Lavintensitets blastbølgemodell for preklinisk vurdering av lukket hode mild traumatisk hjerneskade hos gnagere

Summary

Vi presenterer her en protokoll av en eksplosjonsbølgemodell for gnagere for å undersøke nevrobiologiske og patofysiologiske effekter av mild til moderat traumatisk hjerneskade. Vi etablerte et gassdrevet, benk-topp oppsett utstyrt med trykksensorer som muliggjør pålitelig og reproduserbar generasjon av eksplosjonsindusert mild til moderat traumatisk hjerneskade.

Abstract

Traumatisk hjerneskade (TBI) er et stort folkehelseproblem. Mild TBI er den mest utbredte formen for nevrotrauma og står for et stort antall medisinske besøk i USA. Det finnes for øyeblikket ingen FDA-godkjente behandlinger tilgjengelig for TBI. Den økte forekomsten av militærrelatert, eksplosjonsindusert TBI fremhever ytterligere det presserende behovet for effektive TBI-behandlinger. Derfor vil nye prekliniske TBI-dyremodeller som rekapitulerer aspekter ved menneskelig eksplosjonsrelatert TBI i stor grad fremme forskningsinnsatsen i de nevrobiologiske og patofysiologiske prosessene som ligger til grunn for mild til moderat TBI, samt utviklingen av nye terapeutiske strategier for TBI.

Her presenterer vi en pålitelig, reproduserbar modell for undersøkelse av molekylære, cellulære og atferdsmessige effekter av mild til moderat eksplosjonsindusert TBI. Vi beskriver en trinnvis protokoll for lukket hode, eksplosjonsindusert mild TBI hos gnagere ved hjelp av et benk-toppoppsett som består av et gassdrevet støtrør utstyrt med piezoelektriske trykksensorer for å sikre konsistente testforhold. Fordelene med oppsettet som vi har etablert er dens relative rimelige, enkle installasjon, brukervennlighet og høy gjennomstrømningskapasitet. Ytterligere fordeler med denne ikke-invasive TBI-modellen inkluderer skalerbarheten til eksplosjonstoppovertrykket og genereringen av kontrollerte reproduserbare resultater. Reproduserbarheten og relevansen av denne TBI-modellen har blitt evaluert i en rekke nedstrømsapplikasjoner, inkludert nevrobiologiske, nevropatologiske, nevrofysiologiske og atferdsmessige analyser, som støtter bruken av denne modellen for karakterisering av prosesser som ligger til grunn for etiologien til mild til moderat TBI.

Introduction

Traumatisk hjerneskade (TBI) står for mer enn to millioner sykehusbesøk hvert år bare i USA. Mild TBI som vanligvis skyldes bilulykker, sportsbegivenheter eller fall representerer omtrent 80% av alle TBI-tilfeller1. Mild TBI regnes som den “stille sykdommen” da pasienter ofte ikke opplever noen overt symptomer i dagene og månedene etter den første fornærmelsen, men kan utvikle alvorlige TBI-relaterte komplikasjoner senere i ^livet2. Dessuten er eksplosjonsindusert mild TBI utbredt blant militære tjenestemedlemmer, og har vært assosiert med kronisk CNS-dysfunksjon3,4,5,6. På grunn av den økende forekomsten av eksplosjonsrelatert mild ^TBI7,8, har preklinisk modellering av nevrobiologiske og patofysiologiske prosesser forbundet med mild TBI dermed blitt et fokus i utviklingen av nye terapeutiske intervensjoner for TBI.

Historisk har TBI-forskning primært fokusert på alvorlige former for nevrotrauma, til tross for det relativt lavere antallet alvorlige humane TBI-tilfeller. Prekliniske gnagermodeller for alvorlig menneskelig TBI er utviklet, inkludert den kontrollerte kortikale effekten (CCI) ^9,10 og væskeperkusjonsskade (FPI) ^11-modeller, som begge er godt etablert for å produsere pålitelige patofysiologiske ^{effekter12,13}. Disse modellene har lagt grunnlaget for det som i dag er kjent om nevroinflammasjon, nevrodegenerasjon og nevronreparasjon i TBI. Selv om betydelig kunnskap om patofysiologien til TBI er utviklet, er det for tiden ingen effektive, FDA-godkjente behandlinger tilgjengelig for TBI.

