מודל Murine של חוט השדרה הצווארי פגיעה לחקר פוסט lesional הנשימה Neuroplasticity
Summary
כשל נשימתי הוא הגורם המוביל למוות לאחר פגיעה בחוט השדרה הצווארי. יש מודל לשחזור, לכימות, ואמין טרום קליני בבעלי חיים של כשל נשימה הנגרם על ידי פציעה בצוואר הרחם חלקית יעזור להבין neuroplasticity הנשימה ולא בדרכי הנשימה שלאחר מכן ויאפשר בדיקת אסטרטגיות תיקון משוערת.
Abstract
פגיעה בחוט השדרה הצווארי גורמת שיתוק קבוע, ולעתים קרובות מוביל למצוקה נשימתית. נכון להיום, אין תרופות יעילים פותחו על מנת לשפר / לשפר את כשל נשימתי בעקבות פציעה גבוהה בצוואר הרחם בחוט השדרה (SCI). כאן אנו מציעים מודל טרום קליני Murine של SCI הגבוה ברמת צוואר הרחם 2 (C2) metameric ללמוד neuroplasticity נשימה לאחר lesional המגוון. הטכניקה מורכבת של פגיעה כירורגית חלקית ברמת C2, אשר יניעו hemiparalysis של הסרעפת עקב deafferentation של motoneurons הסרעפת ממרכזי הנשימה נמצאים בגזע המוח. הצד הנגדי של הפגיעה נותר בשלמותה ומאפשר השחזור של בעלי החיים. שלא כמו SCIs האחר המשפיע על התפקוד של תנועה (ובבית החזה ברמה המותני), תפקוד מערכת הנשימה אינו דורש מוטיבציה של בעלי חיים וכימות של הגירעון / השחזור ניתן לבצע (סרעפת והקלטת עצב הסרעפת בקלותים, אוורור בכל גוף). דגם C2 SCI טרום קליני זהו מודל טרום קליני רב עוצמה, שימושי ואמין ללמוד אירועי neuroplasticity נשימה ונשימה שאינן שונים ברמות שונות (מולקולריות לפיזיולוגיה) ולבחון אסטרטגיות טיפוליות המשוערת מגוונות אשר עשוי לשפר את הנשימה ב חולי SCI.
Introduction
טראומת חוט השדרה היא פגיעה שכיחה שנצפתה באוכלוסייה האנושית במקרים דרמטיים, כגון שיתוק קבוע. עם זאת, חומרת הפגיעה תלויה ברמה וההיקף של הטראומה הראשונית. כשל נשימתי הוא הגורם המוביל לתמותה בעקבות פציעה עליונה צוואר הרחם בחוט השדרה (SCI) 1. נכון לעכשיו, הטיפול הטיפולי היחיד הוא למקם את המטופל במסגרת סיוע נשימתית. מאז ניתן להיגמל כמה מטופלים מהסיוע נשימתית 2, עקב החלמה ספונטנית שמתרחשת עם עיכוב שלאחר lesional, את הצורך לפתח תרופות לא פולשנית חדשניות חדשות הוא 3 דחופים. עובדה שיש בדגם טרום קליני סטנדרטי טוב כדי לחקור את ההשפעה של SCI צוואר הרחם על אי ספיקה נשימתית, ולכן, כדי ללמוד את היישום של אסטרטגיות טיפוליות המשוערת, היא חיונית.
במאמר טכני זה, אנו מתארים o מודל עכברי טרום קליני ספציפיליקוי בדרכי הנשימה הנגרם על ידי f צוואר הרחם SCI חלקי ברמת C2. מודל זה משמש כיום על ידי מספר מעבדות ברחבי העולם (לביקורות: 4-13). עם זאת, הבדלים קלים בהליך כירורגים ניתן להבחין בין החוקרים השונים ליצירת מודל זה בפרט צוואר הרחם פציעה עכברי. ההשפעה של SCI C2 על תפוקת הנשימה תוארה לראשונה בשנת 1895 ידי 14 פורטר. Hemisection צוואר הרחם גורם deafferentation של motoneurons הסרעפת מהכונן המרכזי שלהם (הממוקם בrVRG בגזע המוח, איור 1 א) בצד ipsilateral של פציעה, מה שמוביל לפעילות שקטה הסרעפת עצב ושיתוק הסרעפת שלאחר מכן. הצד הנגדי נותר בשלמותה ומאפשר לבעלי החיים לשרוד. שלא כמו SCI שונה הממוקם בקטע של עמוד השדרה תחתון (לדוגמא פגיעה contusive ברמת C4 15), על שלמות גרעין motoneuron הסרעפת בצד השני נשמרה. לאחר cervפציעת C2 iCal, כמה פעילות ספונטנית ניתן להבחין בצד ipsilateral (הסרעפת והסרעפת) בשל הפעלה של מסלולים הסינפטי שקטים הנגדי שחצו את קו האמצע של עמוד השדרה בC3-C6 רמה המגזרי (מסלולי הסרעפת חצו, CPP, איור 1) . ההפעלה של CPP, שהוא, בהגדרה, hemisection C2 בשילוב עם phrenicotomy נגדי שיגרום להתאוששות עצב ipsilateral חלקית הסרעפת, יכולה להתרחש משעות עד שבועות לאחר פציעה 16-18. ההשפעה חיובית האמיתית של מסלול CPP זה על התאוששות הנשימה מוגבלת 19 וחקירה והמשך טיפול צריכה להיות שפותחו כדי לשפר את סדר הגודל של שיקום ספונטני 3.
פרוטוקול זה מספק סוג רב עוצמה של מודל עכברי טרום קליני ללמוד פלסטיות לאחר lesional נשימה ברמות שונות (פיזיולוגיה נשימה מmotoneurons מראש וסרעפת, interneurons, מולקולרי וcellular, תנועה של הגפיים הקדמיים לדוגמא) וכן כמודל לבדיקת אסטרטגיות טיפוליות פולשנית ולא פולשנית שנועדו לשפר את הנשימה והתאוששות של תנועה בעקבות פציעת C2 חלקית בחוט השדרה הצווארי.
Protocol
Representative Results
Discussion
קשיים טכניים של ביצוע C2 הפגיעה הדגם
המודל העכברי פציעת C2 הוא כלי מעניין ללמוד neuroplasticity פוסט lesional בדרכי הנשימה. עם זאת, את הצעדים הדרושים כדי לייצר מודל לשחזור ואמין הם רבים וכל אחד יכול להשפיע על התוצאה של המחקר. לדוגמא, ב?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי מימון מתכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי (FP7/2007-2013) תחת הסכם מענק מס 246,556 (RBUCE-UP פרויקט האירופי), HandiMedEx שהוקצה על ידי הקהל הצרפתי השקעות הדירקטוריון. מרסל Bonay נתמכה על ידי Chancellerie des Universités דה פריז (רגליים Poix), Fonds דה Dotation משוכלל ונדיר en סנטה Respiratoire, וסיוע ד 'מרכז Respiratoire במגורי ד' איל דה פראנס (CARDIF)
Materials
| Animal | |||
| Male Sprague Dawley Rat | