En iller modell av inflammation-sensibiliserade sent Preterm hypoxisk-ischemisk hjärnskada
Summary
Metoden beskriver inflammation-sensibiliserad hypoxisk-ischemisk och hyperoxic hjärnskada i P17 Ferret att modellera komplexa samspelet mellan långvarig inflammation och oxidativ hjärnskada upplevt i ett antal sena prematura spädbarn.
Abstract
Det finns ett kontinuerligt behov av kliniskt relevanta modeller av perinatal infektion och hypoxi-ischa (HI) för att testa terapeutiska ingrepp för spädbarn med den neurologiska följd av prematuritet. Illrar är idealiska kandidater för modellering av prematura mänskliga hjärnan, eftersom de föds lissencephalic och utveckla gyrencephalic hjärnor postnatally. Vid födseln, iller hjärnans utveckling liknar en 13 veckors mänskligt Foster, med postnatal-dag (P) 17 kit anses vara likvärdiga med ett spädbarn vid 32-36 veckors dräktigning. Vi beskriver en skada modell i P17 Ferret, där lipopolysackarid administration följs av bilaterala cerebral ischiller, hypoxi, och hyperoxia. Detta simulerar den komplexa interaktionen av långvarig inflammation, ischemia, hypoxi, och oxidativ stress upplevs i ett antal nyfödda som utvecklar hjärnskada. Skadade djur visar en rad av grov skada svårighetsgrad, med morfologiska förändringar i hjärnan inklusive förträngning av flera kortikala gyri och tillhörande sulci. Skadade djur visar också långsammare reflex utveckling, långsammare och mer varierande hastighet av förflyttning i en automatiserad catwalk, och minskade prospektering i ett öppet fält. Denna modell ger en plattform för att testa metoder för behandling av spädbarn med neonatal encefalopati associerad med inflammation och HI, studimekanismer för skada som påverkar kortikal utveckling, och undersöka vägar som ger motståndskraft i opåverkade djur.
Introduction
Det finns ett ständigt behov av stora djurmodeller som återspeglar patofysiologin av prematuritet och perinatal hypoxi-ischa där terapeutiska ingrepp för spädbarn kan testas. I 2017, 9,93% av de 382 726 spädbarn födda i USA föddes prematura, och 84% av dessa spädbarn föddes mellan 32 och 36 graviditetsveckor1. Hos prematura spädbarn, perinatal exponering för infektion eller inflammation är vanligt, där maternell immunaktivering på grund av virus eller bakteriella patogener kan initiera prematura Labor. Postnatalt, prematura spädbarn har hög risk för tidig eller sen debut sepsis2. Prematura spädbarn upplever också ofta perioder av hypoxi, hypotoni och inverkan på grund av deras omogna kardiorespiratoriska system, förhöjda syre spänningar i atmosfären i förhållande till de som upplevt i livmodern, och iatrogena exponeringar. Dessutom, hos prematura spädbarn, antioxidant försvar är omogen3 och pro-apoptotiska faktorer är naturligt uppreglerad4. Oxidativ stress och celldöd leder till aktivering av immunförsvaret och neuroinflammation. Dessa kombinerade faktorer tros bidra till utveckling och fysiologisk sårbarhet i hjärnan, och resultera i eller förvärra encefalopati i samband med dåliga utvecklings utfall hos prematura spädbarn5,6,7.
På grund av den fysiska och utvecklingsmässiga likheter som iller hjärnan delar med den mänskliga hjärnan, iller är en attraktiv art som att modellera hjärnskada8,9,10,11,12. Illrar är också idealiska kandidater för att modellera den prematura mänskliga hjärnan, eftersom de föds lissencephalic och utveckla gyrencephalic hjärnor postnatally, som ger ett fönster där för att exponera hjärnans utveckling till förolämpningar som efterliknar de upplevs av spädbarn födda prematura. Vid födseln, iller hjärnans utveckling liknar en 13 veckors mänskligt Foster, med postnatal-dag (P) 17 kit anses vara likvärdiga med ett spädbarn vid 32-36 veckors dräktifiering13.
