Elektromagnetisk styrd sluten huvudmodell av mild traumatisk hjärnskada hos möss
Summary
Protokollet beskriver mild traumatisk hjärnskada i en musmodell. I synnerhet förklaras ett steg-för-steg-protokoll för att inducera en mild sluten huvudskada och karakteriseringen av djurmodellen fullständigt.
Abstract
Mycket reproducerbara djurmodeller av traumatisk hjärnskada (TBI), med väldefinierade patologier, behövs för att testa terapeutiska ingrepp och förstå mekanismerna för hur en TBI förändrar hjärnans funktion. Tillgängligheten av flera djurmodeller av TBI är nödvändig för att modellera de olika aspekterna och svårighetsgraderna av TBI som ses hos människor. Detta manuskript beskriver användningen av en mittlinjesluten huvudskada (CHI) för att utveckla en musmodell av mild TBI. Modellen anses vara mild eftersom den inte producerar strukturella hjärnskador baserade på neuroimaging eller grov neuronal förlust. En enda påverkan skapar dock tillräckligt med patologi för att kognitiv försämring är mätbar minst 1 månad efter skada. Ett steg-för-steg-protokoll för att inducera en CHI hos möss med hjälp av en stereotaxiskt styrd elektromagnetisk slaganordning definieras i papperet. Fördelarna med den milda mittlinjen CHI-modellen inkluderar reproducerbarheten av de skadeinducerade förändringarna med låg dödlighet. Modellen har tidsmässigt karakteriserats upp till 1 år efter skadan för neuroimaging, neurokemiska, neuropatologiska och beteendemässiga förändringar. Modellen kompletterar öppna skallmodeller av kontrollerad kortikal påverkan med samma slaganordning. Således kan laboratorier modellera både mild diffus TBI och fokal måttlig till svår TBI med samma slaganordning.
Introduction
Traumatisk hjärnskada (TBI) orsakas av en yttre kraft på hjärnan, ofta förknippad med fall, idrottsskador, fysiskt våld eller trafikolyckor. År 2014 bestämde Centers for Disease Control and Prevention att 2,53 miljoner amerikaner besökte akutavdelningen för att söka medicinsk hjälp för TBI-relaterade olyckor1. Eftersom mild TBI (mTBI) representerar majoriteten av TBI-fallen har flera modeller av mTBI antagits under de senaste decennierna, som inkluderar viktfall, kolvdriven sluten huvudskada och kontrollerad kortikal påverkan, rotationsskada, mild vätskeslagskada och sprängskademodeller 2,3. Heterogeniteten hos mTBI-modellerna är användbar för att ta itu med de olika funktionerna associerade med mTBI som ses hos människor och för att hjälpa till att utvärdera de cellulära och molekylära mekanismerna associerade med hjärnskada.
Av de vanligaste modellerna för sluten huvudskada är en av de första och mest använda modellerna viktfallmetoden, där ett föremål tappas från en viss höjd på djurets huvud (bedövat eller vaket)2,4. I viktminskningsmetoden beror skadans svårighetsgrad på flera parametrar, inklusive kraniotomi utförd eller inte, huvudet fixerat eller fritt och avståndet och vikten på det fallande föremålet 2,4. En nackdel med denna modell är den stora variationen i skadans svårighetsgrad och den höga dödligheten i samband med andningsdepression 5,6. Ett vanligt alternativ är att leverera påverkan med hjälp av en pneumatisk eller elektromagnetisk enhet, vilket kan göras direkt på den exponerade dura (kontrollerad kortikal påverkan: CCI) eller sluten skalle (sluten huvudskada: CHI). En av styrkorna med den kolvdrivna skadan är dess höga reproducerbarhet och låga dödlighet. CCI kräver dock kraniotomi7,8, och en kraniotomi i sig inducerar inflammation9. Istället finns det i CHI-modellen inget behov av kraniotomi. Som redan nämnts har varje modell begränsningar. En av begränsningarna med CHI-modellen som beskrivs i detta dokument är att operationen utförs med hjälp av en stereotaxisk ram och djurets huvud är immobiliserat. Medan hela huvudimmobiliseringen säkerställer reproducerbarhet, tar den inte hänsyn till rörelse efter påverkan som kan bidra till skadan i samband med en mTBI.
Detta protokoll beskriver en grundläggande metod för att utföra en CHI-kollision med en kommersiellt tillgänglig elektromagnetisk slaganordning10 i en mus. Detta protokoll beskriver de exakta parametrarna för att uppnå en mycket reproducerbar skada. I synnerhet har utredaren exakt kontroll över parametrarna (skadans djup, uppehållstid och slaghastighet) för att exakt definiera skadans svårighetsgrad. Som beskrivits producerar denna CHI-modell en skada som resulterar i bilateral patologi, både diffus och mikroskopisk (dvs. kronisk aktivering av glia, axonal och vaskulär skada) och beteendefenotyper 11,12,13,14,15. Dessutom anses den beskrivna modellen vara mild eftersom den inte inducerar strukturella hjärnskador baserade på MR eller grova skador på patologi även 1 år efter skadan16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flera steg är inblandade i att återskapa en konsekvent skademodell med hjälp av den beskrivna modellen. För det första är det viktigt att korrekt säkra djuret i den stereotaxiska ramen. Djurets huvud ska inte kunna röra sig i sidled, och skallen ska vara helt platt med bregma och lambda som läser samma koordinater. Korrekt placering av öronstängerna är den svåraste aspekten av denna operation, och detta kan bara läras med övning. Om skallen inte är jämn bör huvudet justeras innan CHI induceras. Underlå…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes delvis av National Institutes of Health under prisnummer R01NS120882, RF1NS119165 och R01NS103785 och försvarsdepartementets prisnummer AZ190017. Innehållet är enbart författarnas ansvar och representerar inte de officiella åsikterna från National Institutes of Health eller försvarsdepartementet.
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).
