Yetişkin Zebra Balıklarında Künt Kuvvet Yaralanmasının Etkilerini Incelemek İçin Ölçeklenebilir Bir Model
Summary
Yetişkin zebra balığı için Marmarou ağırlık düşürme modelini, künt travmatik beyin hasarı (TBI) ve sonraki nöronal yenilenmenin altında kalan mekanizmaların ardından çok çeşitli patolojileri incelemek üzere değiştirdik. Bu künt kuvvetli TBI modeli ölçeklenebilir, hafif, orta veya şiddetli bir TBI’ya neden oluyor ve insan TBI’sında gözlenen yaralanma heterojenliğini yeniden özetler.
Abstract
Künt cisim travmatik beyin yaralanmaları (TBI), bir dizi şiddete yayılan ve karmaşık ve heterojen ikincil etkilerle sonuçlanan en yaygın kafa travması şeklidir. İnsanlarda bir TBI’ı takip eden kayıp nöronları değiştirmek veya yenilemek için bir mekanizma olmasa da, zebra balıkları beyin de dahil olmak üzere vücutlarında nöronları yenileme yeteneğine sahiptir. Zebra balıklarında künt kuvvette bir TBI’dan sonra sergilenen patolojilerin genişliğini incelemek ve sonraki nöronal rejeneratif yanıtın altında yatan mekanizmaları incelemek için, yetişkin zebra balıklarında kullanım için yaygın olarak kullanılan kemirgen Marmarou ağırlık düşüşünü değiştirdik. Basit künt kuvvet TBI modelimiz ölçeklenebilir, hafif, orta veya şiddetli bir TBI’a neden olur ve temas ve travma sonrası nöbetler, ödem, subdural ve intraserebral hematomlar ve bilişsel bozukluklar gibi insan TBI’sını takiben gözlenen fenotiplerin çoğunu yeniden kapsüller, her biri yaralanma şiddetine bağlı olarak görüntülenir. Yaralanmadan birkaç dakika sonra ortaya çıkmaya başlayan TBI sekel, yaralanma sonrası 7 gün içinde hasarsız kontrol seviyelerine iner ve geri döner. Rejeneratif süreç yaralanma sonrası 48 saat (hpi) kadar erken başlar ve en yüksek hücre çoğalması 60 hpi ile gözlenir. Bu nedenle, zebra balığı künt kuvvet TBI modelimiz, zebra balığına özgü nöronal rejenerasyon mekanizmaları ile birlikte hastalık başlangıcını ve ilerlemesini araştırmaya izin veren insan TBI’sına benzer karakteristik birincil ve ikincil yaralanma TBI patolojileri üretir.
Introduction
Travmatik beyin yaralanmaları (TMI’ler) küresel bir sağlık krizidir ve önde gelen bir ölüm ve sakatlık nedenidir. Amerika Birleşik Devletleri’nde her yıl yaklaşık 2,9 milyon kişi bir TBI yaşamektedir ve 2006-2014 yılları arasında TBI veya TBI sekellerine bağlı ölüm oranı% 50’nin üzerinde artmıştır. Bununla birlikte, TBİ’ler etiyoloji, patoloji ve klinik sunumlarında büyük ölçüde tedavi stratejilerini etkileyen ve prognozu tahmin eden yaralanma mekanizmasına (MOI) bağlı olarak değişmektedir2. TMI’ler çeşitli MOI’lerden sonuçlanabilir, ancak ağırlıklı olarak delici veya künt cisim travmasının sonucudur. Penetrasyon travmaları TMI’lerin küçük bir yüzdesini temsil eder ve yakın ve çevresindeki impaled beyin bölgelerine lokalize olan ciddi ve odaksal bir yaralanma oluşturur3. Buna karşılık, künt kuvvetli DTI’ler genel popülasyonda daha yaygındır, bir dizi şiddete (hafif, orta ve şiddetli) yayılır ve birden fazla beyin bölgesini etkileyen dağınık, heterojen ve küresel bir yaralanma üretir1,4,5.
