Gecontroleerde corticale impact model van muis hersenletsel met therapeutische transplantatie van menselijk geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide neurale cellen
Summary
Dit protocol demonstreert methodologieën voor een muismodel van open-schedel traumatisch hersenletsel en transplantatie van gekweekte menselijke geïnduceerde pluripotente stamcel-afgeleide cellen in de wond site. Gedrags-en histologische tests van uitkomsten van deze procedures worden ook in het kort beschreven.
Abstract
Traumatisch hersenletsel (TBI) is een leidende oorzaak van morbiditeit en sterfte wereldwijd. Ziekte pathologie als gevolg van TBI vordert van de primaire mechanische belediging tot secundaire letsel processen, met inbegrip van apoptosis en ontsteking. Animal Modeling is waardevol geweest in de zoektocht naar het ontrafelen van letsel mechanismen en het evalueren van potentiële neuroprotectieve therapieën. Dit protocol beschrijft het gecontroleerde corticale impact (CCI) model van focal, open-Head TBI. Specifiek worden parameters voor het produceren van een milde eenzijdige corticale verwonding beschreven. De gedrags gevolgen van CCI worden geanalyseerd met behulp van de kleefband verwijderings test van bilaterale sensorimotorische integratie. Met betrekking tot experimentele therapie voor TBI pathologie, dit protocol illustreert ook een proces voor het verplanten van gekweekte cellen in de hersenen. Neurale celculturen afgeleid van door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) werden gekozen voor hun potentieel om superieure functionele restauratie bij humane TBI-patiënten te vertonen. Chronische overleving van hiPSCs in de gastheer muis hersenweefsel wordt gedetecteerd met behulp van een gemodificeerde DAB immunohistochemisch proces.
Introduction
Traumatisch hersenletsel (TBI) is een algemene term voor de verworven verwonding aan de hersenen als gevolg van ofwel indirecte mechanische krachten (rotatie versnelling/vertraging of contra coup) van slagen naar het hoofd of directe schade van objecten of Blast golven. Er wordt geschat dat TBI de oorzaak is van ruwweg 9% van de wereldwijde sterfgevallen en in een geschatte 50.000.000 jaar1,2wordt waargenomen. Een 2017 rapport van de centra voor ziektebestrijding en preventie geschat dat in 2013, waren er in totaal 2.800.000 ziekenhuis bezoeken en sterfgevallen als gevolg van TBI in de Verenigde Staten3. Veel mildere TBIs gaan elk jaar ongerapporteerd. Ernstige TBI kan leiden tot levenslange verslechtering van de cognitie, motorische functie, en de algehele kwaliteit van leven. De gevolgen van milde TBI, vooral repetitieve sportgerelateerde TBI, zijn pas onlangs gewaardeerd voor hun verraderlijke gezondheidseffecten4,5.
Preklinische modellering is een essentieel onderdeel van het ontwikkelen van nieuwe mechanistische inzichten en mogelijke herstellende therapie voor TBI. Het gecontroleerde corticale impact (CCI) model van TBI is een open-Head model van mechanische contusie letsel aan de cortex. De impact parameters kunnen worden aangepast om CCI letsels te produceren die variëren van mild tot ernstig6. CCI-verwondingen zijn eerder brand in plaats van diffuus, zoals te zien is bij andere gesloten hoofdmodellen van TBI. CCI kan worden uitgevoerd om een eenzijdige verwonding te induceren, zodat de contralaterale cortex kan dienen als een interne comparator. Dit protocol toont de kenmerken van een milde CCI aan een deel van de cortex dat primaire somatosensorische en motorische regio’s omvat. Dit corticale gebied werd gekozen voor zijn betrokkenheid bij sensorimotorische gedragingen waarvoor talrijke gedrags tests letsel-geïnduceerde tekorten7kunnen detecteren. Gedrags verbeteringen als gevolg van therapeutische interventies voor TBI kunnen ook worden gedetecteerd.
