En Grisling Model for Neonatal Hypoksisk-iskæmisk encephalopati
Summary
Hypoxic-ischemic encephalopathy following perinatal asphyxia can be studied using animal models. We demonstrate the procedures necessary for establishing a piglet model of neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy.
Abstract
Fødsel asfyksi, som forårsager hypoxisk-iskæmisk encefalopati (HIE), tegner sig for 0.660.000 dødsfald på verdensplan hvert år, omkring en fjerdedel af verdens 2,9 millioner neonatale dødsfald. Dyremodeller for HIE har bidraget til forståelsen af patofysiologien i HIE, og har fremhævet den dynamiske proces, der forekommer i hjerneskade på grund af perinatal asfyksi. Således har dyreforsøg foreslået en tid-vindue for post-fornærmelse behandlingsstrategier. Hypotermi er testet som en behandling for HIE i pdiglet modeller og efterfølgende vist sig effektive i kliniske forsøg. Variationer af modellen er blevet anvendt i studiet af tillægsbehandling neurobeskyttende metoder og smågrise undersøgelser af xenon og melatonin har ført til klinisk fase I og II forsøg 1,2. Den pattegris HIE Modellen er yderligere brugt til neonatale resuscitation- og hæmodynamiske studier samt i undersøgelser af cerebral hypoxi på celleniveau. Det er imidlertid en teknisk udfordrendemodel og variationer i protokollen kan resultere i enten for mild eller for svær hjerneskade. I denne artikel viser vi de tekniske procedurer, der er nødvendige for at etablere en stabil pattegris model af neonatal HIE. Første er den nyfødte gris (<24 timer gamle, median vægt 1500 g) bedøvet, intuberet, og overvåges i en opsætning sammenlignelig med den, der findes i en neonatal intensivafdeling. Global hypoxi-iskæmi induceres ved at sænke fraktion den inspiratoriske oxygen at opnå global hypoxi, iskæmi gennem hypotension og en flad sporamplitude integreret EEG (AEEG) indikerer cerebral hypoxi. Overlevelse fremmes ved at justere iltning ifølge AEEG respons og blodtryk. Hjerneskade kvantificeres ved histopatologi og magnetisk resonans efter 72 timer.
Introduction
Perinatal asfyksi er en akut og ofte uforudset tilstand forbundet med hypoxisk-iskæmisk encefalopati (HIE). Det overordnede mål med denne protokol er at demonstrere en pattegrisenes overlevelse model af perinatal hypoxisk-iskæmisk encefalopati. Denne model kan anvendes til at undersøge effekten af forskellige grader af hypoxi-iskæmi på neonatal hjerne og eksperimentelle behandlinger på neuropatologi, magnetisk resonans billeddannelse og spektroskopi (MRI og MRS) og biomarkører i kropsvæsker såsom blod, cerebrospinalvæske og urin . Modellen er også vist sig nyttig til undersøgelse af kardiovaskulære system, åndedrætssystemet, nyre og lever, som alle er påvirket i global hypoxi-iskæmi.
Perinatal asfyksi er resultatet af kompromitteret iltforsyning intrapartum eller i umiddelbar efter fødslen periode. Intrapartum hypoxiske begivenheder udgør 0.660.000 dødsfald på verdensplan hvert år, omkring en fjerdedel af verdens 2,9 million neonatale dødsfald i 2012 3. I 2010 1150000 babyer blev anslået til at have udviklet neonatal encephalopati efter fødslen asfyksi 4. HIE defineret som encephalopati hos spædbørn født efter 34 ugers svangerskab forekommer i 1-3 / 1.000 levendefødte 5 i den industrialiserede verden og op til 8,5 / 1.000 levendefødte i udviklingslandene 4. Risikoen for døden er 10-60%, og risikoen for neurologiske handicap i overlevende 30-100% 6,7. 50200000 handicap leveår (DALYs) tilskrives intrapartum hypoxiske begivenheder 4. I øjeblikket den eneste anden end støttende til HIE behandling er post-hypoksisk hypotermi. Således fremskridt i diagnostiske procedurer og behandlingsstrategier er afgørende for at forbedre forvaltningen af HIE 8.
