Lavintensitets blastbølgemodel til præklinisk vurdering af mild traumatisk hjerneskade med lukket hoved hos gnavere

Summary

Vi præsenterer her en protokol for en eksplosionsbølgemodel for gnavere til at undersøge neurobiologiske og patofysiologiske virkninger af mild til moderat traumatisk hjerneskade. Vi etablerede en gasdrevet, bænk-top opsætning udstyret med tryksensorer, der muliggør pålidelig og reproducerbar generering af blast-induceret mild til moderat traumatisk hjerneskade.

Abstract

Traumatisk hjerneskade (TBI) er et stort folkesundhedsproblem. Mild TBI er den mest udbredte form for neurotrauma og tegner sig for et stort antal lægebesøg i USA. Der er i øjeblikket ingen FDA-godkendte behandlinger til rådighed for TBI. Den øgede forekomst af militærrelateret, eksplosionsinduceret TBI forstærker yderligere det presserende behov for effektive TBI-behandlinger. Derfor vil nye prækliniske TBI-dyremodeller, der rekapitulerer aspekter af human blastrelateret TBI, i høj grad fremme forskningsindsatsen i de neurobiologiske og patofysiologiske processer, der ligger til grund for mild til moderat TBI samt udviklingen af nye terapeutiske strategier for TBI.

Her præsenterer vi en pålidelig, reproducerbar model til undersøgelse af de molekylære, cellulære og adfærdsmæssige virkninger af mild til moderat blastinduceret TBI. Vi beskriver en trinvis protokol for lukket, blastinduceret mild TBI hos gnavere ved hjælp af en bænkopsætning bestående af et gasdrevet stødrør udstyret med piezoelektriske tryksensorer for at sikre ensartede testforhold. Fordelene ved opsætningen, som vi har etableret, er dens relative lave omkostninger, brugervenlighed, brugervenlighed og kapacitet med høj gennemstrømning. Yderligere fordele ved denne ikke-invasive TBI-model inkluderer skalerbarheden af blast peak-overtrykket og genereringen af kontrollerede reproducerbare resultater. Reproducerbarheden og relevansen af denne TBI-model er blevet evalueret i en række downstream-applikationer, herunder neurobiologiske, neuropatologiske, neurofysiologiske og adfærdsmæssige analyser, der understøtter brugen af denne model til karakterisering af processer, der ligger til grund for ætiologien af mild til moderat TBI.

Introduction

Traumatisk hjerneskade (TBI) tegner sig for mere end to millioner hospitalsbesøg hvert år alene i USA. Mild TBI, der almindeligvis skyldes bilulykker, sportsbegivenheder eller fald, udgør ca. 80 % af alle TBI-tilfælde1. Mild TBI betragtes som den ‘tavse sygdom’, da patienter ofte ikke oplever nogen åbenlyse symptomer i dagene og månederne efter den første fornærmelse, men kan udvikle alvorlige TBI-relaterede komplikationer senere i ^livet2. Desuden er blast-induceret mild TBI udbredt blandt militærtjenestemedlemmer og har været forbundet med kronisk CNS-dysfunktion3,4,5,6. På grund af den stigende forekomst af blastrelateret mild ^TBI7,8 er præklinisk modellering af neurobiologiske og patofysiologiske processer forbundet med mild TBI således blevet et fokus i udviklingen af nye terapeutiske interventioner til TBI.

Historisk set har TBI-forskningen primært fokuseret på alvorlige former for neurotrauma på trods af det relativt lavere antal alvorlige humane TBI-tilfælde. Prækliniske gnavermodeller for svær human TBI er blevet udviklet, herunder modellerne controlled cortical impact (CCI)^9,10 og fluid percussion injury (FPI)¹¹, som begge er veletablerede til at producere pålidelige patofysiologiske ^{virkninger12,13}. Disse modeller har lagt grunden til det, der i dag er kendt om neuroinflammation, neurodegeneration og neuronal reparation i TBI. Selvom der er udviklet betydelig viden om patofysiologien af TBI, er der i øjeblikket ingen effektive, FDA-godkendte behandlinger til rådighed for TBI.

For nylig er TBI-forskningens fokus blevet udvidet til at omfatte et bredere spektrum af TBI-relaterede patologier med det endelige mål at udvikle effektive terapeutiske interventioner. Ikke desto mindre er der kun etableret få prækliniske modeller for mild TBI, der har vist målbare effekter, og kun et lille antal undersøgelser har undersøgt det milde TBI-spektrum2,14,15. Da mild TBI tegner sig for langt størstedelen af alle TBI-tilfælde, er der et presserende behov for pålidelige modeller af mild TBI for at lette forskningen i ætiologi og neuropatofysiologi af den menneskelige tilstand for at udvikle nye terapeutiske strategier.

I samarbejde med biomedicinske ingeniører og rumfartsfysikere har vi etableret en skalerbar, lukket blastbølgemodel for mild til moderat TBI. Denne prækliniske gnavermodel er specielt udviklet til at undersøge virkningerne af kraftdynamik, herunder eksplosionsbølger og acceleration / decelerationsbevægelse, der er forbundet med menneskelig mild TBI opnået i militær kamp, sportsbegivenheder, bilulykker og fald. Da eksplosionsbølger korrelerer med kraftdynamikken, der forårsager mild TBI hos mennesker, blev denne model designet til at producere en konsistent Friedlander-bølgeform med en impuls, der måles som pund pr. Kvadrattomme (psi) * millisekund (ms). Impulsniveauet skaleres til at falde under definerede lungedødelighedskurver for mus og rotter for at kunne udføre prækliniske undersøgelser16,17,18. Derudover giver denne model mulighed for undersøgelse af kup og contrecoup-skade på grund af hurtige rotationskræfter i dyrets hoved. Denne form for skade er iboende for flere typer kliniske TBI-præsentationer, herunder dem, der observeres i både militære og civile befolkninger. Derfor passer denne alsidige model til et behov, der omfatter flere kliniske præsentationer af TBI.