Een kenmerk van TBI is wijdverspreide neurale disfunctie in de benadeelde regio. Gewonde neuronen ondergaan celdood, en neuronale netwerkconnectiviteit wordt verstoord8,9. TBI verstoort de werving van endogene stamcellen, wat leidt tot verder stroomafwaarts gedrag tekorten10,11. Transplantatie van neurale stamcellen en stamcel-afgeleide cellen is onderzocht als een mogelijkheid om te herstellen van de functie in de gewonde hersenen. Naast het potentieel om beschadigde neurale circuits te herstellen, kunnen getransplanteerde cellen paracrine-effecten uitoefenen die neuronale overleving en functioneel herstel van TBI12bevorderen. Een verscheidenheid van celtypen zijn preclinically getransplanteerd om hun herstellende potentieel te evalueren in modellen van neurologische aandoeningen13,14,15. De recente popularisatie van geïnduceerde pluripotente stamceltechnologie16 heeft de ontwikkeling van talrijke menselijke stamcellijnen voor experimenteel gebruik vergemakkelijkt. Preklinisch onderzoek met hiPSC-afgeleide cellen is een belangrijke eerste stap om de potentiële therapeutische werkzaamheid van een bepaalde cellijn tegen menselijke ziektes te karakteriseren. Dit laboratorium heeft protocollen ontwikkeld om hiPSCs te differentiëren naar neurale fenotypes17 in het nastreven van transplanteer bare cellen om herstel van traumatisch hersenletsel te helpen.
Experimenten in dit protocol gebruiken een unilaterale CCI om TBI te induceren naar de linker somatosensorische en motorische cortex van volwassen muizen. Een milde CCI-blessure resulteert in een langdurig functioneel tekort in de rechter voorpoot dat wordt gebruikt om de effecten van de door hiPSC afgeleide neurale cel-engraftment op functioneel herstel bij te houden. Forepaw sensomotorische testen in dit protocol werd aangepast aan de methodologie van Bouet en collega’s18 en werd eerder gedemonstreerd door Fleming en collega’s19. Dit protocol schetst een complete workflow voor het uitvoeren van een experimenteel hersenletsel, therapeutische transplantatie van heup cellen en gedrags-en histologische analyse van experimentele uitkomst maatregelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mild CCI als modelsysteem voor het testen van experimentele regeneratieve therapie
Het CCI-model is een waardevol hulpmiddel voor het onderzoeken van mechanismen van weefsel disfunctie na mechanisch letsel aan de cortex. De instelbaarheid van de blessure parameters is een aantrekkelijk kenmerk van dit model. Het veranderen van de Z-diepte van de impact, de snelheid of de verblijfstijd kan de ernst van het letsel verhogen of verlagen zoals gewenst door de onderzoeker10,</su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door een subsidie van het centrum voor Neurowetenschappen en regeneratieve geneeskunde (CNRM, Grant Number G170244014). We waarderen de hulp van Mahima Dewan en Clara Selbrede in pilotstudies voor het verwijderen van lijm. Kryslaine Radomski voerde voorlopige hersenletsel en celtransplantatie operaties uit. Amanda Fu en Laura Tucker van de USU CNRM Preklinische studies kern laboratorium verstrekt waardevol advies over dier chirurgie en gedrag testen, respectievelijk.
Materials
| 1 ml syringes | Becton Dickinson (BD) | 309659 | |
| 1.7 ml flip top test tubes | Denville | C2170 | |
| 10 microliter syringe | Hamilton | 7635-01 | |
| 25G Precision Glide syringe needles | Becton Dickinson (BD) | 305122 | |
| 70% ethanol | Product of choice; varies by region | ||
| acetaminophen oral suspension | Tylenol (Children's) | Dilute to 1 mg/ml in water | |
| anesthetic vaporizer | Vetland | 521-11-22 | |
| animal handling cloth | Purchase from department store | ||
| Betadine | Purdue Products | NDC-67618-151-32 | |
| compressed oxygen | Product of choice; varies by region | ||
| cyclosporine A | Sigma-Aldrich | 30024-100mg | |
| DAB staining kit | Vector Laboratories | SK-4100 | |
| dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418-500ml | |
| DMEM | Invitrogen (ThermoFisher) | A14430-01 | |
| donkey anti-mouse IgG antibody, HRP conjugated | Jackson ImmunoResearch | 715-035-151 | |
| electrical tape | 3M Corporation | Purchase from department store | |
| fine tweezers | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| forceps | Fine Science Tools | 91106-12 | |
| glass capillary pipettes, 1 mm OD, 0.58 mm ID | World Precision Instruments | 1B100F-3 | |
