Automatiserad impaktor för kontusiv ryggmärgsskademodell hos möss
Summary
Här presenteras en ny automatiserad ryggmärgskontusionsanordning för möss, som exakt kan producera ryggmärgsskadekontusionsmodeller med varierande grad.
Abstract
Ryggmärgsskada på grund av traumatiska skador som bilolyckor och fall är förknippad med permanent ryggmärgsdysfunktion. Skapandet av kontusionsmodeller av ryggmärgsskada genom att påverka ryggmärgen resulterar i liknande patologier som de flesta ryggmärgsskador i klinisk praxis. Exakta, reproducerbara och bekväma djurmodeller av ryggmärgsskada är avgörande för att studera ryggmärgsskador. Vi presenterar en ny automatiserad ryggmärgskontusionsanordning för möss, Guangzhou Jinan Universitys smarta ryggmärgsskadesystem, som kan producera ryggmärgskontusionsmodeller med noggrannhet, reproducerbarhet och bekvämlighet. Systemet producerar noggrant modeller av olika grader av ryggmärgsskada via laseravståndssensorer i kombination med en automatiserad mobil plattform och avancerad programvara. Vi använde detta system för att skapa tre nivåer av ryggmärgsskadade musmodeller, bestämde deras Basso-musskala (BMS) poäng och utförde beteende- och färgningsanalyser för att visa dess noggrannhet och reproducerbarhet. Vi visar varje steg i utvecklingen av skademodellerna med hjälp av denna enhet och bildar en standardiserad procedur. Denna metod producerar reproducerbara modeller av ryggmärgskontusionsmöss och minskar mänskliga manipulationsfaktorer via bekväma hanteringsprocedurer. Den utvecklade djurmodellen är tillförlitlig för att studera ryggmärgsskademekanismer och tillhörande behandlingsmetoder.
Introduction
Ryggmärgsskada leder vanligtvis till permanent ryggmärgsdysfunktion under det skadade segmentet. Det orsakas oftast av föremål som träffar ryggraden och översträckning av ryggraden, såsom trafikolyckor och fall1. På grund av den begränsade tillgången på effektiva behandlingsalternativ för ryggmärgsskada kommer klarläggande av patogenesen av ryggmärgsskador med hjälp av djurmodeller att vara informativt för utvecklingen av lämpliga behandlingsmetoder. Kontusionsmodellen av ryggmärgsskada orsakad av påverkan på ryggmärgen resulterar i utveckling av djurmodeller med liknande patologier som de flesta kliniska ryggmärgsskadefall 2,3. Därför är det viktigt att producera exakta, reproducerbara och bekväma djurmodeller för kontusion av ryggmärgsskada.
Sedan Allens uppfinning av den första djurmodellen av ryggmärgsskada 1911 har det skett stora framsteg i utvecklingen av instrument för att fastställa ryggmärgsskadade djurmodeller 4,5. Baserat på skademekanismer klassificeras ryggmärgsskademodeller som kontusion, kompression, distraktion, dislokation, transsektion eller kemisk6. Bland dem är kontusionsmodellerna, som använder yttre krafter för att förskjuta och skada ryggmärgen, närmast den kliniska etiologin för de flesta ryggmärgsskadepatienter. Därför har kontusionsmodellen använts av många forskare i ryggmärgsskadestudier 3,7. Olika instrument används för att utveckla modeller för kontusion vid ryggmärgsskada. New York University (NYU)-multicenter animal spinal cord injury studies (MASCIS) impactor producerar kontusioner av ryggmärgsskada med viktminskningsanordning8. Efter flera uppdaterade versioner används MASCIS-slagverket i stor utsträckning för att utveckla djurmodeller9 för kontusionsdjur vid ryggmärgsskada. Men när slagstaven på MASCIS faller och träffar ryggmärgen kan flera skador uppstå, vilket påverkar graden av skada i ryggmärgsskademodeller. Dessutom är det också en utmaning att uppnå mekanisk precision för att säkerställa instrumentets noggrannhet och tillverkningsmodellens repeterbarhet. Impaktorerna med oändlig horisont orsakar kontusioner genom att kontrollera kraften som appliceras på ryggmärgen snarare än tunga droppar10. Den använder en dator som är ansluten till en sensor för att direkt mäta slagkraften mellan slaganordningen och ryggmärgen. När tröskelvärdet har nåtts dras provkroppen omedelbart in, vilket innebär att viktrekyl undviks och noggrannheten förbättras10,11. Användningen av denna finmotoriska modalitet för att tillfoga skada kan dock resultera i inkonsekventa skador och funktionella brister6. Ohio State University (OSU) komprimerar ryggmärgens dorsala yta med en övergående hastighet av en elektromagnetisk drivrutin12,13. Denna anordning liknar de oändliga horisontslagorerna, eftersom den använder kortdistanskompressioner för att orsaka ryggmärgsskador. Den har dock olika begränsningar genom att den initiala bestämningen av nollpunkten kommer att orsaka fel på grund av närvaron av cerebrospinalvätskan 6,14. Sammanfattningsvis finns det många instrument som kan användas för att utveckla djurmodeller för kontusion vid ryggmärgsskada, men de har alla vissa begränsningar som leder till otillräcklig noggrannhet och reproducerbarhet av djurmodeller. Därför, för att mer exakt, bekvämt och reproducerbart skapa muskontusionsmodeller av ryggmärgsskada, behövs en automatiserad och intelligent ryggmärgsskada.