Forbedringer i prognosen efter perinatal asfyksi og forvaltning af neonatal hjerneskade er baseret på at udvide kendskabet til de underliggende sygdomsmekanismer end mulige behandlinger. Dyremodeller for HIE er særligt anvendelige som forskellige kliniske hændelser kan føre til HIE og forekomsten i en enkelt fødsel center er lav 5. En forsøgsopstilling, hvor påvirkning af biologisk variation kan minimeres, er afgørende, når tester nye prognostiske og diagnostiske redskaber og behandlingsstrategier. En dyremodel bør tilnærme den kliniske situation så tæt som muligt og dermed bidrage til forståelsen af de patologiske mekanismer bag den inducerede skade og den dynamiske proces involveret i sygdommen og ITs udfald 9. Dyremodeller for neonatal HIE har inkluderet en række arter, herunder gnavere, lam og svin. Til sammenligning nyfødte gris har højere lighed med en human nyfødt med hensyn til størrelse, kardiovaskulære system 10 og hjerne løbetid på leveringstidspunktet 11,12. Overvågning, instrumentering og resultatevaluering i gris modellen ligner that anvendes i den kliniske behandling af spædbørn med HIE. Følgelig er der en høj grad af oversættelse til nyfødte pleje fra denne model.
Smågrise modeller af perinatal hypoksi og HIE anvendes af mange grupper og varierer i en række områder 13. Ifølge formålet med forsøget, skal omhyggelig opmærksomhed på valget af medicin, metode til at fremkalde hypoxi-iskæmi, metode til at kontrollere fornærmelse varighed og sværhedsgrad, post-fornærmelse genoplivning og pleje, og resultatevaluering. For at undgå bias et randomiseret forsøg design skal altid anvendes i interventionelle studier.
Den anvendte metode ved at inducere hypoxisk-iskæmisk skade er vigtig. Global hypoxi fører til HIE resulterer ofte i multiorgansvigt involverer hjerne, hjerte, lunger, nyrer og lever. Afhængigt af de evaluerede resultater, bør modeller for HIE være baseret på global hypoxi og iskæmi i stedet stole på fokal iskæmi, f.eks., Ved ligering af bilotid arterier 14. En nylig papir anvendes en kombination af hypoxi (FiO 2 12%) og halspulsåren kompression under opretholdelse gennemsnitlige arterielle blodtryk> 40 mm Hg 2. En anden gruppe induceret global hypoksi med 8% O2 indtil negativ baseoverskud> 20 mmol / L eller betyde arterielt blodtryk (MABP) <15 mm Hg, og aflivet dyrene på 4 timer 15. Hypoxi er også blevet titreret ved minutvolumen (til 30-40% af baseline), MABP (til 30-35 mm Hg) og arteriel pH (6,95-7,05) 16.
Vis alle modeller af global hypoxi-iskæmi titreres ved AEEG undertrykkelse magen til den i denne rapport, har vist encephalopati, der er klinisk, elektrofysiologisk, og neuropatologisk sammenlignes med den tilstand, der findes i den kvalt sigt spædbarn 17,18.