| High Speed Rotary Micromotor Kit | Foredom Electric Co. | K.1070 – K.107018 | |
| Ideal Micro Drill Burr Set Of 5 | Cell Point Scientific | 60-1000 | |
| Impact One Stereotaxic Impactor for CCI | Leica Biosystems | 39463920 | |
| isoflurane | Baxter | NDC-10019-360-60 | |
| lab bench timers | Fisher Scientific | 14-649-17 | |
| Micropipette puller | MicroData Instruments, Inc. | PMP-102 | Any puller will suffice |
| Microscope cover slips | Fisherbrand | 12-545-E | |
| Microscope slide mounting medium | Product of choice | ||
| mirror | Purchase from department store | ||
| mouse anti-human nuclear antigen antibody | Millipore | MAB1281 | |
| Mouse on Mouse blocking kit | Vector Laboratories | BMK-2202 | |
| needle holder hemostat | Fine Science Tools | 12002-12 | |
| ophthalmic ointment | Falcon Pharmaceuticals | NDC-61314-631-36 | |
| ophthalmic spring scissors | Fine Science Tools | 15018-10 | |
| plastic box | Purchase from department store | ||
| plastic cylinder | Purchase from department store | ||
| QSI motorized syringe pump | Stoelting | 53311 | |
| Removable needle compression fitting | Hamilton | 55750-01 | |
| small rodent stereotaxic frame | Stoelting | 51925 | |
| small scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
| StemPro Accutase | Invitrogen (ThermoFisher) | A1110501 | |
| Sterile alcohol prep pads | Fisherbrand | 06-669-62 | |
| sterile cotton swabs/Kendall Q-tips | Tyco Healthcare | 540500 | |
| Sterile saline | Hospira | NDC-0409-1966-07 | |
| Stopwatches (2) | Fisher Scientific | 06-662-56 | |
| Superfrost Plus Gold microscope slides | Fisherbrand | 15-188-48 | |
| sutures – 5.0 silk with curved needle | Oasis | MV-682 |
References
- Maas, A. I. R., et al. Traumatic brain injury: integrated approaches to improve prevention, clinical care, and research. The Lancet Neurology. 16, 987-1048 (2017).
- Murray, C. J., et al. Disability-adjusted life years (DALYs) for 291 diseases and injuries in 21 regions, 1990-2010: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010. The Lancet. 380, 2197-2223 (2012).
- Taylor, C. A., Bell, J. M., Breiding, M. J., Xu, L. Traumatic Brain Injury-Related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths – United States, 2007 and 2013. Morbidity and mortality weekly report: Surveillance summaries. 66, 1-16 (2017).
- Fehily, B., Fitzgerald, M. Repeated Mild Traumatic Brain Injury: Potential Mechanisms of Damage. Cell Transplantation. 26, 1131-1155 (2017).
- Kulbe, J. R., Hall, E. D. Chronic traumatic encephalopathy-integration of canonical traumatic brain injury secondary injury mechanisms with tau pathology. Progress in Neurobiology. 158, 15-44 (2017).
- Romine, J., Gao, X., Chen, J. Controlled cortical impact model for traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. , e51781 (2014).
- Schallert, T., Fleming, S. M., Leasure, J. L., Tillerson, J. L., Bland, S. T. CNS plasticity and assessment of forelimb sensorimotor outcome in unilateral rat models of stroke, cortical ablation, parkinsonism and spinal cord injury. Neuropharmacology. 39, 777-787 (2000).
- Mishra, A. M., et al. Decreased resting functional connectivity after traumatic brain injury in the rat. PloS ONE. 9, 95280 (2014).
- Sours, C., et al. Default mode network interference in mild traumatic brain injury – a pilot resting state study. Brain Research. 1537, 201-215 (2013).
- Radomski, K. L., Zhou, Q., Yi, K. J., Doughty, M. L. Cortical contusion injury disrupts olfactory bulb neurogenesis in adult mice. BMC Neuroscience. 14, 142 (2013).
- Wang, X., Gao, X., Michalski, S., Zhao, S., Chen, J. Traumatic Brain Injury Severity Affects Neurogenesis in Adult Mouse Hippocampus. Journal of Neurotrauma. 33, 721-733 (2016).
- Aertker, B. M., Bedi, S., Cox, C. S. Strategies for CNS repair following TBI. Experimental Neurology. 275 (3), 411-426 (2016).
- Kikuchi, T., et al. Human iPS cell-derived dopaminergic neurons function in a primate Parkinson’s disease model. Nature. 548, 592-596 (2017).
- Kondo, T., et al. Focal transplantation of human iPSC-derived glial-rich neural progenitors improves lifespan of ALS mice. Stem Cell Reports. 3, 242-249 (2014).
- Tong, L. M., et al. Inhibitory interneuron progenitor transplantation restores normal learning and memory in ApoE4 knock-in mice without or with Abeta accumulation. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34, 9506-9515 (2014).
