Modellering Encefalopati av Prematurity Bruke Prenatal Hypoksi-iskemi med Intra-fostervann Lipopolysaccharide i Rats
Summary
Encephalopathy of prematurity encompasses the central nervous system abnormalities associated with injury from preterm birth. This report describes a clinically relevant rat model of in utero transient systemic hypoxia-ischemia and intra-amniotic lipopolysaccharide administration (LPS) that mimics chorioamnionitis, and the related impact of infectious stimuli and placental underperfusion on CNS development.
Abstract
Encefalopati hos premature (EoP) er et begrep som omfatter sentralnervesystemet (CNS) misdannelser assosiert med for tidlig fødsel. Til beste forhånd translasjonsforskning mål og avdekke nye terapeutiske strategier for hjerneskade i forbindelse med for tidlig fødsel, må prekliniske modeller for EoP inkludere lignende mekanismer av prenatal global skade observert hos mennesker og involvere flere komponenter i mors-placenta-føtal system. Ideelt sett bør modeller fremstille et tilsvarende spektrum av funksjonelle mangler i de modne dyr og rekapitulere flere aspekter av den patofysiologi. Å etterligne menneskelige systemiske placental blod defekter, morkake underperfusion og / eller korioamnionitt forbundet med patogen-indusert betennelser i tidlig tidlig fødsel, utviklet vi en modell av prenatal transient systemisk hypoksi-iskemi (TSHI) kombinert med intra-fostervann lipopolysakkarid (LPS). Hos drektige Sprague Dawley rotter, TSHI via livmor arterieokklusjon on embryonale dag 18 (E18) induserer en gradert morkake underperfusion feilen forbundet med økende CNS skader hos fosteret. Når det kombineres med intra-amniotiske LPS injeksjoner, er placenta betennelse økt og CNS skade er forsterket med tilhørende hvit substans, gangart og bilde unormalt. Prenatal TSHI og TSHI + LPS prenatal fornærmelser møte flere av kriteriene for en EoP modell inkludert rekapitulere intrauterine fornærmelse, forårsaker tap av nerveceller, oligodendrocytter og aksoner, tap av subplate og funksjonelle underskudd i voksne dyr som etterligner de som ble observert hos barn født ekstremt preterm. Videre tillater denne modellen for disseksjon av betennelse indusert av avvikende skadetyper.
Introduction
Med over 12% av barn født i USA før 37 uker estimert svangerskapslengde 1, er perinatal hjerneskade (PBI) fra prematuritet en vesentlig årsak til varig uførhet. PBI fra prematuritet, også kalt encefalopati hos premature (EoP), påvirker hele sentralnervesystemet (CNS). CNS skade ofte starter i utero, og blir forverret av svangerskaps prosesser, inkludert korioamnionitt og postnatal komplikasjoner som hypoksi og sepsis. PBI fra systemiske fornærmelser endrer neurodevelopment og fører til cerebral parese, epilepsi, kognitiv forsinkelse og mange nevropsykiatriske lidelser påvirker emosjonell regulering, hukommelse og utøvende funksjon 1,2. Selv om mye fremgang har blitt gjort, er fortsatt en begrenset forståelse av hvordan de cellulære og molekylære konsekvensene av CNS skade fra tidlig fødsel sette til mangfoldet av nevrologiske følgetilstander hos barn som er født for tidlig. Denne mangelen på kunnskap hinders sanntid diagnostisering av CNS skadegrads og informert dosering av nye intervensjoner. I tillegg alderstilpassede terapeutiske strategier for denne sårbare pasientgruppen forblir unnvikende.
