Modelo Murino de Impacto Cortical Controlado para la Inducción de Lesiones Cerebrales Traumáticas
Summary
Aquí describimos un protocolo para la inducción de una lesión cerebral traumática murina a través de un impacto cortical controlado a cabeza abierta.
Abstract
Los Centros para el Control y la Prevención de Lesiones estiman que casi 2 millones de personas sufren una lesión cerebral traumática (TBI) cada año en los Estados Unidos. De hecho, el TBI es un factor que contribuye a más de un tercio de toda la mortalidad relacionada con el daño. Sin embargo, los mecanismos celulares y moleculares subyacentes a la fisiopatología de la TBI se entienden mal. Por lo tanto, los modelos preclínicos de TBI capaces de replicar los mecanismos de lesión pertinentes a TBI en pacientes humanos son una necesidad crítica de investigación. El modelo de impacto cortical controlado (CCI) de TBI utiliza un dispositivo mecánico para impactar directamente la corteza expuesta. Si bien ningún modelo puede recapitular completamente los patrones de lesión dispares y la naturaleza heterogénea de TBI en pacientes humanos, CCI es capaz de inducir una amplia gama de TBI clínicamente aplicable. Además, CCI se estandariza fácilmente permitiendo a los investigadores comparar los resultados entre experimentos, así como entre grupos de investigación. El siguiente protocolo es una descripción detallada de la aplicación de un CCI grave con un dispositivo de impacto disponible comercialmente en un modelo murino de TBI.
Introduction
Los Centros para el Control y la Prevención de Lesiones estiman que aproximadamente 2 millones de estadounidenses sufren una lesión cerebral traumática (TBI) cada año1,2. De hecho, TBI contribuye a más del 30% de todas las muertes relacionadas con lesiones en los Estados Unidos con costos de atención médica cercanos a $80 mil millones anuales y casi $4 millones por persona por año sobreviviendo a un TBIsevero 3,4,5. El impacto de la TBI se pone de relieve por las importantes complicaciones neurocognitivas y neuropsiquiátricas a largo plazo sufridas por sus sobrevivientes con el inicio insidioso de deficiencias conductuales, cognitivas y motoras que se denominan Encefalopatía Traumática Crónica (TEC) 6 , 7 , 8 , 9 , 10. Incluso los eventos conmocionsivas subclínicos —aquellos impactos que no resultan en síntomas clínicos— pueden conducir a una disfunción neurológica a largo plazo11,12.
Los modelos animales para el estudio de TBI se han empleado desde finales de 180013. En la década de 1980, se desarrolló un impactador neumático con el propósito de modelar TBI. Este método se conoce ahora como impacto cortical controlado (CCI)14. El control y la reproducibilidad de CCI llevaron a los investigadores a adaptar el modelo para su uso en roedores15. Nuestro laboratorio utiliza este modelo para inducir TBI a través de un impactador disponible comercialmente y un dispositivo de accionamiento electrónico16,17. Este modelo es capaz de producir una amplia gama de estados TBI clínicamente aplicables dependiendo de los parámetros biomecánicos utilizados. La evaluación histológica de los cerebros TBI después de una lesión grave inducida en nuestro laboratorio demuestra una pérdida significativa de cortical y hipocampal ipsilateral, así como edema contralateral y distorsión. Además, CCI produce un deterioro constante en la función motora y cognitiva medida por ensayos conductuales18. Las limitaciones a CCI incluyen la necesidad de craneotomía y el gasto de adquirir el impactador y el dispositivo de accionamiento.
Existen varios modelos adicionales de TBI y están bien establecidos en la literatura, incluyendo el modelo de percusión de fluido lateral, modelo de caída de peso, y lesión por explosión modelo19,20,21. Si bien cada uno de estos modelos tiene sus propias ventajas distintas, sus principales inconvenientes son lesiones mixtas, alta mortalidad y falta de estandarización, respectivamente22. Además, ninguno de estos modelos ofrece la precisión, precisión y reproducibilidad de CCI. Al ajustar la entrada de parámetros biomecánicos en el dispositivo de accionamiento, el modelo CCI permite al investigador un control preciso sobre el tamaño de la lesión, la profundidad de la lesión y la energía cinética aplicada al cerebro. Esto da a los investigadores la capacidad de aplicar todo el espectro de TBI a áreas específicas del cerebro. También permite la mayor reproducibilidad desde el experimento hasta el experimento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hay varios pasos que son críticos para aplicar una lesión confiable y consistente. En primer lugar, el ratón debe alcanzar un plano profundo de anestesia quirúrgica asegurando que no haya movimiento durante la realización de la craneectomía. Mientras que se pueden utilizar numerosos regímenes anestésicos para inducir anestesia general en roedores, los anestésicos que inducen depresión respiratoria como los anestésicos inhalatorios pueden resultar en un paro respiratorio cuando se combinan con un TBI grave. Est…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por National Institutes of Health Grant GM117341 y The American College of Surgeons C. James Carrico Research Fellowship to S.J.S.
