Elektromagnetisch gecontroleerd gesloten-hoofd model van mild traumatisch hersenletsel bij muizen
Summary
Het protocol beschrijft licht traumatisch hersenletsel in een muismodel. In het bijzonder wordt een stapsgewijs protocol om een milde middellijn gesloten hoofdletsel en de karakterisering van het diermodel te induceren volledig uitgelegd.
Abstract
Zeer reproduceerbare diermodellen van traumatisch hersenletsel (TBI), met goed gedefinieerde pathologieën, zijn nodig voor het testen van therapeutische interventies en het begrijpen van de mechanismen van hoe een TBI de hersenfunctie verandert. De beschikbaarheid van meerdere diermodellen van TBI is noodzakelijk om de verschillende aspecten en ernst van TBI bij mensen te modelleren. Dit manuscript beschrijft het gebruik van een midline closed head injury (CHI) om een muismodel van milde TBI te ontwikkelen. Het model wordt als mild beschouwd omdat het geen structurele hersenletsels produceert op basis van neuroimaging of grof neuronaal verlies. Een enkele impact creëert echter voldoende pathologie dat cognitieve stoornissen ten minste 1 maand na het letsel meetbaar zijn. Een stapsgewijs protocol om een CHI bij muizen te induceren met behulp van een stereotaxisch geleide elektromagnetische impactor is gedefinieerd in het artikel. De voordelen van het milde midline CHI-model omvatten de reproduceerbaarheid van de door letsel veroorzaakte veranderingen met een lage mortaliteit. Het model is tijdelijk gekarakteriseerd tot 1 jaar na het letsel voor neuroimaging, neurochemische, neuropathologische en gedragsveranderingen. Het model is complementair aan open schedelmodellen van gecontroleerde corticale impact met behulp van hetzelfde impactorapparaat. Zo kunnen laboratoria zowel milde diffuse TBI als focale matige tot ernstige TBI modelleren met dezelfde impactor.
Introduction
Traumatisch hersenletsel (TBI) wordt veroorzaakt door een externe kracht op de hersenen, vaak geassocieerd met vallen, sportblessures, fysiek geweld of verkeersongevallen. In 2014 stelden de Centers for Disease Control and Prevention vast dat 2,53 miljoen Amerikanen de afdeling spoedeisende hulp bezochten om medische hulp te zoeken voor TBI-gerelateerde ongevallen1. Aangezien milde TBI (mTBI) de meerderheid van de TBI-gevallen vertegenwoordigt, zijn in de afgelopen decennia meerdere modellen van mTBI aangenomen, waaronder gewichtsval, zuigeraangedreven gesloten hoofdletsel en gecontroleerde corticale impact, rotatieletsel, mild vloeistofpercussieletsel en blastaire letselmodellen 2,3. De heterogeniteit van de mTBI-modellen is nuttig om de verschillende kenmerken aan te pakken die geassocieerd zijn met mTBI die bij mensen worden gezien en om de cellulaire en moleculaire mechanismen geassocieerd met hersenletsel te helpen evalueren.
Van de meest gebruikte modellen van gesloten hoofdletsel is een van de eerste en meest gebruikte modellen de gewichtsvalmethode, waarbij een voorwerp van een bepaalde hoogte op het hoofd van het dier wordt laten vallen (verdoofd of wakker)2,4. Bij de gewichtsvalmethode hangt de ernst van het letsel af van verschillende parameters, waaronder al dan niet uitgevoerde craniotomie, hoofd vast of vrij, en de afstand en het gewicht van het vallende voorwerp 2,4. Een nadeel van dit model is de hoge variabiliteit in de ernst van het letsel en het hoge sterftecijfer geassocieerd met ademhalingsdepressie 5,6. Een veel voorkomend alternatief is om de impact af te leveren met behulp van een pneumatisch of elektromagnetisch apparaat, wat direct op de blootgestelde dura (gecontroleerde corticale impact: CCI) of gesloten schedel (gesloten hoofdletsel: CHI) kan worden gedaan. Een van de sterke punten van de zuigeraangedreven blessure is de hoge reproduceerbaarheid en lage mortaliteit. CCI vereist echter craniotomie 7,8 en een craniotomie zelf induceert ontsteking9. In plaats daarvan is er in het CHI-model geen craniotomie nodig. Zoals gezegd heeft elk model beperkingen. Een van de beperkingen van het CHI-model dat in dit artikel wordt beschreven, is dat de operatie wordt uitgevoerd met behulp van een stereotaxisch frame en dat het hoofd van het dier wordt geïmmobiliseerd. Hoewel de volledige immobilisatie van het hoofd de reproduceerbaarheid garandeert, houdt het geen rekening met beweging na de impact die zou kunnen bijdragen aan het letsel dat gepaard gaat met een mTBI.
Dit protocol beschrijft een basismethode om een CHI-impact uit te voeren met een in de handel verkrijgbaar elektromagnetisch impactorapparaat10 in een muis. Dit protocol beschrijft de exacte parameters die nodig zijn om een zeer reproduceerbare verwonding te bereiken. In het bijzonder heeft de onderzoeker nauwkeurige controle over de parameters (diepte van het letsel, verblijftijd en snelheid van impact) om de ernst van het letsel nauwkeurig te definiëren. Zoals beschreven, produceert dit CHI-model een verwonding die resulteert in bilaterale pathologie, zowel diffuus als microscopisch (d.w.z. chronische activering van glia, axonale en vasculaire schade), en gedragsfenotypen 11,12,13,14,15. Bovendien wordt het beschreven model als mild beschouwd omdat het geen structurele hersenletsels induceert op basis van MRI of grove laesies op pathologie, zelfs niet 1 jaar na het letsel16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Er zijn verschillende stappen betrokken bij het opnieuw creëren van een consistent letselmodel met behulp van het beschreven model. Ten eerste is het van cruciaal belang om het dier correct in het stereotaxische frame te bevestigen. Het hoofd van het dier mag niet zijdelings kunnen bewegen en de schedel moet volledig plat zijn met bregma en lambda die dezelfde coördinaten lezen. Het correct plaatsen van de oorbalken is het moeilijkste aspect van deze operatie, en dit kan alleen met oefening worden geleerd. Als de sched…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de National Institutes of Health onder toekenningsnummers R01NS120882, RF1NS119165 en R01NS103785 en het Department of Defense awardnummer AZ190017. De inhoud is uitsluitend de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet de officiële standpunten van de National Institutes of Health of het ministerie van Defensie.
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).