- Takahashi, K., et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 131, 861-872 (2007).
- Lischka, F. W., et al. Neonatal mouse cortical but not isogenic human astrocyte feeder layers enhance the functional maturation of induced pluripotent stem cell-derived neurons in culture. Glia. 66, 725-748 (2018).
- Bouet, V., et al. The adhesive removal test: a sensitive method to assess sensorimotor deficits in mice. Nature Protocols. 4, 1560-1564 (2009).
- Fleming, S. M., Ekhator, O. R., Ghisays, V. Assessment of sensorimotor function in mouse models of Parkinson’s disease. Journal of Visualized Experiments. , e50303 (2013).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The mouse brain in stereotaxic coordinates. Compact 2nd edn. , (2004).
- Jacobs, G. H., Williams, G. A., Cahill, H., Nathans, J. Emergence of novel color vision in mice engineered to express a human cone photopigment. Science. 315, 1723-1725 (2007).
- Lundell, T. G., Zhou, Q., Doughty, M. L. Neurogenin1 expression in cell lineages of the cerebellar cortex in embryonic and postnatal mice. Developmental Dynamics: An Official Publication of the American Association of Anatomists. 238, 3310-3325 (2009).
- Kempermann, G., Kuhn, H. G., Gage, F. H. More hippocampal neurons in adult mice living in an enriched environment. Nature. 386, 493-495 (1997).
- Piltti, K. M., et al. Transplantation dose alters the dynamics of human neural stem cell engraftment, proliferation and migration after spinal cord injury. Stem Cell Research. 15, 341-353 (2015).
- Yu, S., et al. Severity of controlled cortical impact traumatic brain injury in rats and mice dictates degree of behavioral deficits. Brain Research. 1287, 157-163 (2009).
- Kabadi, S. V., Hilton, G. D., Stoica, B. A., Zapple, D. N., Faden, A. I. Fluid-percussion-induced traumatic brain injury model in rats. Nature Protocols. 5, 1552-1563 (2010).
- Namjoshi, D. R., et al. Defining the biomechanical and biological threshold of murine mild traumatic brain injury using CHIMERA (Closed Head Impact Model of Engineered Rotational Acceleration). Experimental Neurology. 292, 80-91 (2017).
- Shetty, A. K., Mishra, V., Kodali, M., Hattiangady, B. Blood brain barrier dysfunction and delayed neurological deficits in mild traumatic brain injury induced by blast shock waves. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 232 (2014).
- Petraglia, A. L., Dashnaw, M. L., Turner, R. C., Bailes, J. E. Models of mild traumatic brain injury: translation of physiological and anatomic injury. Neurosurgery. 75, 34-49 (2014).
- Siebold, L., Obenaus, A., Goyal, R. Criteria to define mild, moderate, and severe traumatic brain injury in the mouse controlled cortical impact model. Experimental Neurology. 310, 48-57 (2018).
- Tucker, L. B., Fu, A. H., McCabe, J. T. Performance of Male and Female C57BL/6J Mice on Motor and Cognitive Tasks Commonly Used in Pre-Clinical Traumatic Brain Injury Research. Journal of Neurotrauma. 33, 880-894 (2016).
- Rose, S. C., Fischer, A. N., Heyer, G. L. How long is too long? The lack of consensus regarding the post-concussion syndrome diagnosis. Brain Injury. 29, 798-803 (2015).
- Hurst, J. L., West, R. S. Taming anxiety in laboratory mice. Nature Methods. 7, 825-826 (2010).
- Li, X., et al. Chronic behavioral testing after focal ischemia in the mouse: functional recovery and the effects of gender. Experimental Neurology. 187, 94-104 (2004).
- Andersen, A. B., Finger, S., Andersen, C. S., Hoagland, N. Sensorimotor cortical lesion effects and treatment with nimodipine. Physiology & Behavior. 47, 1045-1052 (1990).
- Al-Ali, H., et al. The mTOR Substrate S6 Kinase 1 (S6K1) Is a Negative Regulator of Axon Regeneration and a Potential Drug Target for Central Nervous System Injury. The Journal of Neuroscience: The Official Journal of the Society for Neuroscience. 37, 7079-7095 (2017).
- Pleasant, J. M., et al. Rate of neurodegeneration in the mouse controlled cortical impact model is influenced by impactor tip shape: implications for mechanistic and therapeutic studies. Journal of Neurotrauma. 28, 2245-2262 (2011).
