げっ歯類における閉鎖性軽度外傷性脳損傷の前臨床評価のための低強度ブラスト波モデル
Summary
ここでは、軽度から中等度の外傷性脳損傷の神経生物学的および病態生理学的影響を調査するためのげっ歯類のための爆風波モデルのプロトコルを提示する。圧力センサーを備えたガス駆動のベンチトップセットアップを確立し、爆風による軽度から中等度の外傷性脳損傷の信頼性と再現性の発生を可能にしました。
Abstract
外傷性脳損傷(TBI)は、大規模な公衆衛生上の問題です。軽度のTBIは、神経外傷の最も一般的な形態であり、米国で多数の医療訪問を占めています。現在、TBIに利用可能なFDA承認の治療法はありません。軍事関連の爆風誘発性TBIの発生率の増加は、効果的なTBI治療の緊急の必要性をさらに強調する。したがって、ヒト芽球関連TBIの側面を再現する新しい前臨床TBI動物モデルは、軽度から中等度のTBIの根底にある神経生物学的および病態生理学的プロセスの研究努力、ならびにTBIに対する新規治療戦略の開発を大きく前進させるであろう。
ここでは、軽度から中等度の芽球誘発性TBIの分子的、細胞的、および行動的影響の調査のための信頼性が高く再現可能なモデルを提示する。我々は、一貫した試験条件を保証するために圧電圧力センサを備えたガス駆動ショックチューブからなるベンチトップセットアップを使用して、げっ歯類における閉頭、爆風誘発軽度のTBIのためのステップバイステップのプロトコルを説明する。私たちが確立したセットアップの利点は、比較的低コスト、インストールの容易さ、使いやすさ、高スループット容量です。この非侵襲的TBIモデルのさらなる利点には、ブラストピーク過圧のスケーラビリティと制御された再現可能な結果の生成が含まれます。このTBIモデルの再現性と関連性は、神経生物学的、神経病理学的、神経生理学的および行動学的分析を含む多くの下流アプリケーションで評価されており、軽度から中等度のTBIの病因の根底にあるプロセスの特性評価のためのこのモデルの使用を支持している。
Introduction
外傷性脳損傷(TBI)は、米国だけで毎年200万回以上の病院訪問を占めています。自動車事故、スポーツイベント、または転倒によって一般的に生じる軽度のTBIは、すべてのTBI症例の約80%を占めています1。軽度のTBIは、患者は最初の侮辱の数日後や数ヶ月で明白な症状を経験しないことが多いため、「静かな病気」と考えられていますが、人生の後半で深刻なTBI関連の合併症を発症する可能性があります2。さらに、爆風誘発性軽度のTBIは軍人の間で蔓延しており、慢性CNS機能不全と関連している3,4,5,6。芽球関連軽度TBIの発生率の上昇により7,8、軽度のTBIに関連する神経生物学的および病態生理学的プロセスの前臨床モデリングは、TBIに対する新規治療介入の開発における焦点となっている。
歴史的に、TBI研究は、重篤なヒトTBI症例の数が比較的少ないにもかかわらず、主に重度の形態の神経外傷に焦点を当ててきた。制御された皮質衝撃(CCI)9,10および流体パーカッション傷害(FPI)11モデルを含む、重篤なヒトTBIの前臨床げっ歯類モデルが開発されており、これらは両方とも信頼できる病態生理学的効果を生み出すために十分に確立されている12,13。これらのモデルは、TBIにおける神経炎症、神経変性、およびニューロン修復について今日知られていることの基礎を築いた。TBIの病態生理学に関するかなりの知識が開発されているが、TBIに対して利用可能な有効なFDA承認の治療法は現在存在しない。
より最近では、TBI研究の焦点は、効果的な治療介入を開発するという究極の目標を掲げて、TBI関連病理のより広いスペクトルを含むように拡大されている。それにもかかわらず、測定可能な効果を示した軽度のTBIの前臨床モデルはほとんど確立されておらず、軽度のTBIスペクトルを調査した研究はごくわずかです2,14,15。軽度のTBIがすべてのTBI症例の大多数を占めるため、新しい治療戦略を開発するために、ヒトの状態の病因および神経病態生理学の研究を促進するために、軽度のTBIの信頼できるモデルが緊急に必要である。
生物医学エンジニアや航空宇宙物理学者と協力して、軽度から中等度のTBIのためのスケーラブルでクローズドヘッドブラストウェーブモデルを確立しました。この前臨床げっ歯類モデルは、軍事戦闘、スポーツイベント、自動車事故、転倒で得られた人間の軽度のTBIに関連する爆風波や加速/減速運動などの力力学の影響を調べるために特別に開発されました。爆風波はヒトで軽度のTBIを引き起こす力力ダイナミクスと相関するため、このモデルは、ポンド/平方インチ(psi)*ミリ秒(ms)として測定されるインパルスで一貫したフリードランダー波形を生成するように設計されています。インパルスレベルは、前臨床調査を実施するために、マウスおよびラットについて定義された肺致死率曲線を下回るようにスケーリングされます16,17,18。さらに、このモデルは、動物の頭の急速な回転力によるクーデターおよびコントレクティブ傷害の調査を可能にする。この種の傷害は、軍人および民間人集団の両方で観察されるものを含む、いくつかのタイプの臨床TBI提示に固有のものである。したがって、この汎用性の高いモデルは、TBIの複数の臨床提示を包含するニーズに適合する。