Vi presenterar en ny spinalskada, Guangzhou Jinan University smart spinal cord injury system (G smart SCI system; Figur 1), för att ta fram modeller för kontusion vid ryggmärgsskada. Enheten använder en laseravståndsmätare som positioneringsenhet, kombinerat med en automatiserad mobil plattform för att automatisera slag enligt inställda slagparametrar, inklusive slaghastighet, slagdjup och uppehållstid. Automatiserad drift minskar den mänskliga faktorn och förbättrar noggrannheten och reproducerbarheten hos djurmodeller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ryggmärgsskada kan leda till sensoriska och motoriska funktionsnedsättningar, vilket kan leda till allvarliga fysiska och psykiska funktionsnedsättningar. I Kina varierar förekomsten av ryggmärgsskador i olika provinser från 14,6 till 60,6 per miljon18. Den ökade förekomsten av ryggmärgsskada kommer att öka trycket på hälso- och sjukvårdssystemet. För närvarande finns det begränsade effektiva behandlingsalternativ för ryggmärgsskador, skador eftersom dess patomekanismer och repar…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China, nr 82102314 (till ZSJ) och 32170977 (till HSL) och Natural Science Foundation of Guangdong Province, nr 2022A1515010438 (till ZSJ) och 2022A1515012306 (till HSL). Denna studie stöddes av Clinical Frontier Technology Program vid First Affiliated Hospital of Jinan University, Kina, nr JNU1AF- CFTP- 2022- a01206 (till HSL). Denna studie stöddes av Guangzhou Science and Technology Plan Project, nr 202201020018 (till HSL), 2023A04J1284 (till ZSJ) och 2023A03J1024 (till HSL).
Materials
| 0.01M PBS (powder, pH7.2-7.4) | Solarbio Life Sciences | P1010 | |
| 2,2,2-Tribromoethanol | Macklin | 75-80-9 | |
| 4% paraformaldehyde tissue fixative | Biosharp life science | BL539A | |
| Biomicroscope | Leica | LCC50 HD | |
| CatWalk | Noldus Information Technology | CatWalk XT 9.1 | |
| Cover glass | CITOTEST Scientific | 10212432C | |
| Embedding machine | Changzhou Zhongwei Electronic Instrument | BMJ-A | |
| Ethanol absolute | DAMAO | 64-17-5 | |
| FootFaultScan | Clever Sys Inc. | – | |
| Glass slide | CITOTEST Scientific | 80302-2104 | |
| Hematoxylin and Eosin Staining Kit | Beyotime Biotechnology | C0105S | |
| micro-grinding drill | FEIYUBIO | 19-7010 | |
| Mouse spinal fixator | RWD Life Science | 68094 | |
| Paraffin microtome | Thermo | shandon finesse 325 | |
| RotaRod for Mice | Ugo Basile | 47600 | |
| Stereomicroscope | KUY NICE | SZM-7045 | |
| Tert-Amyl alcohol | Macklin | 75-85-4 | |
| Xylene | China National Pharmaceutical | #10023418 |
Referências
- Venkatesh, K., Ghosh, S. K., Mullick, M., Manivasagam, G., Sen, D. Spinal cord injury: pathophysiology, treatment strategies, associated challenges, and future implications. Cell and Tissue Research. 377 (2), 125-151 (2019).
