Elektromagnetisk kontrolleret lukket hovedmodel af mild traumatisk hjerneskade hos mus
Summary
Protokollen beskriver mild traumatisk hjerneskade i en musemodel. Især forklares en trinvis protokol til at fremkalde en mild midterlinie lukket hovedskade og karakteriseringen af dyremodellen fuldt ud.
Abstract
Meget reproducerbare dyremodeller af traumatisk hjerneskade (TBI) med veldefinerede patologier er nødvendige for at teste terapeutiske indgreb og forstå mekanismerne for, hvordan en TBI ændrer hjernens funktion. Tilgængeligheden af flere dyremodeller af TBI er nødvendig for at modellere de forskellige aspekter og sværhedsgrader af TBI, der ses hos mennesker. Dette manuskript beskriver brugen af en midterlinje lukket hovedskade (CHI) til at udvikle en musemodel af mild TBI. Modellen betragtes som mild, fordi den ikke producerer strukturelle hjernelæsioner baseret på neuroimaging eller groft neuronalt tab. Imidlertid skaber en enkelt påvirkning tilstrækkelig patologi til, at kognitiv svækkelse kan måles mindst 1 måned efter skaden. En trin-for-trin protokol til inducering af en CHI i mus ved hjælp af en stereotaksisk styret elektromagnetisk slaglegeme er defineret i papiret. Fordelene ved den milde midterlinje CHI model omfatter reproducerbarheden af de skade-inducerede ændringer med lav dødelighed. Modellen er tidsmæssigt karakteriseret op til 1 år efter skaden for neuroimaging, neurokemiske, neuropatologiske og adfærdsmæssige ændringer. Modellen supplerer åbne kraniemodeller med kontrolleret kortikal påvirkning ved hjælp af den samme slaganordning. Således kan laboratorier modellere både mild diffus TBI og fokal moderat til svær TBI med samme slaglegeme.
Introduction
Traumatisk hjerneskade (TBI) er forårsaget af en ekstern kraft på hjernen, ofte forbundet med fald, sportsskader, fysisk vold eller trafikulykker. I 2014 fastslog centrene for sygdomsbekæmpelse og forebyggelse, at 2,53 millioner amerikanere besøgte akutafdelingen for at søge lægehjælp til TBI-relaterede ulykker1. Da mild TBI (mTBI) repræsenterer størstedelen af TBI-tilfælde, er der i løbet af de sidste årtier blevet vedtaget flere modeller af mTBI, som inkluderer vægttab, stempeldrevet lukket hovedskade og kontrolleret kortikal påvirkning, rotationsskade, mild væskepercussionskade og eksplosionsskademodeller 2,3. Heterogeniteten af mTBI-modellerne er nyttig til at adressere de forskellige funktioner, der er forbundet med mTBI, der ses hos mennesker, og til at hjælpe med at evaluere de cellulære og molekylære mekanismer, der er forbundet med hjerneskade.
Af de almindeligt anvendte modeller for lukket hovedskade er en af de første og mest anvendte modeller vægttabsmetoden, hvor en genstand tabes fra en bestemt højde på dyrets hoved (bedøvet eller vågen)2,4. I vægttabsmetoden afhænger skadens sværhedsgrad af flere parametre, herunder kraniotomi udført eller ej, hoved fast eller frit, og afstanden og vægten af den faldende genstand 2,4. En ulempe ved denne model er den store variation i skadens sværhedsgrad og den høje dødelighed forbundet med respirationsdepression 5,6. Et almindeligt alternativ er at levere stødet ved hjælp af en pneumatisk eller elektromagnetisk enhed, som kan gøres direkte på den udsatte dura (kontrolleret kortikal påvirkning: CCI) eller lukket kranium (lukket hovedskade: CHI). En af styrkerne ved den stempeldrevne skade er dens høje reproducerbarhed og lave dødelighed. CCI kræver imidlertid kraniotomi7,8, og en kraniotomi i sig selv inducerer betændelse9. I stedet er der i CHI-modellen ikke behov for kraniotomi. Som allerede nævnt har hver model begrænsninger. En af begrænsningerne ved CHI-modellen beskrevet i dette papir er, at operationen udføres ved hjælp af en stereotaksisk ramme, og dyrets hoved er immobiliseret. Mens fuld hovedimmobilisering sikrer reproducerbarhed, tager den ikke højde for bevægelse efter stødet, der kan bidrage til skaden forbundet med en mTBI.