Materials
| AnaSed Injection Xylazine Sterile Solution | LLOYD, Inc. | 5939911020 |
| Buprenorphine SR Lab 0.5mg/mL | Zoopharm-Wildlife Pharmaceuticals USA | BSRLAB0.5-182012 |
| High Speed Rotary Micromotor KiT0 | Foredom Electric Company | K.1070 |
| Imapact one for Stereotaxix CCI | Leica Biosystems Nussloch GmbH | 39463920 |
| Ketathesia Ketamine HCl Injection USP | Henry Schein, Inc | 56344 |
| Mouse Specific Stereotaxic Base | Leica Biosystems Nussloch GmbH | 39462980 |
| Trephines for Micro Drill | Fine Science Tools, Inc | 18004-50 |
Riferimenti
- Faul, M. . Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations and Deaths 2002-2006. , (2010).
- Roozenbeek, B., Maas, A. I., Menon, D. K. Changing patterns in the epidemiology of traumatic brain injury. Nature Reviews Neurology. 9 (4), 231-236 (2013).
- Corso, P., Finkelstein, E., Miller, T., Fiebelkorn, I., Zaloshnja, E. Incidence and lifetime costs of injuries in the United States. Injury Prevention. 12 (4), 212-218 (2006).
- Pearson, W. S., Sugerman, D. E., McGuire, L. C., Coronado, V. G. Emergency department visits for traumatic brain injury in older adults in the United States: 2006-08. Western Journal of Emergency Medicine. 13 (3), 289-293 (2012).
- Whitlock, J. A., Hamilton, B. B. Functional outcome after rehabilitation for severe traumatic brain injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 76 (12), 1103-1112 (1995).
- Schwarzbold, M., et al. Psychiatric disorders and traumatic brain injury. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 4 (4), 797-816 (2008).
- Whelan-Goodinson, R., Ponsford, J., Johnston, L., Grant, F. Psychiatric disorders following traumatic brain injury: their nature and frequency. Journal of Head Trauma Rehabilitation. 24 (5), 324-332 (2009).
- Peskind, E. R., Brody, D., Cernak, I., McKee, A., Ruff, R. L. Military- and sports-related mild traumatic brain injury: clinical presentation, management, and long-term consequences. Journal of Clinical Psychiatry. 74 (2), 180-188 (2013).
- Martin, L. A., Neighbors, H. W., Griffith, D. M. The experience of symptoms of depression in men vs women: analysis of the National Comorbidity Survey Replication. JAMA Psychiatry. 70 (10), 1100-1106 (2013).
- Makinde, H. M., Just, T. B., Cuda, C. M., Perlman, H., Schwulst, S. J. The Role of Microglia in the Etiology and Evolution of Chronic Traumatic Encephalopathy. Shock. 48 (3), 276-283 (2017).
- Belanger, H. G., Vanderploeg, R. D., McAllister, T. Subconcussive Blows to the Head: A Formative Review of Short-term Clinical Outcomes. Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31 (3), 159-166 (2016).
- Carman, A. J., et al. Expert consensus document: Mind the gaps-advancing research into short-term and long-term neuropsychological outcomes of youth sports-related concussions. Nature Reviews Neurology. 11 (4), 230-244 (2015).
- Kramer, S. P. A Contribution to the Theory of Cerebral Concussion. Annals of Surgery. 23 (2), 163-173 (1896).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
- 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., Trahanas, D. M., Saber, R., Perlman, H. Traumatic brain injury-induced alterations in peripheral immunity. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 75 (5), 780-788 (2013).
- Trahanas, D. M., Cuda, C. M., Perlman, H., Schwulst, S. J. Differential Activation of Infiltrating Monocyte-Derived Cells After Mild and Severe Traumatic Brain Injury. Shock. 43 (3), 255-260 (2015).
- Makinde, H. M., Cuda, C. M., Just, T. B., Perlman, H. R., Schwulst, S. J. Nonclassical Monocytes Mediate Secondary Injury, Neurocognitive Outcome, and Neutrophil Infiltration after Traumatic Brain Injury. Journal of Immunology. 199 (10), 3583-3591 (2017).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Reneer, D. V., et al. A multi-mode shock tube for investigation of blast-induced traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 28 (1), 95-104 (2011).
- Ma, X., Aravind, A., Pfister, B. J., Chandra, N., Haorah, J. Animal Models of Traumatic Brain Injury and Assessment of Injury Severity. Molecular Neurobiology. , (2019).
- Makinde, H. M., et al. Monocyte depletion attenuates the development of posttraumatic hydrocephalus and preserves white matter integrity after traumatic brain injury. PLoS One. 13 (11), e0202722 (2018).
- Osier, N. D., Dixon, C. E. The Controlled Cortical Impact Model: Applications, Considerations for Researchers, and Future Directions. Frontiers in Neurology. 7, 134 (2016).
- Iaccarino, C., Carretta, A., Nicolosi, F., Morselli, C. Epidemiology of severe traumatic brain injury. Journal of Neurosurgical Sciences. 62 (5), 535-541 (2018).