- Chiu, C. W., Cheng, H., Hsieh, S. L. Contusion Spinal Cord Injury Rat Model. Bio Protocol. 7 (12), e2337 (2017).
- Thygesen, M. M., Guldbæk-Svensson, F., Rasmussen, M. M., Lauridsen, H. Contusion Spinal Cord Injury via a Microsurgical Laminectomy in the Regenerative Axolotl. Journal of Visualized Experiments. (152), 60337 (2019).
- Anderson, T. E. A controlled pneumatic technique for experimental spinal cord contusion. Journal of Neuroscience Methods. 6 (4), 327-333 (1982).
- Allen, A. R. SURGERY OF EXPERIMENTAL LESION OF SPINAL CORD EQUIVALENT TO CRUSH INJURY OF FRACTURE DISLOCATION OF SPINAL COLUMN: A PRELIMINARY REPORT. Journal of the American Medical Association. LVII (11), 878-880 (1911).
- Cheriyan, T., et al. Spinal cord injury models: a review. Spinal Cord. 52 (8), 588-595 (2014).
- Yan, R., et al. A modified impactor for establishing a graded contusion spinal cord injury model in rats. Annals of Translational Medicine. 10 (8), 436 (2022).
- Gruner, J. A. A monitored contusion model of spinal cord injury in the rat. Journal of Neurotrauma. 9 (2), 123-126 (1992).
- Ghnenis, A. B., et al. Evaluation of the Cardiometabolic Disorders after Spinal Cord Injury in Mice. Biology (Basel). 11 (4), 495 (2022).
- Scheff, S. W., Rabchevsky, A. G., Fugaccia, I., Main, J. A., Lumpp, J. E. Experimental modeling of spinal cord injury: characterization of a force-defined injury device. Journal of Neurotrauma. 20 (2), 179-193 (2003).
- Hong, Y. R., et al. Ultrasound stimulation improves inflammatory resolution, neuroprotection, and functional recovery after spinal cord injury. Scientific Reports. 12 (1), 3636 (2022).
- Noyes, D. H. Electromechanical impactor for producing experimental spinal cord injury in animals. Medical & Biological Engineering & Computing. 25 (3), 335-340 (1987).
- Stokes, B. T., Noyes, D. H., Behrmann, D. L. An electromechanical spinal injury technique with dynamic sensitivity. Journal of Neurotrauma. 9 (3), 187-195 (1992).
- Pearse, D. D., et al. Histopathological and behavioral characterization of a novel cervical spinal cord displacement contusion injury in the rat. Journal of Neurotrauma. 22 (6), 680-702 (2005).
- Wu, X., et al. A Tissue Displacement-based Contusive Spinal Cord Injury Model in Mice. Journal of Visualized Experiments. (124), 54988 (2017).
- Forgione, N., Chamankhah, M., Fehlings, M. G. A Mouse Model of Bilateral Cervical Contusion-Compression Spinal Cord Injury. Journal of Neurotrauma. 34 (6), 1227-1239 (2017).
- Ji, Z. S., et al. Highly bioactive iridium metal-complex alleviates spinal cord injury via ROS scavenging and inflammation reduction. Biomaterials. 284, 121481 (2022).
- Chen, C., Qiao, X., Liu, W., Fekete, C., Reinhardt, J. D. Epidemiology of spinal cord injury in China: A systematic review of the chinese and english literature. Spinal Cord. 60 (12), 1050-1061 (2022).
- Flack, J. A., Sharma, K. D., Xie, J. Y. Delving into the recent advancements of spinal cord injury treatment: a review of recent progress. Neural Regeneration Research. 17 (2), 283-291 (2022).
- Khuyagbaatar, B., Kim, K., Kim, Y. H. Conversion Equation between the Drop Height in the New York University Impactor and the Impact Force in the Infinite Horizon Impactor in the Contusion Spinal Cord Injury Model. Journal of Neurotrauma. 32 (24), 1987-1993 (2015).
- Alizadeh, A., Dyck, S. M., Karimi-Abdolrezaee, S. Traumatic Spinal Cord Injury: An Overview of Pathophysiology, Models and Acute Injury Mechanisms. Frontiers in Neurology. 10, 282 (2019).
- Bilgen, M. A new device for experimental modeling of central nervous system injuries. Neurorehabilitation and Neural Repair. 19 (3), 219-226 (2005).
- Khan, M., et al. GSNOR and ALDH2 alleviate traumatic spinal cord injury. Brain Research. 1758, 147335 (2021).