Graden af HIE inducerede er afgørende. En nyttig dyremodel for HIE skal også give mulighed for afprøvning af nye diagnostisk procedurer og behandlingsmuligheder. For at aktivere dette, bør modellerne fremkalde moderat HIE, hvor der er en behandling potentiale som alvorlig hjerneskade med ringe eller ingen behandling potentiale ville være mindre relevant, når de evaluerer nye behandlinger. Tolerance til hypoxi varierer betydeligt fra forsøgsdyr. Tidligere undersøgelser har vist, at en mere konsekvent hjerneskade kan opnås, og at flere dyr overlever 17,19 ved individualisere den inducerede hypoxia i henhold til hver gris er cerebral respons vurderet ved amplitude integreret electroencefalografi (AEEG) snarere end at bruge et sæt FiO 2 værdi i hele hypoxisk begivenhed. Varigheden af AEEG undertrykkelse korrelerer med graden af hjerneskade, med få histopatologiske ændringer på <20 min AEEG undertrykkelse og alvorlige krampeanfald stigende ved> 45 min AEEG undertrykkelse. En nylig gennemgang af neurobeskyttende behandlinger for HIE peget på behovet for overlevelse modeller muliggør adfærdsmæssige udfald measninger i dyremodeller 20.
Der er talrige fordele ved den præsenterede HIE pattegris model. Den er baseret på en art, hvor resultaterne er meget sandsynligt at oversætte til den menneskelige fysiologi. Globale hypoxi-iskæmimodeller multiorgansvigt og titrering af hypoxi-iskæmi af AEEG inducerer en konsistent grad af hjerneskade med overlevelse kliniske relevante resultater, såsom at biomarkører, kan MRI og adfærd vurderes på relevante tidspunkter.
Piglet modeller af perinatal asfyksi og HIE har ikke alene bidraget væsentligt til aktuel indsigt i HIE patofysiologi, men har forud også med succes kliniske forsøg, i sidste ende resulterer i nye behandlinger hos mennesker. Piglet modelstudier spillede en central rolle i etableringen af hypotermi som en behandling for HIE 21, og anvendes i neonatal genoplivning forskning 22. Forskellige grupper har brugt smågrise modeller, når du udfører forskning inden for asfyksi og HIE, end studier inkluderer hypotermi 23, a-melanocyt-stimulerende hormon 24, hjertestop 25, tyrosin hydroxylase aktivitet 26, gentagen eksponering hypoxisk 27, NMDA-receptor-aktivitet 14, og nær-infrarød spektroskopi 28.
Den pattegris HIE model præsenteres i denne rapport, er teknisk udfordrende at arbejde med, da mindre justeringer i løbet af proceduren kan resultere i enten for mild eller for svær hjerneskade 29,2. Vi fandt, at den eksisterende litteratur manglede tilstrækkelige detaljer til at reproducere tidligere offentliggjorte modeller. Således har vi her demonstrerer hvert trin i de tekniske procedurer, der er nødvendige for etablering af en gris 72 timers overlevelse model i denne rapport, så forskerne til at etablere denne avancerede model for studiet af HIE.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grund af dets kompleksitet, kan den beskrevne model kun gennemføres i faciliteter, der er akkrediteret og har erfaring med dyreforsøg. Godkendelse af lokale etiske udvalg skal indhentes før initiering af forsøgene, og optimal dyrevelfærd skal sikres på alle tidspunkter. Som model er baseret på overlevelsen af forsøgsdyrene, er det vigtigt, at et sterilt miljø opretholdes under invasive procedurer til at forebygge infektioner.
Valget af anæstesi er vigtigt, da de fleste, h…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank John Kristensen and Søren Braad Andersen from the Department of Communication, Aarhus University Hospital, Denmark, for their exceptional help with filming and editing. Animal technician Diana Gyldenløve and veterinarian Birgitte Kousgaard, Institute of Clinical Medicine Aarhus University Hospital, Denmark for assisting with animal care. This study was supported by the Lundbeck Foundation, the Laerdal Foundation for Acute Medicine, Central Denmark Region’s Research Foundation, Augustinus Foundation, Aase and Ejnar Danielsens Foundation, the Institute of Clinical Medicine Aarhus University Hospital, Brødrene Hartmanns Foundation, Karen Elise Jensens Foundation, Fonden til Lægevidenskabens Fremme, and Marie Dorthea og Holger From, Haderslevs Fond.
