설치류의 폐쇄 머리 경미한 외상성 뇌 손상의 전임상 평가를위한 저강도 폭발파 모델
Summary
우리는 여기에 설치류를위한 폭발파 모델의 프로토콜을 제시하여 경증에서 중등도의 외상성 뇌 손상의 신경 생물학적 및 병리 생리학적 효과를 조사합니다. 우리는 압력 센서가 장착 된 가스 구동식 벤치 탑 설정을 구축하여 폭발로 인한 경증에서 중등도의 외상성 뇌 손상을 안정적이고 재현 가능한 생성이 가능하도록했습니다.
Abstract
외상성 뇌 손상 (TBI)은 대규모 공중 보건 문제입니다. 경미한 TBI는 신경 외상의 가장 보편적 인 형태이며 미국에서 많은 수의 의료 방문을 차지합니다. 현재 TBI에 사용할 수있는 FDA 승인 치료법은 없습니다. 군사 관련 폭발로 인한 TBI의 발생률 증가는 효과적인 TBI 치료에 대한 긴급한 필요성을 더욱 강조합니다. 따라서 인간 블라스트 관련 TBI의 측면을 재구성하는 새로운 전임상 TBI 동물 모델은 TBI에 대한 새로운 치료 전략의 개발뿐만 아니라 경증 내지 중등도 TBI의 기초가되는 신경 생물학적 및 병리 생리학 적 과정에 대한 연구 노력을 크게 진전시킬 것입니다.
여기서 우리는 경증에서 중등도의 폭발 유발 TBI의 분자, 세포 및 행동 효과를 조사하기위한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 모델을 제시합니다. 우리는 일관된 테스트 조건을 보장하기 위해 압전 압력 센서가 장착 된 가스 구동 충격 튜브로 구성된 벤치 탑 설정을 사용하여 설치류에서 폐쇄 헤드, 폭발 유발 순한 TBI에 대한 단계별 프로토콜을 설명합니다. 우리가 설립 한 설정의 이점은 상대적으로 저렴한 비용, 설치 용이성, 사용 편의성 및 높은 처리량 용량입니다. 이 비침습적 TBI 모델의 또 다른 장점은 폭발 피크 과압의 확장성 및 제어된 재현 가능한 결과의 생성을 포함한다. 이 TBI 모델의 재현성 및 관련성은 신경 생물학적, 신경 병리학적, 신경 생리학적 및 행동 분석을 포함한 여러 하류 응용 프로그램에서 평가되었으며, 경증에서 중등도 TBI의 병인학의 기초가되는 과정의 특성화에 대한이 모델의 사용을 지원합니다.
Introduction
외상성 뇌 손상 (TBI)은 미국에서만 매년 이백만 건 이상의 병원 방문을 차지합니다. 일반적으로 자동차 사고, 스포츠 이벤트 또는 낙상으로 인한 경미한 TBI는 모든 TBI 사례의 약 80 %를 차지합니다1. 경미한 TBI는 환자가 초기 모욕 후 며칠 및 몇 달 동안 명백한 증상을 경험하지 않지만 나중에 심각한 TBI 관련 합병증을 일으킬 수 있기 때문에 ‘침묵하는 질병’으로 간주됩니다2. 더욱이, 폭발-유도된 경미한 TBI는 군 복무자들 사이에서 널리 퍼져 있으며, 만성 CNS 기능장애3,4,5,6와 연관되어 있다. 블라스트 관련 경증 TBI7,8의 발생률 증가로 인해, 경미한 TBI와 관련된 신경생물학적 및 병리생리학적 과정의 전임상 모델링은 TBI에 대한 새로운 치료 중재의 개발에 초점이 되고 있다.