Vår grupp har nyligen publicerat en modell av extremt prematur (< 28 veckors dräktigning) hjärnskada i P10 Ferret genom att kombinera inflammatorisk sensibilisering med Escherichia coli lipopolysackarid (LPS) med efterföljande exponering för hypoxi och inverkan12. I följande protokoll, vi nu beskriva en sen prematura modell i P17 Ferret, där LPS sensibilisering följs av bilaterala cerebral ischisin, hypoxi, och hyperoxia. Detta resulterar i mer allvarliga skador i en delmängd av djur, och närmare modeller den komplexa interaktionen av långvarig inflammation, ischemia, hypoxi, och oxidativ stress upplevt i ett antal prematura spädbarn som utvecklar hjärnskada.
Protocol
Representative Results
Discussion
På grund av de fysiska och utvecklingsmässiga likheter som delas mellan iller hjärnan och den mänskliga hjärnan, är iller alltmer används för att modellera både vuxna och utvecklingsmässiga hjärnskador. 8,9,10,11,12. Emellertid, forskning hittills tyder på att iller hjärnan är både resistent mot initial skada samt hög-plast, med beteendemässig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Utvecklingen av modellen finansierades Bill och Melinda Gates Foundation, samt av NIH Grant 5R21NS093154-02 (NICHD).
Materials
| 80% Oxygen | Praxair | ||
| 9% Oxygen | Praxair | ||
| Absorbent benchtop protector | Kimtech | 7546 | |
| Automated catwalk | Noldus | ||
| Betadine surgical scrub | |||
| Bupivacaine | Patterson Veterinary | 07-888-9382 | |
| Buprenorphine | |||
| Calipers | SRA Measurement Products | ME-CAL-FP-200 | 200mm range, .01 mm resolution |
| Cotton Gauze Sponge | Fisher Scientific | 22028556 | |
| Curved fine hemostat | Roboz | RS-7101 | |
| Curved forceps | World Precision Instruments | 501215 | |
| Curved suture-tying hemostat | Roboz | RS-7111 | |
| Ethovision tracking software | Noldus | ||
| Eye Lubricant | Rugby | NDC 0536-1970-72 | |
| Ferrets (Mustela putorius furo) | Marshall Biosciences | Outbred (no specific strain) | |
| Formalin | Fisher Scientific | SF100-4 | 10% (Phosphate Buffer/Certified) |
| Hair Clippers | Conair | GMT175N | |
| Insulin Syringes | BD | 329461 | 0.3 cc 3 mm 31G |
| Isoflurane | Piramal | 66794-017-25 | |
| Lidocaine | Patterson Veterinary | 07-808-8202 | |
| LPS | List Biological | LPS Ultrapure #423 | |
| Oxygen sensor | BW Gas Alert | GAXT-X-DL-2 | |
| Pentobarbital | |||
| Plastic chamber | Tellfresh | 1960 | 10L; 373x270x135mm |
| Saline Solution, 0.9% | Hospira | RL-4492 | |
| Scalpel blade | Integra Miltex | 297 | |
| Scalpel handle | World Precision Instruments | 500236 | #3, 13cm |
| Sterile suture | Fine Science Tools | 18020-50 | Braided Silk, 5/0 |
| Surgical clip applicator | Fine Science Tools | 12020-09 | |
| Surgical clip remover | Fine Science Tools | 12023-00 | |
| Surgical drapes | Medline Unidrape | VET3000 | |
| Surgical gloves | Ansell Perry Inc | 5785004 | |
| Surigical clips | Fine Science Tools | 12022-09 | |
| Thermometer (rectal) | YSI | Precision 4000A | |
| Thermometer (water) | Fisher Scientific | 14-648-26 | |
| Umbilical tape | Grafco | 3031 | Sterile |
| Water bath | Thermo Scientific | TSCOL19 | 19L |
References
- Martin, J. A., Hamilton, B. E., Osterman, M. J. K., Driscoll, A. K., Drake, P. Births: Final Data for 2017. National Vital Statistics Report. 67 (8), 1-49 (2018).