Materials
| Warm-touch-pediatric blanket | Covidien | 5030840 |
| Adhesive Apertrue Drape | Barrier | 915447 |
| Utility Drape (sterile) 75×80 cm | Barrier | 800530 |
| Neoflon | BD – Luer | 391350 |
| Laryngoscope | Miller | 85-0045 |
| Endotracheal tube 2.5 mm | Covidien | 111-25 |
| Endotracheal tube 3.0 mm with cuff | Unomedical | MM61110030 |
| Endotracheal tube 3.5 mm with cuff | Unomedical | MM61110035 |
| Anesthesia machine | GE Healthcare | 1009-9002-000 |
| EEG – electrodes/disposable subdermal needle electrode | Cephalon | ACCE120550 |
| ECG – electrodes | medtronic | 3010107-003 |
| ECG-electrodes for MR | philips | ACCE120550 |
| Arterial blood sampler – aspirator | Radiometer medical ApS | 956552 |
| Polyurethane Umbilical vein catheter (5 Fr/Ch) | Covidien | 8888160341 |
| Polyurethane Umbilical vein catheter (3,5 Fr/ch) | Covidien | 8888160333 |
| Suture set (size 3-0) | Covidien | 8886 623341 |
| BD Spinal needle 0.7x38mm | BD needles | 405254 |
| Gas with 96% Nitrogen / 4% oxygen | Air Liquide | made on order |
| NeuroMonitor (CFM) system | Natus Medical Incorporated | OBM70002 |
Riferimenti
- Chakkarapani, E., et al. Xenon enhances hypothermic neuroprotection in asphyxiated newborn pigs. Annals of. 68, 330-341 (2010).
- Robertson, N. J., et al. Melatonin augments hypothermic neuroprotection in a perinatal asphyxia model. Brain : a journal of neurology. 136, 90-105 (2013).
- Lawn, J. E., et al. Every Newborn: progress, priorities, and potential beyond survival. Lancet. 384, 189-205 (2014).
- Lee, A. C., et al. Intrapartum-related neonatal encephalopathy incidence and impairment at regional and global levels for 2010 with trends from 1990. Pediatric research. 74, 50-72 (2013).
- Kurinczuk, J. J., White-Koning, M., Badawi, N. Epidemiology of neonatal encephalopathy and hypoxic-ischaemic encephalopathy. Early human development. 86, 329-338 (2010).
- Shankaran, S., Woldt, E., Koepke, T., Bedard, M. P., Nandyal, R. Acute neonatal morbidity and long-term central nervous system sequelae of perinatal asphyxia in term infants. Early human development. 25, 135-148 (1991).
- Robertson, C. M., Finer, N. N., Grace, M. G. School performance of survivors of neonatal encephalopathy associated with birth asphyxia at term. The Journal of pediatrics. 114, 753-760 (1989).
- Bennet, L., Booth, L., Gunn, A. J. Potential biomarkers for hypoxic-ischemic encephalopathy. Seminars in feta., & neonatal medicine. 15, 253-260 (2010).
- Yager, J. Y., Ashwal, S. Animal models of perinatal hypoxic-ischemic brain damage. Pediatric neurology. 40, 156-167 (2009).
- Buckley, N. M. Maturation of circulatory system in three mammalian models of human development. Comparative biochemistry and physiology. A, Comparative. 83, 1-7 (1986).
- Dobbing, J., Sands, J. Comparative aspects of the brain growth spurt. Early human development. 3, 79-83 (1979).
- Dobbing, J., Sands, J. Quantitative growth and development of human brain. Archives of disease in childhood. 48, 757-767 (1973).
- Foster, K. A., et al. An improved survival model of hypoxia/ischaemia in the piglet suitable for neuroprotection studies. Brain research. 919, 122-131 (2001).
- LeBlanc, M. H., Li, X. Q., Huang, M., Patel, D. M., Smith, E. E. AMPA antagonist LY293558 does not affect the severity of hypoxic-ischemic injury in newborn pigs. Stroke; a journal of cerebral circulation. 26, 1908-1914 (1995).
