Low-Intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-Head Mild Traumatic Brain Injury bei Nagetieren
Summary
Wir stellen hier ein Protokoll eines Blastwellenmodells für Nagetiere vor, um neurobiologische und pathophysiologische Wirkungen von leichten bis mittelschweren traumatischen Hirnverletzungen zu untersuchen. Wir haben ein gasbetriebenes Tisch-Setup etabliert, das mit Drucksensoren ausgestattet ist, die eine zuverlässige und reproduzierbare Erzeugung von blastinduzierten leichten bis mittelschweren traumatischen Hirnverletzungen ermöglichen.
Abstract
Schädel-Hirn-Trauma (TBI) ist ein großes Problem der öffentlichen Gesundheit. Mildes TBI ist die häufigste Form von Neurotrauma und macht eine große Anzahl von Arztbesuchen in den Vereinigten Staaten aus. Es gibt derzeit keine von der FDA zugelassenen Behandlungen für TBI. Die erhöhte Inzidenz von militärischen, explosionsinduzierten TBI unterstreicht die dringende Notwendigkeit wirksamer TBI-Behandlungen zusätzlich. Daher werden neue präklinische TBI-Tiermodelle, die Aspekte des blastenbedingten SHT beim Menschen rekapitulieren, die Forschungsanstrengungen zu den neurobiologischen und pathophysiologischen Prozessen, die leichten bis mittelschweren SHT zugrunde liegen, sowie die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien für TBI erheblich voranbringen.
Hier stellen wir ein zuverlässiges, reproduzierbares Modell zur Untersuchung der molekularen, zellulären und Verhaltenseffekte von leichten bis mittelschweren blasteninduzierten TBI vor. Wir beschreiben ein Schritt-für-Schritt-Protokoll für explosionsinduzierte leichte TBI mit geschlossenem Kopf bei Nagetieren unter Verwendung eines Tischaufbaus, der aus einem gasbetriebenen Schockrohr besteht, das mit piezoelektrischen Drucksensoren ausgestattet ist, um konsistente Testbedingungen zu gewährleisten. Die Vorteile des Setups, das wir etabliert haben, sind die relativ niedrigen Kosten, die einfache Installation, die Benutzerfreundlichkeit und die hohe Durchsatzkapazität. Weitere Vorteile dieses nicht-invasiven TBI-Modells sind die Skalierbarkeit des Blast-Peak-Überdrucks und die Generierung kontrollierter reproduzierbarer Ergebnisse. Die Reproduzierbarkeit und Relevanz dieses TBI-Modells wurde in einer Reihe von nachgelagerten Anwendungen bewertet, einschließlich neurobiologischer, neuropathologischer, neurophysiologischer und Verhaltensanalysen, die die Verwendung dieses Modells zur Charakterisierung von Prozessen unterstützen, die der Ätiologie von leichten bis mittelschweren TBI zugrunde liegen.
Introduction
Schädel-Hirn-Trauma (TBI) macht allein in den Vereinigten Staaten jedes Jahr mehr als zwei Millionen Krankenhausbesuche aus. Leichte SHT-Werte, die häufig auf Autounfälle, Sportereignisse oder Stürze zurückzuführen sind, machen etwa 80 % aller TBI-Fälle aus1. Mildes SHT gilt als die “stille Krankheit”, da Patienten in den Tagen und Monaten nach der ersten Beleidigung oft keine offensichtlichen Symptome haben, aber später im Leben ernsthafte TBI-bedingte Komplikationen entwickeln können2. Darüber hinaus ist blasteninduziertes mildes TBI unter Militärangehörigen weit verbreitet und wurde mit chronischer ZNS-Dysfunktion in Verbindung gebracht3,4,5,6. Aufgrund der steigenden Inzidenz von blastenbedingtem mildem TBI7,8 ist die präklinische Modellierung neurobiologischer und pathophysiologischer Prozesse im Zusammenhang mit leichtem SHT daher zu einem Schwerpunkt bei der Entwicklung neuartiger therapeutischer Interventionen für TBI geworden.
