Her er det demonstrert hvordan en våken lukket hodeskademodell kan brukes til å undersøke effekten av gjentatt mild traumatisk hjerneskade (r-mTBI) på synaptisk plastisitet i hippocampus. Modellen replikerer viktige egenskaper ved r-mTBI hos pasienter og brukes sammen med in vitro elektrofysiologi.
Milde traumatiske hjerneskader (mTBI) er et utbredt helseproblem i Nord-Amerika. Det er økende press for å bruke økologisk gyldige modeller av mTBI med lukket hode i preklinisk setting for å øke oversettbarheten til den kliniske populasjonen. Den våkne lukkede hodeskademodellen (ACHI) bruker en modifisert kontrollert kortikal påvirkning for å levere lukket hodeskade, indusere klinisk relevante atferdsunderskudd uten behov for kraniotomi eller bruk av bedøvelse.
Denne teknikken induserer normalt ikke dødsfall, kraniebrudd eller hjerneblødninger, og er mer forenlig med å være en mild skade. Faktisk gjør den milde naturen til ACHI-prosedyren den ideell for studier som undersøker repeterende mTBI (r-mTBI). Økende bevis indikerer at r-mTBI kan resultere i en kumulativ skade som gir atferdssymptomer, nevropatologiske forandringer og nevrodegenerasjon. r-mTBI er vanlig hos ungdom som driver med idrett, og disse skadene oppstår i en periode med robust synaptisk omorganisering og myelinisering, noe som gjør den yngre befolkningen spesielt sårbar for de langsiktige påvirkningene av r-mTBI.
Videre forekommer r-mTBI ved partnervold, en tilstand der det er få objektive screeningtiltak. I disse forsøkene ble synaptisk funksjon vurdert i hippocampus hos unge rotter som hadde opplevd r-mTBI ved hjelp av ACHI-modellen. Etter skadene ble en vevskutter brukt til å lage hippocampusskiver for å evaluere toveis synaptisk plastisitet i hippocampus enten 1 eller 7 dager etter r-mTBI. Samlet sett gir ACHI-modellen forskere en økologisk gyldig modell for å studere endringer i synaptisk plastisitet etter mTBI og r-mTBI.
Traumatisk hjerneskade (TBI) er et betydelig helseproblem, med ~ 2 millioner tilfeller i Canada og USA hvert år 1,2. TBI påvirker alle aldersgrupper og kjønn og har en forekomst som er større enn noen annen sykdom, spesielt inkludert brystkreft, aids, Parkinsons sykdom og multippel sklerose3. Til tross for utbredelsen av TBI, er patofysiologien fortsatt dårlig forstått, og behandlingsalternativene er begrensede. Delvis skyldes dette at 85% av alle TBI er klassifisert som milde (mTBI), og mTBI har tidligere blitt antatt å produsere bare begrensede og forbigående atferdsendringer uten langsiktige nevropsykiatriske konsekvenser 4,5. Det er nå anerkjent at mTBI-gjenoppretting kan ta uker til år5,6, utløse mer alvorlige nevrologiske tilstander4, og at selv gjentatte “sub-concussive” påvirkninger påvirker hjernen7. Dette er alarmerende ettersom idrettsutøvere i idretter som hockey/fotball har >10 hjernerystelser per kamp/treningsøkt 7,8,9,10.
Ungdom har den høyeste forekomsten av mTBI, og i Canada vil omtrent en av 10 tenåringer søke medisinsk hjelp for en sportsrelatert hjernerystelse årlig11,12. I virkeligheten kan enhver sub-hjernerystende hodepåvirkning eller mTBI forårsake diffus skade på hjernen, og dette kan også skape en mer sårbar tilstand for påfølgende skader og / eller mer alvorlige nevrologiske tilstander 13,14,15,16,17. I Canada er det anerkjent juridisk via Rowans lov at tidligere skade kan øke hjernens sårbarhet for ytterligere skade18, men mekanistisk forståelse av r-mTBI forblir sørgelig utilstrekkelig. Det er imidlertid klart at single og r-mTBI kan påvirke læringskapasiteten i løpet av skoleårene 19,20, ha kjønnsspesifikke utfall 21,22,23,2 4, og svekke kognitiv kapasitet senere i livet16,25,26. Faktisk forbinder kohortanalyser sterkt r-mTBI tidlig i livet med demens senere på27,28. r-mTBI er også potensielt assosiert med kronisk traumatisk encefalopati (CTE), som er preget av akkumulering av hyperfosforylert tau-protein og progressiv kortikal atrofi og utfelt av signifikant betennelse 27,29,30,31. Selv om koblingene mellom r-mTBI og CTE for tiden er kontroversielle32, vil denne modellen tillate dem å bli utforsket mer detaljert i en preklinisk setting.