- Andresen, J. H., et al. Nicotine affects the expression of brain-derived neurotrophic factor mRNA and protein in the hippocampus of hypoxic newborn piglets. J Perinat Med. 37, 553-560 (2009).
- Cheung, P. Y., Gill, R. S., Bigam, D. L. A swine model of neonatal asphyxia. Journal of visualized experiments : JoVE. , (2011).
- Thoresen, M., et al. A piglet survival model of posthypoxic encephalopathy. Pediatric research. 40, 738-748 (1996).
- Liu, X., Tooley, J., Loberg, E. M., Suleiman, M. S., Thoresen, M. Immediate hypothermia reduces cardiac troponin I after hypoxic-ischemic encephalopathy in newborn pigs. Pediatric research. 70, 352-356 (2011).
- Bjorkman, S. T., et al. Hypoxic/Ischemic models in newborn piglet: comparison of constant FiO2 versus variable FiO2 delivery. Brain research. 1100, 110-117 (2006).
- Robertson, N. J., et al. Which neuroprotective agents are ready for bench to bedside translation in the newborn infant. The Journal of pediatrics. 160, 544-552 (2012).
- Jacobs, S. E., et al. Cooling for newborns with hypoxic ischaemic encephalopathy. Cochrane Database Syst Rev. 1, CD003311 (2013).
- Andresen, J. H., et al. Resuscitation with 21 or 100% oxygen in hypoxic nicotine-pretreated newborn piglets: possible neuroprotective effects of nicotine. Neonatology. 93, 36-44 (2008).
- Karlsson, M., et al. Delayed hypothermia as selective head cooling or whole body cooling does not protect brain or body in newborn pig subjected to hypoxia-ischemia. Pediatric research. 64, 74-78 (2008).
- Kovacs, J., et al. Asphyxia-induced release of alpha-melanocyte-stimulating hormone in newborn pigs. Peptides. 22, 1049-1053 (2001).
- Varvarousi, G., et al. Asphyxial cardiac arrest, resuscitation and neurological outcome in a Landrace/Large-White swine model. Laboratory animals. 45, 184-190 (2011).
- Tammela, O., Pastuszko, A., Lajevardi, N. S., Delivoria-Papadopoulos, M., Wilson, D. F. Activity of tyrosine hydroxylase in the striatum of newborn piglets in response to hypocapnic hypoxia. Journal of neurochemistry. 60, 1399-1406 (1993).
- Cote, A., Barter, J., Meehan, B. Age-dependent metabolic effects of repeated hypoxemia in piglets. Canadian journal of physiology and pharmacology. 78, 321-328 (2000).
- Tichauer, K. M., et al. Assessing the severity of perinatal hypoxia-ischemia in piglets using near-infrared spectroscopy to measure the cerebral metabolic rate of oxygen. Pediatric research. 65, 301-306 (2009).
- Jasani, M. S., Salzman, S. K., Tice, L. L., Ginn, A., Nadkarni, V. M. Anesthetic regimen effects on a pediatric porcine model of asphyxial arrest. Resuscitation. 35, 69-75 (1997).
- Chakkarapani, E., Thoresen, M., Liu, X., Walloe, L., Dingley, J. Xenon offers stable haemodynamics independent of induced hypothermia after hypoxia-ischaemia in newborn pigs. Intensive care medicine. 38, 316-323 (2012).
- Munkeby, B. H., et al. A piglet model for detection of hypoxic-ischemic brain injury with magnetic resonance imaging. Acta radiologica. 49, 1049-1057 (2008).
- Andresen, J. H., et al. Newborn piglets exposed to hypoxia after nicotine or saline pretreatment: long-term effects on brain and heart. J Matern Fetal Neonatal Med. 22, 161-168 (2009).
- Munkeby, B. H., et al. Resuscitation with 100% O2 increases cerebral injury in hypoxemic piglets. Pediatric research. 56, 783-790 (2004).