Zebra balığı (Danio rerio), merkezi sinir sistemini (CNS) 6,7,8,9’a kadar kapsayan çok çeşitli nörolojik hakaretleri incelemek için kullanılmıştır. Zebra balığı ayrıca, memelilerin aksine, CNS hasarını onarmak için doğuştan gelen ve sağlam bir rejeneratif yanıta sahiptir10. Mevcut zebra balığı travma modelleri penetrasyon, eksizyon, kimyasal hakaret veya basınç dalgaları dahil olmak üzere çeşitli yaralanma yöntemleri kullanır11,12,13,14,15,16. Bununla birlikte, bu yöntemlerin her biri insan nüfusu tarafından nadiren yaşanan, çeşitli yaralanma şiddetlerinde ölçeklenebilir olmayan ve künt kuvvet TBI’dan sonra bildirilen heterojenliği veya şiddete bağlı TBI sekelini ele almayan bir MOI kullanır. Bu faktörler, insan popülasyonunda en yaygın TBI formuyla ilişkili patolojilerin altında kalan mekanizmaları anlamak için zebra balığı modelinin kullanımını sınırlar (hafif künt kuvvet yaralanmaları).
Yaralanma patolojisini, TBI sekelinin ilerlemesini ve doğuştan gelen rejeneratif yanıtı araştırmak için yollar sağlayan hızlı ve ölçeklenebilir kör kuvvette bir TBI zebra balığı modeli geliştirmeyi amaçladık. Yaygın olarak kullanılan kemirgen Marmarou17 ağırlık düşüşünü değiştirdik ve yetişkin zebra balıklarına uyguladık. Bu model, hafif, orta ve şiddetli arasında tekrarlanabilir bir önem aralığı sağlar. Bu model ayrıca insan TBI patolojisinin nöbetler, ödem, subdural ve intraserebral hematomlar, nöronal hücre ölümü ve öğrenme ve hafıza bozukluğu gibi bilişsel eksiklikler de dahil olmak üzere şiddete bağlı bir şekilde birden fazla yönünü rekapitulate eder. Yaralanmadan sonraki günler, patolojiler ve açıklar dağılır ve hasarsız kontrollere benzeyen seviyelere geri döner. Ek olarak, bu zebra balığı modeli, yaralanma şiddeti ile ilgili olarak nöroaksilerde sağlam bir çoğalma ve nöronal rejenerasyon yanıtı görüntüler.
Burada, künt cisim travmasının kurulumu ve indüksiyonu, travma sonrası nöbetlerin puanlanması, damar yaralanmalarının değerlendirilmesi, beyin bölümlerinin hazırlanmasına ilişkin talimatlar, ödemi ölçme yaklaşımları ve yaralanmadan sonraki proliferatif yanıt hakkında bilgi veriyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nörotrauma ve ilişkili sekellerin araştırılması uzun zamandır geleneksel rejeneratif olmayan kemirgen modellerine odaklanmaktadır20. Sadece son zamanlarda çalışmalar rejeneratif modellere çeşitli CNS hasarı formları uyguladı9,11,13,14,21. Anlayışlı olsa da, bu modeller ya insan popülasyonunda nadiren görülen bir ya…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Hyde laboratuvar üyelerine düşünceli tartışmaları için, zebra balığı bakımı ve bakımı için Freimann Yaşam Bilimleri Merkezi teknisyenlerine ve Notre Dame Üniversitesi Optik Mikroskopi Çekirdeği / NDIIF’e enstrümanların kullanımı ve hizmetleri için teşekkür eder. Bu çalışma Notre Dame Üniversitesi Zebra Balığı Araştırmaları Merkezi, Notre Dame Üniversitesi Kök Hücre ve Rejeneratif Tıp Merkezi tarafından desteklendi ve NIH R01-EY018417 Ulusal Göz Enstitüsü (DRH), Ulusal Bilim Vakfı Lisansüstü Araştırma Burs Programı (JTH), LTC Neil Hyland Notre Dame Bursu (JTH), Özgürlük Bursu Nöbetçileri (JTH) ve Pat Tillman Bursu (JTH).