En mTBI blir ofte beskrevet som en “usynlig skade”, da den forekommer i en lukket skalle og er vanskelig å oppdage selv med moderne bildebehandlingsteknikker33,34. En nøyaktig eksperimentell modell av mTBI bør følge to prinsipper. Først bør den rekapitulere de biomekaniske kreftene som normalt observeres i den kliniske populasjonen35. For det andre bør modellen indusere heterogene atferdsutfall, noe som også er svært utbredt i kliniske populasjoner36,37,38. For tiden har flertallet av prekliniske modeller en tendens til å være mer alvorlige, og involverer kraniotomi, stereotaktisk hodestøtte, anestesi og kontrollerte kortikale påvirkninger (CCI) som gir betydelig strukturell skade og mer omfattende atferdsunderskudd enn normalt observert klinisk33. En annen bekymring med mange prekliniske modeller for hjernerystelse som involverer kraniotomier, er at denne prosedyren i seg selv skaper betennelse i hjernen, og dette kan forverre mTBI-symptomer og nevropatologi fra enhver senere skade39,40. Anestesi introduserer også flere komplekse forstyrrelser, inkludert reduksjon av betennelse 41,42,43, modulerende mikroglialfunksjon44, glutamatfrigivelse 45, Ca2+ inngang gjennom NMDA-reseptorer 46, intrakranielt trykk og cerebral metabolisme 47. Anestesi introduserer videre forstyrrelser ved å øke blod-hjernebarrieren (BBB) permeabilitet, tau-hyperfosforylering og kortikosteroidnivåer, samtidig som kognitiv funksjon reduseres 48,49,50,51. I tillegg representerer diffuse, lukkede hodeskader de aller fleste kliniske mTBIs52. De tillater også en å bedre studere de mange faktorene som kan påvirke atferdsutfall, inkludert kjønn21, alder 53, inter-skadeintervall15, alvorlighetsgrad54 og antall skader23.
Retningen av de akselererende / retardative kreftene (vertikal eller horisontal) er også en viktig faktor for atferdsmessige og molekylære utfall. Forskning fra Mychasiuk og kolleger har sammenlignet to modeller av diffus lukket hodet mTBI: vektfall (vertikale krefter) og lateral påvirkning (horisontale krefter)55. Både atferdsmessige og molekylære analyser viste heterogene modell- og kjønnsavhengige utfall etter mTBI. Dermed er dyremodeller som bidrar til å unngå kirurgiske prosedyrer, samtidig som de inkorporerer lineære og rotasjonskrefter, mer representative for de fysiologiske forholdene under hvilke disse skadene normalt forekommer33,56. ACHI-modellen ble opprettet som svar på dette behovet, noe som muliggjør rask og reproduserbar induksjon av mTBI hos rotter samtidig som man unngår prosedyrer (dvs. anestesi) som er kjent for å skjevhet kjønnsforskjeller57.
Det meste av preklinisk forskning har benyttet modeller av mTBI som ikke rekapitulerer de biomekaniske kreftene som er sett i den kliniske populasjonen. Her vises det hvordan ACHI-modellen kan brukes til å indusere r-mTBI hos unge rotter. Denne lukkede modellen av r-mTBI har betydelige fordeler i forhold til mer invasive prosedyrer. For det første forårsaker ACHI normalt ikke kraniefrakturer, hjerneblødninger eller dødsfall, som alle vil være kontraindikasjoner av en “mild” TBI i kliniske populasjoner<sup class="xr…
The authors have nothing to disclose.