ここで提示された前臨床モデルは、多数の先行研究によって実証されているように、臨床的軽度TBIに関連する信頼性が高く再現可能な病態生理学的変化を生じる17、19、20、21、22、23。このモデルを用いた研究では、低強度の芽球波を受けたラットが、神経炎症、軸索損傷、微小血管損傷、神経細胞損傷に関連する生化学的変化、および短期可塑性およびシナプス興奮性の欠損を示すことが示されました19。しかし、この軽度のTBIモデルは、中等度から重度の侵襲的TBIモデルを用いた研究で一般的に観察されている組織損傷、出血、血腫および挫傷19を含む巨視的な神経病理学的変化を誘発しなかった10,24。以前の研究19,21,22,23は、この前臨床モデルが、軽度および中等度のTBIの病因の根底にある神経生物学的および病態生理学的プロセスを特徴付けるために使用され得ることを示している17,19,20,21,22,23。 このモデルはまた、新しい治療化合物および戦略の試験、ならびに効果的なTBI介入の開発のための新規で適切な標的の同定を可能にする19,21,22,23。
このモデルは、げっ歯類の分子、細胞、行動の結果に対する爆風波と急速な回転力によって誘発される影響を調べるために開発されました。ここで提示された爆風波モデルと同様に、ガス駆動の過圧波を用いて軽度から中等度のTBIを再現しようとする多くの前臨床モデルが開発されている2,14,17,25,26,27,28。他のモデルの制限のいくつかが含まれます:動物は金網のガーニーに固定され、頭は衝撃時に固定されます。末梢器官は脳に加えて波にさらされ、多発性外傷の交絡変数を作り出す。また、モデルは大きくて静止しているため、重要なパラメータを変更して、人間のTBIを連想させるより良いモデル条件に適応させることが制限されます。
このベンチトップのガス駆動ショックチューブセットアップの利点は、取得およびランニングコストが比較的低コストであること、および設置と使いやすさです。さらに、このセットアップにより、マウスとラットの両方で、ハイスループットな操作と制御された再現可能なブラスト波と in vivo 結果の生成が可能になります。一貫した試験条件(すなわち、一定のブラスト波および過圧)を制御するために、セットアップには圧力センサが装備されています。TBIに対するこのモデルの利点には、傷害の重症度のスケーラビリティと、軽度のTBIが非侵襲的で閉鎖的な頭部処置を使用して誘導されることが含まれる。ピーク過圧とそれに続く脳損傷は、より厚いポリエステル膜とともに、一貫したスケーラブルな方法で増加します17。TBIの重症度を膜厚によってスケーリングする能力は、特定の転帰尺度(例えば、神経炎症)が明らかになるレベルを決定するための有用なツールである。末梢器官に保護遮蔽を提供することで、肺または胸部損傷などの全身損傷の交絡変数を回避または低減することによって、軽度のTBIメカニズムへの集中的な調査も可能になる。さらに、この設定により、爆風波が頭部に当たる/貫通する方向(すなわち、正面から、側面、上または下)を選択できるため、さまざまな種類のTBI誘発侮辱を調査できます。ここで説明する軽度から中等度のTBIを誘導する標準的な手順は、急速な回転力によるクーデターおよびコントレクエイプ傷害と組み合わせた爆風波傷害の影響を評価するために、側方暴露を使用する。さらに、もっぱら爆風誘発傷害を調査するために、このモデルではトップダウン爆風波ばく露を採用することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
ここでは、費用対効果が高く、セットアップと実行が容易で、高スループットで信頼性が高く、再現性のある実験結果を可能にする前臨床軽度TBIモデルを紹介します。このモデルは、末梢器官に保護シールドを提供し、軽度のTBIメカニズムへの集中的な調査を可能にしながら、全身損傷の交絡変数を制限する。対照的に、他の爆風モデルは末梢器官に損傷を与えることが知られている<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我々は、TBIモデルの開発に貢献したR. Gettens、N. St. Johns、P. Bennet及びJ. Robsonに感謝する。Brain & Behavior Research Foundation(F.P.およびM.J.R.)からのNARSAD Young Investigator Grants、Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer’s Disease(F.P.)からの研究助成金、PhRMA Foundation Award(M.J.R.)がこの研究を支援しました。この研究は、米国薬学教育財団(A.F.L.およびB.P.L.)の博士前フェローシップを通じて支援されました。
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 |
References
- Bazarian, J. J., et al. Mild traumatic brain injury in the United States, 1998–2000. Brain Injury. 19 (2), 85-91 (2005).
- Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Science Translational Medicine. 8 (321), (2016).
- Mac Donald, C. L., et al. Detection of blast-related traumatic brain injury in U.S. military personnel. New England Journal of Medicine. 364 (22), 2091-2100 (2011).
- Fischer, B. L., et al. Neural activation during response inhibition differentiates blast from mechanical causes of mild to moderate traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (2), 169-179 (2014).
- Peskind, E. R., et al. Cerebrocerebellar hypometabolism associated with repetitive blast exposure mild traumatic brain injury in 12 Iraq war Veterans with persistent post-concussive symptoms. Neuroimage. 54, 76-82 (2011).
- Jorge, R. E., et al. White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. American Journal of Psychiatry. 169 (12), 1284-1291 (2012).
- Hoge, C. W., et al. Mild traumatic brain injury in U.S. Soldiers returning from Iraq. New England Journal of Medicine. 358 (5), 453-463 (2008).
- Eskridge, S. L., et al. Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity. Injury. 43 (10), 1678-1682 (2012).
- 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).
- McIntosh, T. K., et al. Traumatic brain injury in the rat: characterization of a lateral fluid-percussion model. 신경과학. 28 (1), 233-244 (1989).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
- Osier, N., Dixon, C. E. Mini Review of Controlled Cortical Impact: A Well-Suited Device for Concussion Research. Brain Sciences. 7 (7), (2017).
- Goldstein, L. E., et al. Chronic traumatic encephalopathy in blast-exposed military veterans and a blast neurotrauma mouse model. Science Translational Medicine. 4 (134), (2012).
- Rodriguez-Grande, B., et al. Gliovascular changes precede white matter damage and long-term disorders in juvenile mild closed head injury. Glia. 66 (8), 1663-1677 (2018).
- Bowen, I. G., Fletcher, E. R., Richmond, D. R., Hirsch, F. G., White, C. S. Biophysical mechanisms and scaling procedures applicable in assessing responses of the thorax energized by air-blast overpressures or by nonpenetrating missiles. Annals of the New York Academy of Sciences. 152 (1), 122-146 (1968).
- Turner, R. C., et al. Modeling clinically relevant blast parameters based on scaling principles produces functional & histological deficits in rats. Experimental Neurology. , 520-529 (2013).
- Lucke-Wold, B. P., et al. Elucidating the role of compression waves and impact duration for generating mild traumatic brain injury in rats. Brain Injury. 31 (1), 98-105 (2017).
- Hernandez, A., et al. Exposure to mild blast forces induces neuropathological effects, neurophysiological deficits and biochemical changes. Molecular Brain. 11 (1), 64 (2018).
- Bittar, A., et al. Neurotoxic tau oligomers after single versus repetitive mild traumatic brain injury. Brain Communications. 1 (1), (2019).
- Logsdon, A. F., et al. Salubrinal reduces oxidative stress, neuroinflammation and impulsive-like behavior in a rodent model of traumatic brain injury. Brain Research. 1643, 140-151 (2016).
- Lucke-Wold, B. P., et al. Bryostatin-1 Restores Blood Brain Barrier Integrity following Blast-Induced Traumatic Brain Injury. Molecular Neurobiology. 52 (3), 1119-1134 (2015).