역사적으로 TBI 연구는 주로 심각한 인간 TBI 사례의 수가 상대적으로 적음에도 불구하고 심각한 형태의 신경 외상에 중점을 두었습니다. 중증 인간 TBI에 대한 전임상 설치류 모델은 제어된 피질 충격(CCI)9,10 및 유체 타악기 손상(FPI)11 모델을 포함하여 개발되었으며, 이들은 둘 다 신뢰할 수 있는 병리생리학적 효과를 생성하도록 잘 확립되어 있다12,13. 이 모델은 TBI의 신경 염증, 신경 변성 및 신경 세포 복구에 대해 오늘날 알려진 것에 대한 토대를 마련했습니다. TBI의 병태생리학에 대한 상당한 지식이 개발되었지만, 현재 TBI에 사용할 수 있는 효과적인 FDA 승인 치료법은 없습니다.
최근에는 TBI 연구의 초점이 효과적인 치료 중재를 개발하는 궁극적 인 목표를 가진 TBI 관련 병리학의 더 넓은 스펙트럼을 포함하도록 확대되었습니다. 그럼에도 불구하고, 측정 가능한 효과를 보여준 경미한 TBI에 대한 전임상 모델은 거의 확립되지 않았으며, 경미한 TBI 스펙트럼을 조사한 연구는 소수에 불과하다2,14,15. 경미한 TBI가 모든 TBI 사례의 대부분을 차지하기 때문에 새로운 치료 전략을 개발하기 위해 인간 상태의 병인학 및 신경 병리 생리학에 대한 연구를 용이하게하기 위해 경증 TBI의 신뢰할 수있는 모델이 시급히 필요합니다.
생물 의학 엔지니어 및 항공 우주 물리학자와 함께, 우리는 경증에서 중등도의 TBI를 위한 확장 가능한 폐쇄 헤드 폭발파 모델을 구축했습니다. 이 전임상 설치류 모델은 군사 전투, 스포츠 이벤트, 자동차 사고 및 낙상에서 얻은 인간의 가벼운 TBI와 관련된 폭발파 및 가속 / 감속 운동을 포함한 힘 역학의 영향을 조사하기 위해 특별히 개발되었습니다. 폭발파가 인간에서 가벼운 TBI를 유발하는 힘 역학과 상관 관계가 있기 때문에이 모델은 임펄스가있는 일관된 프리드랜더 파형을 생성하도록 설계되었으며, 이는 평방 인치 당 파운드 (psi) * 밀리 초 (ms)로 측정됩니다. 충동 수준은 전임상 조사를 수행하기 위해 생쥐와 쥐에 대해 정의된 폐 치사율 곡선 아래로 떨어지도록 스케일링된다16,17,18. 또한,이 모델은 동물의 머리의 빠른 회전력으로 인한 쿠데타 및 contrecoup 부상에 대한 조사를 허용합니다. 이러한 종류의 부상은 군대 및 민간 인구 모두에서 관찰 된 것을 포함하여 여러 유형의 임상 TBI 프리젠 테이션에 내재되어 있습니다. 따라서, 이러한 다목적 모델은 TBI의 다수의 임상 프리젠테이션을 포괄하는 필요성에 부합한다.
여기에 제시된 전임상 모델은 다수의 선행 연구들에 의해 입증된 바와 같이 임상적 경증 TBI와 관련된 신뢰할 수 있고 재현가능한 병리생리학적 변화를 일으킨다17,19,20,21,22,23. 이 모델을 사용한 연구에 따르면 저강도 블라스트 파동을 겪은 쥐는 신경 염증, 축삭 손상, 미세 혈관 손상, 신경 손상과 관련된 생화학 적 변화 및 단기 가소성 및 시냅스 흥분성의 결핍을 나타냈다19. 그러나, 이러한 경미한 TBI 모델은 중등도 내지 중증의 침습성 TBI 모델10,24을 사용한 연구에서 흔히 관찰된 조직 손상, 출혈, 혈종 및 타박상을 포함하는 어떠한 거시적 신경병리학적 변화도 유도하지 않았다10,24. 이전의 연구19,21,22,23은 이 전임상 모델이 경증 및 중등 도 TBI17,19,20,21,22,23의 병인의 기초가 되는 신경생물학적 및 병리생리학적 과정을 특성화하는 데 사용될 수 있음을 보여주었다. 이 모델은 또한 새로운 치료 화합물 및 전략의 테스트뿐만 아니라 효과적인 TBI 중재의 개발을위한 새롭고 적합한 표적의 식별을 허용합니다19,21,22,23.