In der Vergangenheit hat sich die TBI-Forschung in erster Linie auf schwere Formen von Neurotraumata konzentriert, trotz der relativ geringeren Anzahl schwerer menschlicher TBI-Fälle. Es wurden präklinische Nagetiermodelle für schweres menschliches SHT entwickelt, einschließlich der Modelle Controlled Cortical Impact (CCI)9,10 und Fluid Percussion Injury (FPI)11, die beide gut etabliert sind, um zuverlässige pathophysiologische Wirkungen zu erzielen12,13. Diese Modelle haben den Grundstein für das gelegt, was heute über Neuroinflammation, Neurodegeneration und neuronale Reparatur bei TBI bekannt ist. Obwohl beträchtliche Kenntnisse über die Pathophysiologie von TBI entwickelt wurden, gibt es derzeit keine wirksamen, von der FDA zugelassenen Behandlungen für TBI.
In jüngerer Zeit wurde der Schwerpunkt der TBI-Forschung auf ein breiteres Spektrum von TBI-bezogenen Pathologien ausgeweitet, mit dem ultimativen Ziel, wirksame therapeutische Interventionen zu entwickeln. Dennoch wurden nur wenige präklinische Modelle für leichte TBI etabliert, die messbare Effekte gezeigt haben, und nur eine kleine Anzahl von Studien hat das milde TBI-Spektrum untersucht2,14,15. Da milde TBI die große Mehrheit aller TBI-Fälle ausmachen, werden zuverlässige Modelle für milde TBI dringend benötigt, um die Erforschung der Ätiologie und Neuropathophysiologie des menschlichen Zustands zu erleichtern, um neuartige therapeutische Strategien zu entwickeln.
In Zusammenarbeit mit biomedizinischen Ingenieuren und Luft- und Raumfahrtphysikern haben wir ein skalierbares, geschlossenes Blastwellenmodell für leichte bis mittelschwere TBI etabliert. Dieses präklinische Nagetiermodell wurde speziell entwickelt, um die Auswirkungen der Kraftdynamik zu untersuchen, einschließlich Explosionswellen und Beschleunigungs- / Verzögerungsbewegungen, die mit dem leichten SHT des Menschen verbunden sind, das bei militärischen Kämpfen, Sportveranstaltungen, Autounfällen und Stürzen erhalten wird. Da Explosionswellen mit der Kraftdynamik korrelieren, die beim Menschen leichte TBI verursacht, wurde dieses Modell entwickelt, um eine konsistente Friedlander-Wellenform mit einem Impuls zu erzeugen, der als Pfund pro Quadratzoll (psi) * Millisekunde (ms) gemessen wird. Das Impulsniveau wird skaliert, um unter definierte Lungenletalitätskurven für Mäuse und Ratten zu fallen, um präklinische Studien durchzuführen16,17,18. Darüber hinaus ermöglicht dieses Modell die Untersuchung von Putsch- und Contrecoup-Verletzungen aufgrund schneller Rotationskräfte des Tierkopfes. Diese Art von Verletzung ist verschiedenen Arten von klinischen TBI-Präsentationen inhärent, einschließlich derer, die sowohl bei der militärischen als auch bei der zivilen Bevölkerung beobachtet werden. Daher passt dieses vielseitige Modell zu einem Bedarf, der mehrere klinische Präsentationen von TBI umfasst.