Den prækliniske model, der præsenteres her, producerer pålidelige og reproducerbare patofysiologiske ændringer forbundet med klinisk mild TBI som påvist af en række tidligere undersøgelser17,19,20,21,22,23. Undersøgelser med denne model viste, at rotter, der blev udsat for en lavintensitetsblastbølge, udviste neuroinflammation, aksonal skade, mikrovaskulær skade, biokemiske ændringer relateret til neuronal skade og underskud i kortvarig plasticitet og synaptisk ^{excitabilitet19}. Denne milde TBI-model inducerede imidlertid ingen makroskopiske neuropatologiske ændringer, herunder vævsskade, blødning, hæmatom og ^kontusion19, der er blevet almindeligt observeret i undersøgelser, der anvender moderate til svære invasive TBI-modeller10,24. Tidligere forskning19,21,22,23 har vist, at denne prækliniske model kan bruges til at karakterisere neurobiologiske og patofysiologiske processer, der ligger til grund for ætiologien af mild og moderat TBI17,19,20,21,22,23. Denne model giver også mulighed for test af nye terapeutiske forbindelser og strategier samt identifikation af nye, egnede mål for udvikling af effektive TBI-interventioner19,21,22,23.

Denne model blev udviklet til at undersøge effekter induceret af blastbølger samt hurtige rotationskræfter på molekylære, cellulære og adfærdsmæssige resultater hos gnavere. Analogt med blastbølgemodellen, der præsenteres her, er der udviklet en række prækliniske modeller, der forsøger at rekapitulere mild til moderat TBI ved hjælp af gasdrevne overtrykbølger2,14,17,25,26,27,28. Nogle af begrænsningerne ved andre modeller inkluderer: dyret er fastgjort til en trådnetgurney, og hovedet immobiliseres ved stød; de perifere organer udsættes for bølgen ud over hjernen, hvilket skaber de forvirrende variabler af polytrauma; og modellerne er store og stationære, hvilket begrænser ændring og tilpasning af kritiske parametre til bedre modelforhold, der minder om menneskelig TBI.

Fordelene ved denne bænk-top, gasdrevne stødrørsopsætning er dens relative lave omkostninger til anskaffelses- og driftsudgifter samt nem installation og brug. Desuden giver opsætningen mulighed for drift med høj gennemstrømning og generering af kontrollerede reproducerbare eksplosionsbølger og in vivo-resultater hos både mus og rotter. For at styre for ensartede testbetingelser (dvs. konstant eksplosionsbølge og overtryk) er opsætningen udstyret med tryksensorer. Fordelene ved denne model for TBI omfatter skalerbarhed af skadens sværhedsgrad, og at mild TBI induceres ved hjælp af en ikke-invasiv, lukket hovedprocedure. Topovertryk og efterfølgende hjerneskade øges med tykkere polyestermembraner på en konsekvent skalerbar ^måde17. Evnen til at skalere TBI-sværhedsgrad gennem membrantykkelse er et nyttigt værktøj til at bestemme det niveau, hvor specifikke resultatmål (f.eks. Neuroinflammation) bliver tydelige. Tilvejebringelse af beskyttende afskærmning af de perifere organer muliggør også fokuseret undersøgelse af milde TBI-mekanismer ved at undgå eller reducere forvirrende variabler af systemisk skade, såsom lunge- eller thoraxskade. Desuden gør denne opsætning det muligt at vælge den retning, hvormed eksplosionsbølgen rammer/trænger ind i hovedet (dvs. frontalt, side, top eller nedenunder), og derfor kan forskellige typer TBI-inducerende fornærmelser undersøges. Standardproceduren til inducering af mild til moderat TBI, der er beskrevet her, anvender sideeksponering for at evaluere virkningerne af blastbølgeskade i kombination med kup- og contrecoup-skade på grund af hurtige rotationskræfter. For udelukkende at undersøge eksplosionsinduceret skade kan top down blastbølgeeksponering desuden anvendes i denne model.

Protocol

Protokollen følger retningslinjerne for dyrepleje fra University of Cincinnati og West Virginia University. Alle forsøg, der involverede dyr, blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) og blev udført i overensstemmelse med principperne i Vejledning for Pleje og Anvendelse af Forsøgsdyr. 1. Installation af blast TBI-opsætningen Anskaf alle de arbejdsdele, der kræves til opsætningen, herunder: stødrør bestående af ståldrevet og f?…

Representative Results

Skalerbarheden af eksplosionsbølgeopsætningen blev testet ved hjælp af tre forskellige membrantykkelser, 25,4, 50,8 og 76,2 μm. Spidstryksniveauerne blev vurderet ved hovedplaceringsområdet og udgangen af stødrørsapparatet ved hjælp af piezoelektriske tryksensorer (se figur 1 og figur 2). Toptrykket stiger i overensstemmelse med membrantykkelsen på begge sensorsteder (figur 3A,B), hvilket viser, at toptrykk…

Discussion

Vi præsenterer her en præklinisk mild TBI-model, der er omkostningseffektiv, nem at konfigurere og udføre og giver mulighed for høj gennemstrømning, pålidelige og reproducerbare eksperimentelle resultater. Denne model giver beskyttende afskærmning til perifere organer for at muliggøre fokuseret undersøgelse af milde TBI-mekanismer, samtidig med at de forvirrende variabler for systemisk skade begrænses. I modsætning hertil er andre eksplosionsmodeller kendt for at forårsage skade på ^{perifere organer2,39,…}

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