Intrauterin betennelse er svært vanlig i ekstrem prematuritet og innebærer en kompleks fetal-maternal-morkake inflammatorisk kaskade tre. Intrauterin infeksjon er ofte subklinisk. Spesifikke placenta funn forenlig med akutt betennelse, eller histologisk korioamnionitt, er viktige faktorer som bestemmer fosterets inflammatorisk respons og er sammenfallende med hjerneskade i forbindelse med for tidlig fødsel 3-5. Faktisk har fosterets betennelsesreaksjon distinkte kliniske implikasjoner for langsiktige resultater fra tidlig fødsel. Spedbarn som er små i forhold til gestasjonsalder (SGA) eller som opplever infeksjon er svært sårbare for nevrologiske underskudd 3,4. Korioamnionitt er en typisk patologisk diagnose følgende tidlig fødsel <sup> 6,7, og histologisk undersøkelse avslører tegn på betennelse i 70% av placentas fra spedbarn født svært tidlig fødte fire. Videre er korioamnionitt assosiert med kognitiv svikt på to år 8. Bevis på mors vaskulær underperfusion i morkaken av spedbarn født ekstremt for tidlig fødte er også assosiert med cerebral parese i barndommen 9. Den synergistisk effekt av korioamnionitt og placenta perfusjon defekter er godt illustrert ved bemerkelsesverdig høy risiko for unormale nevrologiske utfall i denne pasientgruppen på to år 10,11.
Å etterligne menneskelige systemiske placenta perfusjon feil og korioamnionitt forbundet med patogen-indusert betennelser, utviklet vi en modell av prenatal transient systemisk hypoksi-iskemi (TSHI) kombinert med intra-fostervann lipopolysakkarid (LPS) hos rotter. Vårt mål var å tilpasse vår modell av TSHI alene rotter 12-16 å inkludere intrauterin betennelse,å legge til rette preklinisk modellering av CNS skade i forbindelse med for tidlig fødsel. TSHI alene har avdekket vedvarende tap av oligodendroglial avstamning celler, kortikale nevroner, økt celledød, og forhøyet proinflammatoriske cytokin nivåer, med progressive iskemiske intervaller som fører til en gradert mønster for skader forenlig med prenatal hjerneskade 16. Endringer i iskemiske komponentene i denne modellen har også vist underskudd i minnet koding, på kort og lang sikt minne og milde muskel- endringer hos rotter som de alder 17-19. Faktisk har vi tidligere vist at kombinasjonen av TSHI + LPS rekapitulerer de patofysiologiske kjennetegnene til EoP, inkludert oligodendrocyte og neuronal tap, aksonal skade, mobilnettet betennelse og funksjonelle avvik 20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Encefalopati hos premature er vanskelig å modellere i dyr på grunn av et komplekst samspill mellom årsaker, neurodevelopmental tid selvfølgelig, intricacy av menneskets hjerne nettverksdannelse, overlappende skademekanismer, og de ulike fenotyper av CNS fornærmer manifest i menneskelige premature barn. EoP er assosiert med spesifikke celle-type sårbarheter (dvs. umodne oligodendrocytter) 21, samt diverse utviklingshemmede regulerte trasé (dvs. subplate, membran transportører og resep…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige til Dan Firl, Chris Corbett og Jesse Denson, PhD. Finansieringen var ved NIH ninds R01 NS060765 til SR, P30 Cobre Pilot Program til LJ og Child Health Signatur Program til LJ ved University of New Mexico.