Mer nylig har fokuset på TBI-forskning blitt utvidet til å omfatte et bredere spekter av TBI-relaterte patologier med det endelige målet om å utvikle effektive terapeutiske intervensjoner. Likevel er det etablert få prekliniske modeller for mild TBI som har vist målbare effekter, og bare et lite antall studier har undersøkt det milde ^{TBI-spekteret2,14,15}. Ettersom mild TBI står for det store flertallet av alle TBI-tilfeller, er det presserende nødvendig med pålitelige modeller for mild TBI for å lette forskningen på den menneskelige tilstandens etiologi og nevropatofysiologi for å utvikle nye terapeutiske strategier.

I forbindelse med biomedisinske ingeniører og luftfartsfysikere har vi etablert en skalerbar, lukket eksplosjonsbølgemodell for mild til moderat TBI. Denne prekliniske gnagermodellen er spesielt utviklet for å undersøke effekten av kraftdynamikk, inkludert eksplosjonsbølger og akselerasjon / retardasjonsbevegelse, som er forbundet med menneskelig mild TBI oppnådd i militær kamp, sportsbegivenheter, bilulykker og fall. Ettersom eksplosjonsbølger korrelerer med kraftdynamikken som forårsaker mild TBI hos mennesker, ble denne modellen designet for å produsere en konsistent Friedlander-bølgeform med en impuls, som måles som pund per kvadrattomme (psi)*millisekunder (ms). Impulsnivået skaleres til å falle under definerte lungedødelighetskurver for mus og rotter for å gjennomføre prekliniske undersøkelser16,17,18. I tillegg tillater denne modellen undersøkelse av kupp- og kontrekoupskade på grunn av raske rotasjonskrefter i dyrets hode. Denne typen skader er iboende for flere typer kliniske TBI-presentasjoner, inkludert de som observeres i både militære og sivile befolkninger. Derfor passer denne allsidige modellen til et behov som omfatter flere kliniske presentasjoner av TBI.

Den prekliniske modellen som presenteres her produserer pålitelige og reproduserbare patofysiologiske endringer forbundet med klinisk mild TBI som vist ved en rekke tidligere studier17,19,20,21,22,23. Studier med denne modellen viste at rotter utsatt for en lavintensitets eksplosjonsbølge viste nevroinflammasjon, axonal skade, mikrovaskulær skade, biokjemiske endringer relatert til nevronskade og underskudd i kortsiktig plastisitet og synaptisk ^{eksitabilitet19}. Denne milde TBI-modellen induserte imidlertid ingen makroskopiske nevropatologiske endringer, inkludert vevsskade, blødning, hematom og ^kontusjon19 som ofte har blitt observert i studier som bruker moderate til alvorlige invasive TBI-modeller10,24. Tidligere forskning19,21,22,23 har vist at denne prekliniske modellen kan brukes til å karakterisere nevrobiologiske og patofysiologiske prosesser som ligger til grunn for etiologien til mild og moderat TBI17,19,20,21,22,23. Denne modellen tillater også testing av nye terapeutiske forbindelser og strategier, samt identifisering av nye, egnede mål for utvikling av effektive TBI-intervensjoner19,21,22,23.