Materials
| 2-phenoxyethanol | Sigma Alderich | 77699 | |
| #00 buckshot | Remington | RMS23770 | 3.3g weight for sTBI |
| #3 buckshot | Remington | RMS23776 | 1.5g weight for miTBI/moTBI |
| #5 Dumont forceps | WPI | 14098 | |
| 5-ethynyl-2’-deoxyuridine | Life Technologies | A10044 | EdU |
| 5ml glass vial | VWR | 66011-063 | |
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit | Life Technologies | C10340 | |
| CytoOne 12-well plate | USA Scientific | CC7682-7512 | |
| Instant Ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Super frost postiviely charged slides | VWR | 48311-703 | |
| Super PAP Pen Liquid Blocker | Ted Pella | 22309 | |
| Tissue freezing medium | VWR | 15148-031 |
References
- Centers for Disease Control and Prevention. Surveillance Report of Traumatic Brain Injury-related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths-United States, 2014. Centers for Disease Control and Prevention, U.S. Department of Health and Human Services. , (2019).
- Galgano, M., et al. Traumatic brain injury: current treatment strategies and future endeavors. Cell transplantation. 26 (7), 1118-1130 (2017).
- Santiago, L. A., Oh, B. C., Dash, P. K., Holcomb, J. B., Wade, C. E. A clinical comparison of penetrating and blunt traumatic brain injuries. Brain injury. 26 (2), 107-125 (2012).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31 (6), 379-387 (2016).
- Faul, M., Xu, L., Wald, M., Coronado, V. . Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations and Deaths. , (2010).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. 발생학. 342 (1), 26-38 (2010).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Alyenbawwi, H., et al. Seizures are a druggable mechanistic link between TBI and subsequent tauopathy. eLife. 10, 58744 (2021).
- Kaslin, J., Kroehne, V., Ganz, J., Hans, S., Brand, M. Distinct roles of neuroepithelia-like and radial glia-like progenitor cells in cerebellar regeneration. Development. 144 (8), 1462-1471 (2017).
- McCutcheon, V., et al. A novel model of traumatic brain injury in adult zebrafish demonstrates response to injury and treatment comparable with mammalian models. Journal of Neurotrauma. 34 (7), 1382-1393 (2017).
- Skaggs, K., Goldman, D., Parent, J. Excitotoxic brain injury in adult zebrafish stimulates neurogenesis and long-distance neuronal integration. Glia. 62 (12), 2061-2079 (2014).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Mussulini, B. H., et al. Seizures induced by pentylenetetrazole in the adult zebrafish: a detailed behavioral characterization. PloS One. 8 (1), 54515 (2013).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injuries. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Amamoto, R., et al. Adult axolotls can regenerate original neuronal diversity in response to brain injury. eLife. 5, 13998 (2016).
- Yamamoto, S., Levin, H., Prough, D. Mild, moderate and severe: terminology implications for clinical and experimental traumatic brain injury. Current Opinion in Neurology. 31 (6), 672-680 (2008).
- Lund, S., et al. Moderate traumatic brain injury, acute phase course and deviations in physiological variables: an observational study. Scandinavian Journal of Trauma Resuscitation and Emergency Medicine. 24, 77 (2016).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14 (5), 506-517 (2015).
- Ruff, R. M., et al. Recommendations for diagnosing a mild traumatic brain injury: a National Academy of Neuropsychology education paper. Archives of Clinical Neuropsychology: The Official Journal of the National Academy of Neuropsychologists. 24 (1), 3-10 (2009).
- Ganz, J., Brand, M. Adult neurogenesis in fish. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 8 (7), 019018 (2016).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration and cell fate. 발생학. 295, 263-277 (2006).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Review of Visual Science. 6, 171-193 (2020).