Denne protokol beskriver en grundlæggende metode til at udføre en CHI-påvirkning med en kommercielt tilgængelig elektromagnetisk slaganordning10 i en mus. Denne protokol beskriver de nøjagtige parametre, der er involveret for at opnå en meget reproducerbar skade. Især har efterforskeren præcis kontrol over parametrene (dybde af skade, opholdstid og slaghastighed) for præcist at definere skadens sværhedsgrad. Som beskrevet producerer denne CHI-model en skade, der resulterer i bilateral patologi, både diffus og mikroskopisk (dvs. kronisk aktivering af glia, aksonal og vaskulær skade) og adfærdsmæssige fænotyper 11,12,13,14,15. Derudover betragtes den beskrevne model som mild, da den ikke fremkalder strukturelle hjernelæsioner baseret på MR eller grove læsioner på patologi selv 1 år efter skaden16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere trin er involveret i at genskabe en konsistent skadesmodel ved hjælp af den beskrevne model. For det første er det afgørende at fastgøre dyret korrekt i den stereotaxiske ramme. Dyrets hoved bør ikke kunne bevæge sig sideværts, og kraniet skal være helt fladt med bregma og lambda, der læser de samme koordinater. Korrekt placering af ørestængerne er det sværeste aspekt af denne operation, og dette kan kun læres med praksis. Hvis kraniet ikke er plant, skal hovedet justeres, før der induceres CHI. Mangl…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev delvist støttet af National Institutes of Health under tildelingsnumrene R01NS120882, RF1NS119165 og R01NS103785 og Department of Defense award nummer AZ190017. Indholdet er udelukkende forfatternes ansvar og repræsenterer ikke de officielle synspunkter fra National Institutes of Health eller Department of Defense.
Materials
| 9 mm Autoclip Applier | Braintree scientific | ACS- APL | Surgery |
| 9 mm Autoclip Remover | Braintree scientific | ACS- RMV | Surgery |
| 9 mm Autoclip, Case of 1,000 clips | Braintree scientific | ACS- CS | Surgery (Staples) |
| Aperio ImageScope software | Leica BioSystems | NA | IHC |
| BladeFLASK Blade Remover | Fisher Scientific | 22-444-275 | Surgery |
| Cotton tip applicator | VWR | 89031-270 | Surgery |
| Digitial mouse stereotaxic frame | Stoelting | 51730D | Surgery |
| Dumont #7 Forceps | Roboz | RS-5047 | Surgery |
| Ear bars | Stoelting | 51649 | Surgery |
| EthoVision XT 11.0 | Noldus Information Technology | NA | RAWM |
| Fiber-Lite | Dolan-Jeffer Industries | UN16103-DG | Surgery |
| Fisherbrand Bulb for Small Pipets | Fisher Scientific | 03-448-21 | Head support apparatus |
| Gemini Avoidance System | San Diego Instruments | NA | Active avoidance |
| Heating Pad | Sunbeam | 732500000U | Surgery prep |
| HRP conjugated goat anti-rabbit IgG | Jackson Immuno Research laboratories | 111-065-144 | IHC |
| Induction chamber | Kent Scientific | VetFlo-0530XS | Surgery prep |
| Isoflurane, USP | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | Surgery |
| Mouse gas anesthesia head holder | Stoelting | 51609M | Surgery |
| Neuropactor Stereotaxic Impactor | Neuroscience Tools | n/a | Surgery: Formally distributed by Lecia as impact one |
| NexGen Mouse 500 | Allentown | n/a | Post-surgery, holding cage |
| Parafilm | Bemis | PM992 | Head support apparatus |
| Peanut – Professional Hair Clipper | Whal | 8655-200 | Surgery prep |
| Povidone-Iodine Solution USP, 10% (w/v), 1% (w/v) available Iodine, for laboratory | Ricca | 3955-16 | Surgery |
| Puralube Vet Oinment,petrolatum ophthalmic ointment, Sterile ocular lubricant | Dechra | 17033-211-38 | Surgery |
| Rabbit anti-GFAP | Dako | Z0334 | IHC |
| Rabbit anti-IBA1 | Wako | 019-19741 | IHC |
| 8-arm Radial Arm Water Maze | MazeEngineers | n/a | RAWM |
| Scale | OHAUS CS series | BAL-101 | Surgery prep |
| Scalpel Handle #7 Solid 6.25" | Roboz | RS-9847 | Surgery |
| Sterile Alcohol Prep Pads (isopropyl alcohol 70% v/v) | Fisher Brand | 22-363-750 | Surgery prep |
| SumnoSuite low-flow anesthesia system | Kent Scientific | SS-01 | Surgery |
| 10 mL syringe Luer-Lok Tip | BD Bard-Parker | 302995 | Head support apparatus |
| Timers | Fisher Scientific | 6KED8 | Surgery |
| Topical anesthetic cream | L.M.X 4 | NDC 0496-0882-15 | Surgery prep |
| Triple antibiotic ointment | Major | NDC 0904-0734-31 | Post-surgery |
| Tubing | MasterFlex | 96410-16 | Head support apparatus |
| Vaporizer Single Channel Anesthesia System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Surgery prep |
Referências
- Capizzi, A., Woo, J., Verduzco-Gutierrez, M. Traumatic brain injury: An overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. The Medical Clinics of North America. 104 (2), 213-238 (2020).
- Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Albert-Weissenberger, C., Varrallyay, C., Raslan, F., Kleinschnitz, C., Siren, A. L. An experimental protocol for mimicking pathomechanisms of traumatic brain injury in mice. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4, 1 (2012).
- Chen, Y., Constantini, S., Trembovler, V., Weinstock, M., Shohami, E. An experimental model of closed head injury in mice: pathophysiology, histopathology, and cognitive deficits. Journal of Neurotrauma. 13 (10), 557-568 (1996).
- Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
- Schwulst, S. J., Islam, M. Murine model of controlled cortical impact for the induction of traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (150), e60027 (2019).
- Cole, J. T., et al. Craniotomy: True sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
- Brody, D. L., et al. Electromagnetic controlled cortical impact device for precise, graded experimental traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (4), 657-673 (2007).
- Webster, S. J., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Bachstetter, A. D. Closed head injury in an age-related Alzheimer mouse model leads to an altered neuroinflammatory response and persistent cognitive impairment. The Journal of Neuroscience. 35 (16), 6554-6569 (2015).
- Macheda, T., Roberts, K. N., Morganti, J. M., Braun, D. J., Bachstetter, A. D. Optimization and validation of a modified radial-arm water maze protocol using a murine model of mild closed head traumatic brain injury. PLoS One. 15 (8), 0232862 (2020).
- Macheda, T., Snider, H. C., Watson, J. B., Roberts, K. N., Bachstetter, A. D. An active avoidance behavioral paradigm for use in a mild closed head model of traumatic brain injury in mice. Journal of Neuroscience Methods. 343, 108831 (2020).
- Bachstetter, A. D., et al. Attenuation of traumatic brain injury-induced cognitive impairment in mice by targeting increased cytokine levels with a small molecule experimental therapeutic. Journal of Neuroinflammation. 12, 69 (2015).
- Bachstetter, A. D., et al. The effects of mild closed head injuries on tauopathy and cognitive deficits in rodents: Primary results in wild type and rTg4510 mice, and a systematic review. Experimental Neurology. 326, 113180 (2020).
- Lyons, D. N., et al. A mild traumatic brain injury in mice produces lasting deficits in brain metabolism. Journal of Neurotrauma. 35 (20), 2435-2447 (2018).
- Yanckello, L. M., et al. Inulin supplementation mitigates gut dysbiosis and brain impairment induced by mild traumatic brain injury during chronic phase. Journal of Cellular Immunology. 4 (2), 50-64 (2022).
- Bachstetter, A. D., et al. Early stage drug treatment that normalizes proinflammatory cytokine production attenuates synaptic dysfunction in a mouse model that exhibits age-dependent progression of Alzheimer’s disease-related pathology. The Journal of Neuroscience. 32 (30), 10201-10210 (2012).
- Zvejniece, L., et al. Skull fractures induce neuroinflammation and worsen outcomes after closed head injury in mice. Journal of Neurotrauma. 37 (2), 295-304 (2020).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
- Petraglia, A. L., et al. The spectrum of neurobehavioral sequelae after repetitive mild traumatic brain injury: a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Journal of Neurotrauma. 31 (13), 1211-1224 (2014).
- Laskowitz, D. T., et al. COG1410, a novel apolipoprotein E-based peptide, improves functional recovery in a murine model of traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (7), 1093-1107 (2007).
- Lloyd, E., Somera-Molina, K., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Wainwright, M. S. Suppression of acute proinflammatory cytokine and chemokine upregulation by post-injury administration of a novel small molecule improves long-term neurologic outcome in a mouse model of traumatic brain injury. Journal of Neuroinflammation. 5, 28 (2008).
- Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (2), 299-307 (2016).
- Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).