Denne modellen ble utviklet for å undersøke effekter indusert av eksplosjonsbølger samt raske rotasjonskrefter på molekylære, cellulære og atferdsmessige utfall hos gnagere. Tilsvarende eksplosjonsbølgemodellen som presenteres her, er det utviklet en rekke prekliniske modeller som forsøker å rekapitulere mild til moderat TBI ved hjelp av gassdrevne overtrykksbølger2,14,17,25,26,27,28. Noen av begrensningene til andre modeller inkluderer: dyret er festet til en netting-gurney og hodet er immobilisert ved støt; de perifere organene er utsatt for bølgen i tillegg til hjernen, noe som skaper forvirrende variabler av polytrauma; og modellene er store og stasjonære, noe som begrenser endring og tilpasning av kritiske parametere til bedre modellforhold som minner om menneskelig TBI.

Fordelene med dette benkdrevne, gassdrevne støtrøroppsettet er det relativt rimelige for anskaffelses- og driftskostnader, samt enkel installasjon og bruk. Videre gir oppsettet mulighet for høy gjennomstrømningsdrift og generering av kontrollerte reproduserbare eksplosjonsbølger og in vivo-resultater hos både mus og rotter. For å kontrollere for konsistente testforhold (dvs. konstant eksplosjonsbølge og overtrykk) er oppsettet utstyrt med trykksensorer. Fordelene med denne modellen for TBI inkluderer skalerbarhet av skade alvorlighetsgraden og at mild TBI er indusert ved hjelp av en ikke-invasiv, lukket-hodet prosedyre. Topp overtrykk og påfølgende hjerneskadeøkning med tykkere polyestermembraner på en konsistent skalerbar ^måte17. Evnen til å skalere TBI alvorlighetsgrad gjennom membrantykkelse er et nyttig verktøy for å bestemme nivået, hvor spesifikke utfallstiltak (f.eks. nevroinflammasjon) blir tydelige. Ved å gi beskyttende skjerming for de perifere organene, kan du også fokusere på milde TBI-mekanismer ved å unngå eller redusere forvirrende variabler av systemisk skade, for eksempel lunge- eller thoraxskade. Videre tillater dette oppsettet å velge retningen, hvorpå eksplosjonsbølgen treffer / trenger inn i hodet (dvs. head-on, side, topp eller under) og derfor kan forskjellige typer TBI-induserende fornærmelser undersøkes. Standardprosedyren for å indusere mild til moderat TBI beskrevet her bruker sideeksponering for å evaluere effekten av eksplosjonsbølgeskade i kombinasjon med kupp- og kontrekoupskade på grunn av raske rotasjonskrefter. Videre, for å undersøke utelukkende eksplosjonsindusert skade, kan ovenfra og ned eksplosjonsbølgeeksponering brukes i denne modellen.

Protocol

Protokollen følger retningslinjene for dyrepleie ved University of Cincinnati og West Virginia University. Alle prosedyrer som involverer dyr ble godkjent av Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC), og ble utført i henhold til prinsippene i Guide for the Care and Use of Laboratory Animals. 1. Installasjon av eksplosjons-TBI-oppsettet Skaff deg alle arbeidsdelene som kreves for oppsettet, inkludert: støtrør bestående av ståldrevet og driverseksjon,…

Representative Results

Skalerbarheten til eksplosjonsbølgeoppsettet ble testet med tre forskjellige membrantykkelser, 25,4, 50,8 og 76,2 μm. Topptrykknivåer ble vurdert ved hodeplasseringsområdet og utgangen av støtrørapparatet ved hjelp av piezoelektriske trykksensorer (se figur 1 og figur 2). Topptrykket øker i samsvar med membrantykkelsen på begge sensorplasseringene (figur 3A,B), noe som viser at topptrykket er skalerbart i na…

Discussion

Vi presenterer her en preklinisk mild TBI-modell som er kostnadseffektiv, enkel å sette opp og utføre, og gir mulighet for høy gjennomstrømning, pålitelig og reproduserbare eksperimentelle resultater. Denne modellen gir beskyttende skjerming til perifere organer for å muliggjøre fokusert undersøkelse av milde TBI-mekanismer samtidig som de forvirrende variablene av systemisk skade begrenses. Derimot er andre eksplosjonsmodeller kjent for å forårsake skade på perifere organer2,39,40.<sup…

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