Das hier vorgestellte präklinische Modell erzeugt zuverlässige und reproduzierbare pathophysiologische Veränderungen im Zusammenhang mit klinisch mildem SHT, wie eine Reihe früherer Studien gezeigt hat17,19,20,21,22,23. Studien mit diesem Modell zeigten, dass Ratten, die einer Blastenwelle niedriger Intensität ausgesetzt waren, Neuroinflammation, axonale Verletzungen, mikrovaskuläre Schäden, biochemische Veränderungen im Zusammenhang mit neuronalen Verletzungen und Defizite in der kurzfristigen Plastizität und synaptischen Erregbarkeit aufwiesen19. Dieses milde TBI-Modell induzierte jedoch keine makroskopischen neuropathologischen Veränderungen, einschließlich Gewebeschäden, Blutungen, Hämatomen und Prellungen19, die in Studien mit mittelschweren bis schweren invasiven TBI-Modellen häufig beobachtet wurden10,24. Frühere Forschungen19,21,22,23 haben gezeigt, dass dieses präklinische Modell verwendet werden kann, um neurobiologische und pathophysiologische Prozesse zu charakterisieren, die der Ätiologie von leichtem und mittelschwerem TBI17,19,20,21,22,23 zugrunde liegen. Dieses Modell ermöglicht auch die Erprobung neuer therapeutischer Verbindungen und Strategien sowie die Identifizierung neuartiger, geeigneter Ziele für die Entwicklung wirksamer TBI-Interventionen19,21,22,23.
Dieses Modell wurde entwickelt, um die durch Explosionswellen induzierten Effekte sowie schnelle Rotationskräfte auf molekulare, zelluläre und Verhaltensergebnisse bei Nagetieren zu untersuchen. Analog zum hier vorgestellten Blastwellenmodell wurde eine Reihe präklinischer Modelle entwickelt, die versuchen, leichte bis mittelschwere TBI mit gasgetriebenen Überdruckwellen 2,14,17,25,26,27,28 zu rekapitulieren. Einige der Einschränkungen anderer Modelle sind: Das Tier wird an einer Drahtgittergurney befestigt und der Kopf wird beim Aufprall immobilisiert; die peripheren Organe sind zusätzlich zum Gehirn der Welle ausgesetzt, wodurch die verwirrenden Variablen des Polytraumas erzeugt werden; und die Modelle sind groß und stationär, was das Ändern und Anpassen kritischer Parameter an bessere Modellbedingungen einschränkt, die an menschliches SHT erinnern.
Die Vorteile dieses Bench-Top-Gasstoßdämpferrohr-Setups sind die relativ niedrigen Kosten für Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die einfache Installation und Verwendung. Darüber hinaus ermöglicht das Setup den Hochdurchsatzbetrieb und die Erzeugung von kontrollierten reproduzierbaren Blastwellen und In-vivo-Ergebnissen sowohl bei Mäusen als auch bei Ratten. Zur Kontrolle gleichbleibender Prüfbedingungen (d.h. konstante Strahlwelle und Überdruck) ist der Aufbau mit Drucksensoren ausgestattet. Zu den Vorteilen dieses Modells für TBI gehören die Skalierbarkeit der Schwere der Verletzung und die Induktion eines leichten TBI durch ein nicht-invasives, geschlossenes Kopfverfahren. Spitzenüberdruck und anschließende Hirnverletzungen nehmen mit dickeren Polyestermembranen in konsistent skalierbarer Weise zu17. Die Fähigkeit, den Schweregrad der TBI durch die Membrandicke zu skalieren, ist ein nützliches Werkzeug, um das Niveau zu bestimmen, bei dem spezifische Ergebnismaße (z. B. Neuroinflammation) offensichtlich werden. Die Bereitstellung einer Schutzabschirmung für die peripheren Organe ermöglicht auch eine gezielte Untersuchung leichter TBI-Mechanismen, indem Störvariablen von systemischen Verletzungen, wie Lungen- oder Thoraxverletzungen, vermieden oder reduziert werden. Darüber hinaus ermöglicht dieser Aufbau die Auswahl der Richtung, in der die Explosionswelle den Kopf trifft / durchdringt (dh frontal, seitlich, oben oder unten) und daher können