Низкоинтенсивная модель взрывных волн для доклинической оценки закрытой черепно-мозговой травмы головного мозга у грызунов

Summary

Мы представляем здесь протокол модели бластных волн для грызунов для исследования нейробиологических и патофизиологических эффектов легкой и умеренной черепно-мозговой травмы. Мы установили газовую настольную установку, оснащенную датчиками давления, позволяющими надежно и воспроизводимо генерировать пораженные взрывом легкие и умеренные черепно-мозговые травмы.

Abstract

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является крупномасштабной проблемой общественного здравоохранения. Легкая ЧМТ является наиболее распространенной формой нейротравмы и составляет большое количество медицинских посещений в Соединенных Штатах. В настоящее время нет одобренных FDA методов лечения ЧМТ. Увеличение числа связанных с военными, вызванных взрывом ЧМТ еще больше подчеркивает настоятельную необходимость эффективного лечения ЧМТ. Таким образом, новые доклинические модели ТМТ на животных, которые резюмируют аспекты ЧМТ, связанной со взрывом человека, значительно продвинут исследовательские усилия в области нейробиологических и патофизиологических процессов, лежащих в основе легкой и умеренной ЧМТ, а также разработку новых терапевтических стратегий для ЧМТ.

Здесь мы представляем надежную, воспроизводимую модель для исследования молекулярных, клеточных и поведенческих эффектов легкой и умеренной бласт-индуцированной ЧМТ. Мы описываем пошаговый протокол для мягкой ЧМТ с закрытой головкой, вызванной взрывом, с использованием настольной установки, состоящей из газовой ударной трубки, оснащенной пьезоэлектрическими датчиками давления для обеспечения последовательных условий испытаний. Преимущества установки, которую мы установили, заключаются в ее относительной низкой стоимости, простоте установки, простоте использования и высокой пропускной способности. Дополнительные преимущества этой неинвазивной модели ЧМТ включают масштабируемость избыточного давления пика взрыва и генерацию контролируемых воспроизводимых результатов. Воспроизводимость и актуальность этой модели ЧМТ были оценены в ряде последующих приложений, включая нейробиологический, нейропатологический, нейрофизиологический и поведенческий анализ, поддерживая использование этой модели для характеристики процессов, лежащих в основе этиологии легкой и умеренной ЧМТ.

Introduction

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) составляет более двух миллионов посещений больниц каждый год только в Соединенных Штатах. Легкая ЧМТ, обычно возникающая в результате автомобильных аварий, спортивных мероприятий или падений, составляет примерно 80% всех случаев ^ЧМТ1. Легкая ЧМТ считается «тихой болезнью», поскольку пациенты часто не испытывают явных симптомов в дни и месяцы после первоначального инсульта, но могут развиться серьезные осложнения, связанные с ЧМТ, в более позднем ^{возрасте2}. Кроме того, вызванная взрывом легкая ЧМТ распространена среди военнослужащих и связана с хронической дисфункцией ЦНС3,4,5,6. В связи с ростом заболеваемости бластной легкой ^ЧМТ7,8 доклиническое моделирование нейробиологических и патофизиологических процессов, связанных с легкой ЧМТ, таким образом, стало центром разработки новых терапевтических вмешательств для ЧМТ.

Исторически сложилось так, что исследования ЧМТ в основном были сосредоточены на тяжелых формах нейротравмы, несмотря на относительно меньшее число тяжелых случаев ЧМТ у человека. Были разработаны доклинические модели грызунов для тяжелой ЧМТ человека, включая модели контролируемого коркового удара (CCI)^9,10 и повреждения жидкой перкуссией (FPI)¹¹, которые хорошо зарекомендовали себя для получения надежных патофизиологических ^{эффектов12,13}. Эти модели заложили основу для того, что сегодня известно о нейровоспалении, нейродегенерации и восстановлении нейронов при ЧМТ. Хотя были разработаны значительные знания о патофизиологии ЧМТ, в настоящее время нет эффективных, одобренных FDA методов лечения ЧМТ.

Совсем недавно фокус исследований ЧМТ был расширен, чтобы включить более широкий спектр патологий, связанных с ЧМТ, с конечной целью разработки эффективных терапевтических вмешательств. Тем не менее, было установлено несколько доклинических моделей для легкой ЧМТ, которые показали измеримые эффекты, и только небольшое количество исследований изучало мягкий спектр ЧМТ2,14,15. Поскольку легкая ЧМТ составляет подавляющее большинство всех случаев ЧМТ, срочно необходимы надежные модели легкой ЧМТ для облегчения исследований этиологии и невропатофизиологии состояния человека, чтобы разработать новые терапевтические стратегии.

Совместно с биомедицинскими инженерами и аэрокосмическими физиками мы создали масштабируемую модель взрывных волн с закрытой головкой для легкой и умеренной ЧМТ. Эта доклиническая модель грызунов была специально разработана для исследования эффектов динамики силы, включая взрывные волны и ускорение / замедление движения, которые связаны с легкой ЧМТ человека, полученной в военных боях, спортивных мероприятиях, автомобильных авариях и падениях. Поскольку взрывные волны коррелируют с динамикой силы, которая вызывает легкую ЧМТ у людей, эта модель была разработана для получения последовательной формы волны Фридландера с импульсом, который измеряется как фунты на квадратный дюйм (psi) * миллисекунда (мс). Уровень импульса масштабируется ниже определенных кривых летальности легких для мышей и крыс для проведения доклинических исследований16,17,18. Кроме того, эта модель позволяет исследовать травмы переворота и контркупа из-за быстрых сил вращения головы животного. Этот вид травм присущ нескольким типам клинических проявлений ЧМТ, в том числе наблюдаемым как у военного, так и у гражданского населения. Таким образом, эта универсальная модель соответствует потребностям, которые охватывают множественные клинические проявления ЧМТ.