이 모델은 설치류의 분자, 세포 및 행동 결과에 대한 빠른 회전력뿐만 아니라 폭발파에 의해 유발 된 영향을 조사하기 위해 개발되었습니다. 여기에 제시된 폭발파 모델과 유사하게, 가스 구동 과압파 2,14,17,25,26,27,28을 사용하여 경증 내지 중등도 TBI를 재조정하려는 다수의 전임상 모델이 개발되었다. 다른 모델의 제한 사항 중 일부는 다음과 같습니다 : 동물은 와이어 메쉬 거니에 고정되고 머리는 충격시 고정됩니다. 말초 기관은 뇌 이외에 파동에 노출되어 다발성 외상의 혼란스러운 변수를 만듭니다. 모델은 크고 고정되어 있기 때문에 인간의 TBI를 연상시키는 더 나은 모델 조건에 중요한 매개 변수를 변경하고 적용하는 것을 제한합니다.
이 벤치 탑, 가스 구동 충격 튜브 설치의 이점은 획득 및 운영 비용뿐만 아니라 설치 및 사용의 용이성에 대한 상대적으로 저렴한 비용입니다. 또한, 이 셋업은 높은 처리량의 작동과 조절된 재현 가능한 블라스트 파의 생성 및 생쥐와 쥐 모두에서 생체내 결과를 가능하게 한다. 일관된 테스트 조건(즉, 일정한 폭발파 및 과압)을 제어하기 위해 설정에는 압력 센서가 장착되어 있습니다. TBI에 대한이 모델의 장점은 부상 중증도의 확장 성 및 경미한 TBI가 비 침습적 인 폐쇄 헤드 절차를 사용하여 유도된다는 것입니다. 피크 과압 및 후속 뇌 손상은 일관된 확장 가능한 방식으로 더 두꺼운 폴리에스테르 막으로 증가합니다17. 막 두께를 통해 TBI 중증도를 스케일링하는 능력은 특정 결과 측정 (예 : 신경 염증)이 분명 해지는 수준을 결정하는 데 유용한 도구입니다. 말초 장기에 대한 보호 차폐를 제공하면 폐 또는 흉부 손상과 같은 전신 손상의 혼란스러운 변수를 피하거나 줄임으로써 경미한 TBI 메커니즘에 대한 집중적 인 조사가 가능합니다. 또한,이 설정은 폭발파가 머리를 치거나 관통하는 방향 (즉, 정면, 측면, 위 또는 아래)을 선택할 수 있으므로 TBI를 유발하는 다양한 유형의 모욕을 조사 할 수 있습니다. 여기에 설명된 경증 내지 중등도의 TBI를 유도하기 위한 표준 절차는 빠른 회전력으로 인한 쿠데타 및 콘트레쿠 손상과 함께 폭발파 손상의 영향을 평가하기 위해 측면 노출을 이용한다. 또한, 폭발로 인한 부상을 독점적으로 조사하기 위해이 모델에서 하향식 폭발파 노출을 사용할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 여기에 비용 효율적이고 설정 및 실행이 쉽고 높은 처리량, 신뢰성 및 재현 가능한 실험 결과를 허용하는 전임상 경미한 TBI 모델을 제시합니다. 이 모델은 전신 손상의 혼란스러운 변수를 제한하면서 가벼운 TBI 메커니즘에 대한 집중적 인 조사를 허용하기 위해 말초 장기에 보호 차폐를 제공합니다. 대조적으로, 다른 폭발 모델은 말초 장기에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다<sup class="xref…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TBI 모델 개발에 기여한 R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet 및 J. Robson에게 감사드립니다. NARSAD Young Investigator Grants from the Brain & Behavior Research Foundation (F.P. and M.J.R.), Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer’s Disease (F.P.) 및 PhRMA Foundation Award (M.J.R.)의 연구 보조금이이 연구를 지원했습니다. 이 연구는 미국 제약 교육 재단 (A.F.L 및 B.P.L.)의 박사 전 펠로우십을 통해 지원되었습니다.
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 |
Referências
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