Materials
| Saline Solution, 0.9% | Sigma | S8776 | |
| LPS 011B4 | Sigma | L2630 | |
| Evan's Blue Dye | Sigma | E2129 | |
| Surgical gloves | Biogel | 40870 | |
| OR Towels | Cardinal Health | 287000-008 | Sterile |
| PDI Alcohol Prep Pads | Fisherbrand | 06-669-62 | |
| Mini Arco Rechargeable Clippers | Kent Scientific Corp. | CL8787 | |
| Betadine surgical scrub | Purdue Products L.P. | 67618-151-17 | |
| Eye Lubricant | Refresh Lacri Lube | 00023-0312 | |
| Blunt Forceps | Roboz | RS-8100 | |
| Scissors | Roboz | RS-6808 | |
| Surgical Scissors | Roboz | RS-5880 | |
| Surgical Scissors | F.S.T. | 14002-16 | |
| Syringe | BD | 309628 | 1 ml |
| Needle | BD | 305122 | 25G 5/8 |
| Needle | BD | 305128 | 30G 1 |
| Cotton-tipped Applicators | Fisherbrand | 23-400-114 | Small, 6 inch sterile |
| Cotton Gauze Sponge | Fisherbrand | 22-362-178 | |
| Needle Holders | Kent Scientific Corp. | INS600109 | 12.5 CM STR |
| Vessel Clips | Kent Scientific Corp. | INS600120 | 30G Pressure |
| 3-0 Perma Hand Silk Sutures | Ethicon | 1684G | Black braided, 3-0 (2 metric), 18", non-absorbable, PS-1 24mm needle, 3/8 circle |
| Insulin Syringes | BD | 328438 | 0.3cc 3mm 31G |
| Pentobarbital | |||
| Buprenorphine | |||
| Bupivacaine | |||
| Isoflurane | |||
| Lithium Carbonate | Acros Chemicals | 554-13-2 | |
| Superfrost Plus Microscope Slides | VWR | 48311-703 | |
| Hematoxylin | Leica | 3801521 | Surgipath Gill II Hematoxylin |
| Eosin | Leica | 3801601 | Surgipath Eosin |
| Xylenes | Fisherbrand | X3S-4 | Histological Grade |
| Permount | Fisherbrand | SP15-100 | |
| Coverglass | Fisherbrand | 12-548-5P | Fisher Finest Premium Coverglass |
References
- Blencowe, H., et al. Preterm birth associated neurodevelopmental impairment estimates at regional and global levels for 2010. Pediatr Res. 74, 17-34 (2013).
- Mwaniki, M. K., Atieno, M., Lawn, J. E., Newton, C. R. Long term neurodevelopmental outcomes after intrauterine and neonatal insults a systematic review. Lancet. 379, 445-452 (2012).
- Dammann, O., Leviton, A. Intermittent or sustained systemic inflammation and the preterm brain. Pediatr Res. 75, 376-380 (2014).
- Leviton, A., et al. Microbiologic and histologic characteristics of the extremely preterm infant’s placenta predict white matter damage and later cerebral palsy. the ELGAN study Pediatr Res. 67, 95-101 (2010).
- Redline, R. W. Inflammatory responses in the placenta and umbilical cord. Semin Fetal Neonatal Med. 11, 296-301 (2006).
- Lee, J., et al. Chronic chorioamnionitis is the most common placental lesion in late preterm birth. Placenta. 34, 681-689 (2013).
- Lee, S. M., et al. Acute histologic chorioamnionitis is a risk factor for adverse neonatal outcome in late preterm birth after preterm premature rupture of membranes. PloS one. 8, e79941 (2013).
- Pappas, A., et al. Chorioamnionitis and early childhood outcomes among extremely low gestational age neonates. JAMA Peds. 168, 137-147 (2014).
- Gaillard, R., Arends, L. R., Steegers, E. A., Hofman, A., Jaddoe, V. W. Second and third trimester placental hemodynamics and the risks of pregnancy complications the Generation R Study. Am J Epidemiol. 177, 743-754 (2013).
- Trivedi, S., et al. Fetal placental inflammation but not adrenal activation is associated with extreme preterm delivery. Am J Obstet Gynecol. 206, 236 (2012).
- Yanowitz, T. D., et al. Hemodynamic disturbances in premature infants born after chorioamnionitis association with cord blood cytokine concentrations. Pediatr Res. 51, 310-316 (2002).
- Jantzie, L. L., Corbett, C. J., Firl, D. J., Robinson, S. Postnatal Erythropoietin Mitigates Impaired Cerebral Cortical Development Following Subplate Loss from Prenatal Hypoxia Ischemia. Cereb Cortex. , (2014).
- Jantzie, L. L., et al. Erythropoietin attenuates loss of potassium chloride co transporters following prenatal brain injury. Mol Cell Neurosci. 61, 152-162 (2014).
- Jantzie, L. L., Miller, R. H., Robinson, S. Erythropoietin signaling promotes oligodendrocyte development following prenatal systemic hypoxic ischemic brain injury. Pediatric Res. 74, 658-667 (2013).