Доклиническая модель, представленная здесь, производит надежные и воспроизводимые патофизиологические изменения, связанные с клинической легкой ЧМТ, как продемонстрировано рядом предыдущих исследований17,19,20,21,22,23. Исследования с этой моделью показали, что крысы, подвергшиеся низкоинтенсивной бластной волне, демонстрировали нейровоспаление, повреждение аксонов, микрососудистое повреждение, биохимические изменения, связанные с повреждением нейронов и дефицитом кратковременной пластичности и синаптической ^{возбудимости19}. Однако эта модель легкой ЧМТ не вызывала каких-либо макроскопических нейропатологических изменений, включая повреждение тканей, кровоизлияние, гематому и ^ушиб19, которые обычно наблюдались в исследованиях с использованием умеренно-тяжелых инвазивных моделей ЧМТ10,24. Предыдущие исследования19,21,22,23 показали, что эта доклиническая модель может быть использована для характеристики нейробиологических и патофизиологических процессов, лежащих в основе этиологии легкой и умеренной ЧМТ17,19,20,21,22,23. Эта модель также позволяет тестировать новые терапевтические соединения и стратегии, а также идентифицировать новые, подходящие мишени для разработки эффективных вмешательств в ЧМТ19,21,22,23.

Эта модель была разработана для исследования эффектов, вызванных взрывными волнами, а также быстрых вращательных сил на молекулярные, клеточные и поведенческие результаты у грызунов. По аналогии с представленной здесь моделью взрывных волн был разработан ряд доклинических моделей, которые пытаются повторить легкую и умеренную ЧМТ с использованием газовых волн избыточного давления2,14,17,25,26,27,28. Некоторые из ограничений других моделей включают: животное крепится к каталке из проволочной сетки, а голова обездвиживается при ударе; периферические органы подвергаются воздействию волны в дополнение к мозгу, что создает смешанные переменные политравмы; и модели являются большими и стационарными, что ограничивает изменение и адаптацию критических параметров к лучшим условиям модели, напоминающим ЧМТ человека.

Преимущества этой настольной установки с газовым приводом ударной трубы заключаются в ее относительно низкой стоимости приобретения и эксплуатационных расходов, а также простоте установки и использования. Кроме того, установка обеспечивает высокую пропускную способность и генерацию контролируемых воспроизводимых взрывных волн и результатов in vivo как у мышей, так и у крыс. Для контроля за постоянными условиями испытаний (т.е. постоянной взрывной волной и избыточным давлением) установка оснащена датчиками давления. Преимущества этой модели для ЧМТ включают масштабируемость тяжести травмы и то, что легкая ЧМТ индуцируется с использованием неинвазивной процедуры с закрытой головой. Пик избыточного давления и последующая черепно-мозговая травма увеличиваются при более толстых полиэфирных мембранах в последовательно масштабируемом ^виде17. Способность масштабировать тяжесть ЧМТ по толщине мембраны является полезным инструментом для определения уровня, при котором конкретные показатели исхода (например, нейровоспаление) становятся очевидными. Обеспечение защитной защиты периферических органов также позволяет целенаправленно исследовать мягкие механизмы ЧМТ, избегая или уменьшая смешанные переменные системного повреждения, такие как повреждение легких или грудной клетки. Кроме того, эта установка позволяет выбрать направление, по которому взрывная волна ударяет / проникает в голову (т. Е. Лоб в лоб, сбоку, сверху или снизу), и поэтому могут быть исследованы различные типы повреждений, вызывающих ЧМТ. Стандартная процедура индуцирования легкой и умеренной ЧМТ, описанная здесь, использует боковое воздействие для оценки последствий повреждения взрывной волной в сочетании с травмой переворота и контракупа из-за быстрых сил вращения. Кроме того, чтобы исследовать исключительно травмы, вызванные взрывом, в этой модели может быть использовано воздействие взрывных волн сверху вниз.

Protocol

Протокол следует руководящим принципам ухода за животными Университета Цинциннати и Университета Западной Вирджинии. Все процедуры с участием животных были одобрены Институциональными комитетами по уходу за животными и их использованию (IACUC) и выполнялись в соответствии с принц…

Representative Results

Масштабируемость установки взрывной волны была проверена с использованием трех различных толщин мембран, 25,4, 50,8 и 76,2 мкм. Пиковые уровни давления оценивались в области размещения головки и выхода ударного трубчатого аппарата с помощью пьезоэлектрических датчиков давления (см. <strong class…

Discussion

Мы представляем здесь доклиническую мягкую модель ЧМТ, которая является экономически эффективной, простой в настройке и выполнении и обеспечивает высокую пропускную способность, надежность и воспроизводимость экспериментальных результатов. Эта модель обеспечивает защитное экранир…

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