Vi takker alle medlemmene av Christie-laboratoriet ved University of Victoria, fortid og nåtid, for deres bidrag til utviklingen av denne protokollen. Dette prosjektet ble støttet med midler fra Canadian Institutes for Health Research (CIHR: FRN 175042) og NSERC (RGPIN-06104-2019). Figur 1-hodeskallegrafikken ble opprettet med BioRender.
3D-printed helment | Designed and constructed by Christie laboratory (See Specifications in Christie et al. (2019), Current Protocols in Neuroscience) | ||
Agarose | Fisher Scientific (BioReagents) | BP160500 | |
Anesthesia chamber | Home Made | N/A | Plexiglass Container |
Automatic Heater Controller | Warner Electric | TC-324B | |
Axon Digidata | Molecular Devices | 1440A | Low-noise Data Acquisition System |
Balance beam | Can be constructed or purchased (100 cm long x 2 cm wide x 0.75 cm thick) | ||
Calcium Chloride | Bio Basic Canada Inc. | CD0050 | For aCSF |
Camera | Dage MTI | NC-70 | |
Carbogen tank | Praxair | MM OXCD5C-K | Carbon Dioxide 5%, Oxygen 95% |
Clampex Software | Molecular Devices | Clampex 10.5 Version | |
Compresstome Vibrating Microtome | Precisionary | VF 310-0Z | |
Concentric Bipolar Electrode | FHC Inc. | CBAPC75 | |
Dextrose (D-Glucose) | Fisher Scientific (Chemical) | D16-3 | aCSF |
Digital Stimulus Isolation Amplifier | Getting Instruments, Inc. | Model 4D | |
Disodium Phosphate | Fisher Scientific (Chemical) | S373-500 | PBS |
Dissection Tools | |||
Feather Double Edge Blade | Electron Microscopy Sciences | 72002-10 | |
Filter Paper | Whatman 1 | 1001-055 | |
Flaming/Brown Micropipette Puller | Sutter Instrument | P-1000 | |
Hair Claw Clip | Can be obtained from any department store | ||
Home and Recovery Cages | Normal rat cages from animal care unit. | ||
Hum Bug Noise Eliminator | Quest Scientific | 726300 | |
Isoflurane USP | Fresenius Kabi | CP0406V2 | |
Isotemp 215 Digital Water Bath | Fisher Scientific | 15-462-15 | |
Leica Impact One CCI unit | Leica Biosystems | Tip is modified to hold 7mm rubber impact tip | |
Long-Evans rats, male | Charles River Laboratories (St. Constant, PQ) | ||
Low-Density Foam Pad | 3" polyurethane foam sheet | ||
Magnesium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | M33-500 | aCSF |
Male Long Evans Rats | Charles River Laboratories | Animals ordered from Charles River Laboratories, or pups bred at the University of Victoria | |
MultiClamp 700B Amplifier | Molecular Devices | Model 700B | |
pH Test Strips | VWR Chemicals BDH | BDH83931.601 | |
Potassium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | P217-500 | aCSF, PBS |
Potassium Phosphate | Sigma | P9791-500G | PBS |
Push Button Controller | Siskiyou Corporation | MC1000e | Four-axis Closed Loop Controller Push-Button |
Sample Discs | ELITechGroup | SS-033 | For use with Vapor Pressure Osmometer |
Small towel | |||
Sodium Bicarbonate | Fisher Scientific (Chemical) | S233-500 | aCSF |
Sodium Chloride | Fisher Scientific (Chemical) | S271-3 | For aCSF, PBS |
Sodium Phosphate | Fisher Scientific (Chemical) | S369-500 | aCSF |
Soft Plastic Restraint Cones | Braintree Scientific | model DC-200 | |
Stopwatch | Many lab members use their iPhone for this | ||
Table or large cart with raised edges | For NAP and ACHI | ||
Thin Wall Borosilicate Glass (with Filament) | Sutter Instrument | BF150-110-10 | Outside diameter: 1.5 mm; Inside diameter: 1.10 mm; Length: 10 cm |
Upright Microscope | Olympus | Olympus BX5OWI | 5x MPlan 0.10 NA Objective lens |
Vapor Pressure Osmometer | Vapro | Model 5600 | aCSF should be 300-310 mOSM |
Vetbond Tissue Adhesive | 3M | 1469SB | |
Vibraplane Vibration Isolation Table | Kinetic Systems | 9101-01-45 |