- Logsdon, A. F., et al. Altering endoplasmic reticulum stress in a model of blast-induced traumatic brain injury controls cellular fate and ameliorates neuropsychiatric symptoms. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 421 (2014).
- Dixon, C. E., et al. A fluid percussion model of experimental brain injury in the rat. Journal of Neurosurgery. 67 (1), 110-119 (1987).
- Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. Journal of Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
- Budde, M. D., et al. Primary blast traumatic brain injury in the rat: relating diffusion tensor imaging and behavior. Frontiers in Neurology. 4, 154 (2013).
- Genovese, R. F., et al. Effects of mild TBI from repeated blast overpressure on the expression and extinction of conditioned fear in rats. 신경과학. 254, 120-129 (2013).
- Kuriakose, M., Rama Rao, K. V., Younger, D., Chandra, N. Temporal and Spatial Effects of Blast Overpressure on Blood-Brain Barrier Permeability in Traumatic Brain Injury. Scientific Reports. 8 (1), 8681 (2018).
- Cernak, I., et al. The pathobiology of blast injuries and blast-induced neurotrauma as identified using a new experimental model of injury in mice. Neurobiology of Disease. 41 (2), 538-551 (2011).
- Prima, V., Serebruany, V. L., Svetlov, A., Hayes, R. L., Svetlov, S. I. Impact of moderate blast exposures on thrombin biomarkers assessed by calibrated automated thrombography in rats. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1881-1887 (2013).
- Mishra, V., et al. Primary blast causes mild, moderate, severe and lethal TBI with increasing blast overpressures: Experimental rat injury model. Scientific Reports. 6, 26992 (2016).
- Tompkins, P., et al. Brain injury: neuro-inflammation, cognitive deficit, and magnetic resonance imaging in a model of blast induced traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1888-1897 (2013).
- Kuriakose, M., et al. Tailoring the Blast Exposure Conditions in the Shock Tube for Generating Pure, Primary Shock Waves: The End Plate Facilitates Elimination of Secondary Loading of the Specimen. Public Library of Science One. 11 (9), 0161597 (2016).
- Panzer, M. B., et al. A Multiscale Approach to Blast Neurotrauma Modeling: Part I – Development of Novel Test Devices for in vivo and in vitro Blast Injury Models. Frontiers in Neurology. 3, 46 (2012).
- Logsdon, A. F., et al. A mouse Model of Focal Vascular Injury Induces Astrocyte Reactivity, Tau Oligomers, and Aberrant Behavior. Archives of Neuroscience. 4 (2), (2017).
- Lee, M. C., Klassen, A. C., Heaney, L. M., Resch, J. A. Respiratory rate and pattern disturbances in acute brain stem infarction. Stroke. 7 (4), 382-385 (1976).
- Ikeda, K., et al. The respiratory control mechanisms in the brainstem and spinal cord: integrative views of the neuroanatomy and neurophysiology. Journal of Physiological Sciences. 67 (1), 45-62 (2017).
- Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475 (7355), 196-200 (2011).
- Logsdon, A. F., et al. Blast exposure elicits blood-brain barrier disruption and repair mediated by tight junction integrity and nitric oxide dependent processes. Scientific Reports. 8 (1), 11344 (2018).
- Logsdon, A. F., et al. Nitric oxide synthase mediates cerebellar dysfunction in mice exposed to repetitive blast-induced mild traumatic brain injury. Scientific Reports. 10 (1), 9420 (2020).
- Huber, B. R., et al. Blast exposure causes dynamic microglial/macrophage responses and microdomains of brain microvessel dysfunction. 신경과학. 319, 206-220 (2016).
- Gama Sosa, M. A., et al. Low-level blast exposure disrupts gliovascular and neurovascular connections and induces a chronic vascular pathology in rat brain. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 6 (2019).
- Abutarboush, R., et al. Exposure to Blast Overpressure Impairs Cerebral Microvascular Responses and Alters Vascular and Astrocytic Structure. Journal of Neurotrauma. 36 (22), 3138-3157 (2019).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews: Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Petraglia, A. L., et al. Concussion in the absence of head impact: a case in a collegiate hammer thrower. Current Sports Medicine Reports. 14 (1), 11-15 (2015).
- Viano, D. C., Casson, I. R., Pellman, E. J. Concussion in professional football: biomechanics of the struck player–part 14. Neurosurgery. 61 (2), 313-327 (2007).