- Mazur, M., Miller, R. H., Robinson, S. Postnatal erythropoietin treatment mitigates neural cell loss after systemic prenatal hypoxic ischemic injury. J Neurosurg Peds. 6, 206-221 (2010).
- Robinson, S., et al. Developmental changes induced by graded prenatal systemic hypoxic ischemic insults in rats. Neurobiol Dis. 18, 568-581 (2005).
- Delcour, M., et al. Neuroanatomical sensorimotor and cognitive deficits in adult rats with white matter injury following prenatal ischemia. Brain Pathol. 22, 1-16 (2012).
- Delcour, M., et al. Impact of prenatal ischemia on behavior cognitive abilities and neuroanatomy in adult rats with white matter damage. Behav Brain Res. 232, 233-244 (2012).
- Delcour, M., et al. Mild musculoskeletal and locomotor alterations in adult rats with white matter injury following prenatal ischemia. Intl J Devel Neurosci. 29, 593-607 (2011).
- Jantzie, L. L., et al. Complex pattern of interaction between in utero hypoxia ischemia and intra amniotic inflammation disrupts brain development and motor function. J Neuroinflam. 11, 131 (2014).
- Back, S., et al. Selective vulnerability of late oligodendrocyte progenitors to hypoxia ischemia. J Neurosci. 22, 455-463 (2002).
- Jantzie, L. L., et al. Developmental Expression of N Methyl d Aspartate (NMDA) Receptor Subunits in Human White and Gray Matter Potential Mechanism of Increased Vulnerability in the Immature Brain. Cereb Cortex. 25, 482-495 (2015).
- Jantzie, L. L., Robinson, S. Preclinical Models of Encephalopathy of Prematurity. Devel Neurosci. , (2015).
- Workman, A. D., Charvet, C. J., Clancy, B., Darlington, R. B., Finlay, B. L. Modeling transformations of neurodevelopmental sequences across mammalian species. J Neurosci. 33, 7368-7383 (2013).
- Herlenius, E., Lagercrantz, H. Development of neurotransmitter systems during critical periods. Exper Neurol. 190, S8-S21 (2004).
- Kelsom, C., Lu, W. Development and specification of GABAergic cortical interneurons. Cell Biosci. 3, 19 (2013).
- Kinney, H., Back, S. Human oligodendroglial development Relationship to periventricualr leukomalacia. Semin Pediatr Neuro. 5, 180-189 (1998).
- Robinson, S., Li, Q., DeChant, A., Cohen, M. Neonatal loss of gamma amino butyric acid pathway expression after human perinatal brain injury. J Neurosurg Peds. 104, 396-408 (2006).
- Xu, G., et al. Late development of the GABAergic system in the human cerebral cortex and white matter. J Neuropathol Exp Neurol. 70, 841-858 (2011).
- Segovia, K. N., et al. Arrested oligodendrocyte lineage maturation in chronic perinatal white matter injury. Ann Neurol. 63, 520-530 (2008).
- Robinson, S., Li, Q., Dechant, A., Cohen, M. L. Neonatal loss of gamma aminobutyric acid pathway expression after human perinatal brain injury. J Neurosurg. 104, 396-408 (2006).
- Boksa, P. Effects of prenatal infection on brain development and behavior a review of findings from animal models. Brain Behav Immun. 24, 881-897 (2010).
- Burd, I., Brown, A., Gonzalez, J. M., Chai, J., Elovitz, M. A. A mouse model of term chorioamnionitis unraveling causes of adverse neurological outcomes. Repro Sci. 18, 900-907 (2011).
- Bergeron, J. D., et al. White matter injury and autistic like behavior predominantly affecting male rat offspring exposed to group B streptococcal maternal inflammation. Devel Neurosci. 35, 504-515 (2013).
- Uchida, K., et al. Effects of Ureaplasma parvum lipoprotein multiple banded antigen on pregnancy outcome in mice. J Reprod Immunol. 100, 118-127 .