- Vanhaesebrouck, P., et al. The EPIBEL study: outcomes to discharge from hospital for extremely preterm infants in Belgium. Pediatrics. 114 (3), 663-675 (2004).
- Raju, T. N., et al. Long-Term Healthcare Outcomes of Preterm Birth: An Executive Summary of a Conference Sponsored by the National Institutes of Health. Journal of Pediatrics. , (2016).
- Raju, T. N. K., Buist, A. S., Blaisdell, C. J., Moxey-Mims, M., Saigal, S. Adults born preterm: a review of general health and system-specific outcomes. Acta Paediatrica. 106 (9), 1409-1437 (2017).
- Bennet, L., et al. Chronic inflammation and impaired development of the preterm brain. Journal of Reproductive Immunology. 125, 45-55 (2018).
- Reich, B., Hoeber, D., Bendix, I., Felderhoff-Mueser, U. Hyperoxia and the Immature Brain. Developmental Neuroscience. 38 (5), 311-330 (2016).
- Galinsky, R., et al. Complex interactions between hypoxia-ischemia and inflammation in preterm brain injury. Developmental Medicine & Child Neurology. 60 (2), 126-133 (2018).
- Empie, K., Rangarajan, V., Juul, S. E. Is the ferret a suitable species for studying perinatal brain injury. International Journal of Developlemental Neuroscience. 45, 2-10 (2015).
- Snyder, J. M., et al. Ontogeny of white matter, toll-like receptor expression, and motor skills in the neonatal ferret. International Journal of Developlemental Neuroscience. , (2018).
- Schwerin, S. C., et al. Progression of histopathological and behavioral abnormalities following mild traumatic brain injury in the male ferret. Journal of Neuroscience Research. 96 (4), 556-572 (2018).
- Rafaels, K. A., et al. Brain injury risk from primary blast. Journal of Trauma and Acute Care Surgery. 73 (4), 895-901 (2012).
- Wood, T., et al. A Ferret Model of Encephalopathy of Prematurity. Developlemental Neuroscience. , (2019).
- Barnette, A. R., et al. Characterization of Brain Development in the Ferret via Magnetic Resonance Imaging. Pediatric Research. 66 (1), 80-84 (2009).
- Kroenke, C. D., Mills, B. D., Olavarria, J. F., Neil, J. J. . Biology and Diseases of the Ferret. , (2014).
- Eklind, S., et al. Bacterial endotoxin sensitizes the immature brain to hypoxic–ischaemic injury. European Journal of Neuroscience. 13 (6), 1101-1106 (2001).
- Falck, M., et al. Neonatal Systemic Inflammation Induces Inflammatory Reactions and Brain Apoptosis in a Pathogen-Specific Manner. Neonatology. 113 (3), 212-220 (2018).
- Osredkar, D., et al. Hypothermia Does Not Reverse Cellular Responses Caused by Lipopolysaccharide in Neonatal Hypoxic-Ischaemic Brain Injury. Developmental Neuroscience. 37 (4-5), 390-397 (2015).
- Nakata, M., Itou, T., Sakai, T. Quantitative analysis of inflammatory cytokines expression in peripheral blood mononuclear cells of the ferret (Mustela putorius furo) using real-time PCR. Veterinary Immunology and Immunopathology. 130 (1-2), 88-91 (2009).
- Christensson, M., Garwicz, M. Time course of postnatal motor development in ferrets: ontogenetic and comparative perspectives. Behavioral Brain Research. 158 (2), 231-242 (2005).
- Li, Y., Dugyala, S. R., Ptacek, T. S., Gilmore, J. H., Frohlich, F. Maternal Immune Activation Alters Adult Behavior, Gut Microbiome and Juvenile Brain Oscillations in Ferrets. eNeuro. 5 (5), (2018).
- Rice, J. E., Vannucci, R. C., Brierley, J. B. The influence of immaturity on hypoxic-ischemic brain damage in the rat. Annals of Neurolology. 9 (2), 131-141 (1981).
