصابات الدماغ الرضية ، على مدى العقود العديدة الماضية ، تم اعتماد نماذج متعددة من إصابات الدماغ الرضية ، والتي تشمل انخفاض الوزن ، وإصابة الرأس المغلقة التي يحركها المكبس والتأثير القشري المتحكم فيه ، وإصابة الدوران ، وإصابة قرع السوائل الخفيفة ، ونماذج إصابةالانفجار 2,3. يعد عدم تجانس نماذج mTBI مفيدا لمعالجة الميزات المختلفة المرتبطة ب mTBI التي تظهر في الأشخاص وللمساعدة في تقييم الآليات الخلوية والجزيئية المرتبطة بإصابة الدماغ.
من بين النماذج الشائعة الاستخدام لإصابة الرأس المغلقة ، فإن أحد النماذج الأولى والأكثر استخداما هو طريقة إنقاص الوزن ، حيث يتم إسقاط جسم من ارتفاع معين على رأس الحيوان (مخدر أو مستيقظ)2,4. في طريقة إنقاص الوزن ، تعتمد شدة الإصابة على عدة معايير ، بما في ذلك حج القحف الذي يتم إجراؤه أم لا ، والرأس ثابت أو حر ، ومسافة ووزن الجسم الساقط 2,4. أحد عيوب هذا النموذج هو التباين الكبير في شدة الإصابة وارتفاع معدل الوفيات المرتبط بالاكتئاب التنفسي 5,6. البديل الشائع هو توصيل التأثير باستخدام جهاز هوائي أو كهرومغناطيسي ، والذي يمكن إجراؤه مباشرة على الجافية المكشوفة (التأثير القشري المتحكم فيه: CCI) أو الجمجمة المغلقة (إصابة الرأس المغلقة: CHI). واحدة من نقاط القوة في الإصابة التي يحركها المكبس هي قابلية التكاثر العالية وانخفاض معدل الوفيات. ومع ذلك ، يتطلب CCI حج القحف 7,8 ، وحج القحف نفسه يحفز الالتهاب9. بدلا من ذلك ، في نموذج CHI ، ليست هناك حاجة لحج القحف. كما ذكرنا سابقا ، كل نموذج له قيود. أحد قيود نموذج CHI الموصوف في هذه الورقة هو أن الجراحة تتم باستخدام إطار تجسيمي ، ويتم تجميد رأس الحيوان. في حين أن التثبيت الكامل للرأس يضمن قابلية التكاثر ، إلا أنه لا يفسر الحركة بعد التأثير الذي يمكن أن يساهم في الإصابة المرتبطة ب mTBI.
يصف هذا البروتوكول طريقة أساسية لأداء تأثير CHI باستخدام جهاز تأثير كهرومغناطيسي متاح تجاريا10 في الماوس. يفصل هذا البروتوكول المعلمات الدقيقة المعنية لتحقيق إصابة قابلة للتكرار بدرجة كبيرة. على وجه الخصوص ، يتمتع المحقق بتحكم دقيق في المعلمات (عمق الإصابة ، ووقت السكون ، وسرعة التأثير) لتحديد شدة الإصابة بدقة. كما هو موضح ، ينتج نموذج CHI هذا إصابة تؤدي إلى أمراض ثنائية ، منتشرة ومجهرية (أي التنشيط المزمن للتلف الدبقي والمحوري والأوعية الدموية) ، والأنماط الظاهرية السلوكية11،12،13،14،15. بالإضافة إلى ذلك ، يعتبر النموذج الموصوف خفيفا لأنه لا يحفز آفات الدماغ الهيكلية على أساس التصوير بالرنين المغناطيسي أو الآفات الإجمالية على علم الأمراض حتى بعد عام واحد من الإصابة16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتم تضمين عدة خطوات في إعادة إنشاء نموذج إصابة متسق باستخدام النموذج الموصوف. أولا ، من الأهمية بمكان تأمين الحيوان بشكل صحيح في الإطار المجسم. يجب ألا يكون رأس الحيوان قادرا على التحرك بشكل جانبي ، ويجب أن تكون الجمجمة مسطحة تماما مع قراءة bregma و lambda نفس الإحداثيات. يعد وضع قضبان الأذن بشكل…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المعاهد الوطنية للصحة تحت أرقام الجوائز R01NS120882 و RF1NS119165 و R01NS103785 ورقم جائزة وزارة الدفاع AZ190017. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل الآراء الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة أو وزارة الدفاع.