verschiedene Arten von TBI-induzierenden Beleidigungen untersucht werden. Das hier beschriebene Standardverfahren zur Induktion von leichtem bis mittelschwerem SHT verwendet eine seitliche Exposition, um die Auswirkungen einer Explosionswellenverletzung in Kombination mit einer Coup- und Contrecoup-Verletzung aufgrund schneller Rotationskräfte zu bewerten. Um ausschließlich blasteninduzierte Verletzungen zu untersuchen, kann in diesem Modell eine Top-Down-Blastwellenexposition eingesetzt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir präsentieren hier ein präklinisches mildes TBI-Modell, das kostengünstig und einfach einzurichten und auszuführen ist und einen hohen Durchsatz, zuverlässige und reproduzierbare experimentelle Ergebnisse ermöglicht. Dieses Modell bietet eine Schutzabschirmung für periphere Organe, um eine gezielte Untersuchung leichter TBI-Mechanismen zu ermöglichen und gleichzeitig die Störvariablen der systemischen Verletzung zu begrenzen. Im Gegensatz dazu sind andere Blastenmodelle dafür bekannt, periphere Organe zu sch…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet und J. Robson für ihre Beiträge zur Entwicklung des TBI-Modells. NARSAD Young Investigator Grants der Brain & Behavior Research Foundation (F.P. und M.J.R.), ein Forschungsstipendium des Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer’s Disease (F.P.) und ein PhRMA Foundation Award (M.J.R.) unterstützten diese Forschung. Diese Arbeit wurde durch Pre-Doctoral Fellowships der American Foundation for Pharmaceutical Education (A.F.L und B.P.L.) unterstützt.
Materials
| 3/8 SAE High Pressure Hydraulic Hose | Eaton Aeroquip | R2-6-6-36M | Available from Grainger |
| 3/8'' Quick Connect Female Plugs | Karcher | KAR 86410440 | |
| 3/8'' Quick Connect Male Plugs | Karcher | KAR 86410440 | |
| ANY-maze video tracking software | Stoelting Co. | ANY-maze software | |
| Clear Mylar membrane | ePlastics.com | POLYCLR0.003 | http://www.eplastics.com/Plastic/Clear_Polyester_Film/POLYCLR0-003; Clear Mylar membrane is sold in various thicknesses. All are sold by vendor listed above. |
| Compound Slide Table (X2) | Grizzly Industrial | G5757 | |
| Deadman Gas Control Ball Valve | Coneraco Inc. | 71-502-01 | "Apollo", Available from Grainger |
| Driver and driven section (murine) | own design/production | n/a | For further information please contact the authors |
| Driver and driven section (rat) | own design/production | n/a | For further information please contact the authors |
| Ear Muffs | 3M | 37274 | Available from Grainger |
| Gas Regulator – Hi Flow 3500-600-580 | Harris | 3003539 | |
| Helium Gas | AirGas | HE 300 | Tanks are available in various sizes |
| Inhalation Anesthesia System | VetEquip | 901806 | |
| Input Module | National Instruments | NI 9223 | |
| Isoflurane | Baxter | NDC 10019-360-40 | Ordered by veterinarian |
| Laboratory Timer/Stopwatch | Fisher Scientific | 50-550-352 | |
| Labview version 12.0 | National Instruments | Data Acquistion Software | |
| Magnetic Dial Indicator/Micrometer | Grizzly Industrial | G9849 | |
| MATLAB | MathWorks | Software for pressure recording analysis | |
| Oxygen Regulator | Medline | HCS8725M | |
| PC for Data Processing | Dell | ||
| Polyvinylchloride Tubing – 25.4 mm | FORMUFIT | P001FGP-WH-40×3 | |
| Pressure sensors | PCB Piezotronics | 102A05 | |
| Receiver USB Chassis | National Instruments | DAQ-9171 | |
| Sensor Signal Conditioner | PCB Piezotronics | 482C series | |
| Stainless NSF-Rated Mounting Table | Gridmann | GR06-WT2448 | |
| T Handle Allen Wrench – 3/16'' | S&K | 73310 |
Riferimenti
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