Materials
| 9 mm Autoclip Applier | Braintree scientific | ACS- APL | Surgery |
| 9 mm Autoclip Remover | Braintree scientific | ACS- RMV | Surgery |
| 9 mm Autoclip, Case of 1,000 clips | Braintree scientific | ACS- CS | Surgery (Staples) |
| Aperio ImageScope software | Leica BioSystems | NA | IHC |
| BladeFLASK Blade Remover | Fisher Scientific | 22-444-275 | Surgery |
| Cotton tip applicator | VWR | 89031-270 | Surgery |
| Digitial mouse stereotaxic frame | Stoelting | 51730D | Surgery |
| Dumont #7 Forceps | Roboz | RS-5047 | Surgery |
| Ear bars | Stoelting | 51649 | Surgery |
| EthoVision XT 11.0 | Noldus Information Technology | NA | RAWM |
| Fiber-Lite | Dolan-Jeffer Industries | UN16103-DG | Surgery |
| Fisherbrand Bulb for Small Pipets | Fisher Scientific | 03-448-21 | Head support apparatus |
| Gemini Avoidance System | San Diego Instruments | NA | Active avoidance |
| Heating Pad | Sunbeam | 732500000U | Surgery prep |
| HRP conjugated goat anti-rabbit IgG | Jackson Immuno Research laboratories | 111-065-144 | IHC |
| Induction chamber | Kent Scientific | VetFlo-0530XS | Surgery prep |
| Isoflurane, USP | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | Surgery |
| Mouse gas anesthesia head holder | Stoelting | 51609M | Surgery |
| Neuropactor Stereotaxic Impactor | Neuroscience Tools | n/a | Surgery: Formally distributed by Lecia as impact one |
| NexGen Mouse 500 | Allentown | n/a | Post-surgery, holding cage |
| Parafilm | Bemis | PM992 | Head support apparatus |
| Peanut – Professional Hair Clipper | Whal | 8655-200 | Surgery prep |
| Povidone-Iodine Solution USP, 10% (w/v), 1% (w/v) available Iodine, for laboratory | Ricca | 3955-16 | Surgery |
| Puralube Vet Oinment,petrolatum ophthalmic ointment, Sterile ocular lubricant | Dechra | 17033-211-38 | Surgery |
| Rabbit anti-GFAP | Dako | Z0334 | IHC |
| Rabbit anti-IBA1 | Wako | 019-19741 | IHC |
| 8-arm Radial Arm Water Maze | MazeEngineers | n/a | RAWM |
| Scale | OHAUS CS series | BAL-101 | Surgery prep |
| Scalpel Handle #7 Solid 6.25" | Roboz | RS-9847 | Surgery |
| Sterile Alcohol Prep Pads (isopropyl alcohol 70% v/v) | Fisher Brand | 22-363-750 | Surgery prep |
| SumnoSuite low-flow anesthesia system | Kent Scientific | SS-01 | Surgery |
| 10 mL syringe Luer-Lok Tip | BD Bard-Parker | 302995 | Head support apparatus |
| Timers | Fisher Scientific | 6KED8 | Surgery |
| Topical anesthetic cream | L.M.X 4 | NDC 0496-0882-15 | Surgery prep |
| Triple antibiotic ointment | Major | NDC 0904-0734-31 | Post-surgery |
| Tubing | MasterFlex | 96410-16 | Head support apparatus |
| Vaporizer Single Channel Anesthesia System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Surgery prep |
References
- Capizzi, A., Woo, J., Verduzco-Gutierrez, M. Traumatic brain injury: An overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. The Medical Clinics of North America. 104 (2), 213-238 (2020).
- Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Albert-Weissenberger, C., Varrallyay, C., Raslan, F., Kleinschnitz, C., Siren, A. L. An experimental protocol for mimicking pathomechanisms of traumatic brain injury in mice. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4, 1 (2012).
- Chen, Y., Constantini, S., Trembovler, V., Weinstock, M., Shohami, E. An experimental model of closed head injury in mice: pathophysiology, histopathology, and cognitive deficits. Journal of Neurotrauma. 13 (10), 557-568 (1996).
- Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
- Schwulst, S. J., Islam, M. Murine model of controlled cortical impact for the induction of traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (150), e60027 (2019).
- Cole, J. T., et al. Craniotomy: True sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
- Brody, D. L., et al. Electromagnetic controlled cortical impact device for precise, graded experimental traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (4), 657-673 (2007).
- Webster, S. J., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Bachstetter, A. D. Closed head injury in an age-related Alzheimer mouse model leads to an altered neuroinflammatory response and persistent cognitive impairment. The Journal of Neuroscience. 35 (16), 6554-6569 (2015).
- Macheda, T., Roberts, K. N., Morganti, J. M., Braun, D. J., Bachstetter, A. D. Optimization and validation of a modified radial-arm water maze protocol using a murine model of mild closed head traumatic brain injury. PLoS One. 15 (8), 0232862 (2020).
- Macheda, T., Snider, H. C., Watson, J. B., Roberts, K. N., Bachstetter, A. D. An active avoidance behavioral paradigm for use in a mild closed head model of traumatic brain injury in mice. Journal of Neuroscience Methods. 343, 108831 (2020).
- Bachstetter, A. D., et al. Attenuation of traumatic brain injury-induced cognitive impairment in mice by targeting increased cytokine levels with a small molecule experimental therapeutic. Journal of Neuroinflammation. 12, 69 (2015).
- Bachstetter, A. D., et al. The effects of mild closed head injuries on tauopathy and cognitive deficits in rodents: Primary results in wild type and rTg4510 mice, and a systematic review. Experimental Neurology. 326, 113180 (2020).
- Lyons, D. N., et al. A mild traumatic brain injury in mice produces lasting deficits in brain metabolism. Journal of Neurotrauma. 35 (20), 2435-2447 (2018).
- Yanckello, L. M., et al. Inulin supplementation mitigates gut dysbiosis and brain impairment induced by mild traumatic brain injury during chronic phase. Journal of Cellular Immunology. 4 (2), 50-64 (2022).
- Bachstetter, A. D., et al. Early stage drug treatment that normalizes proinflammatory cytokine production attenuates synaptic dysfunction in a mouse model that exhibits age-dependent progression of Alzheimer’s disease-related pathology. The Journal of Neuroscience. 32 (30), 10201-10210 (2012).
- Zvejniece, L., et al. Skull fractures induce neuroinflammation and worsen outcomes after closed head injury in mice. Journal of Neurotrauma. 37 (2), 295-304 (2020).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
- Petraglia, A. L., et al. The spectrum of neurobehavioral sequelae after repetitive mild traumatic brain injury: a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Journal of Neurotrauma. 31 (13), 1211-1224 (2014).
- Laskowitz, D. T., et al. COG1410, a novel apolipoprotein E-based peptide, improves functional recovery in a murine model of traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (7), 1093-1107 (2007).
- Lloyd, E., Somera-Molina, K., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Wainwright, M. S. Suppression of acute proinflammatory cytokine and chemokine upregulation by post-injury administration of a novel small molecule improves long-term neurologic outcome in a mouse model of traumatic brain injury. Journal of Neuroinflammation. 5, 28 (2008).
- Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (2), 299-307 (2016).
- Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).
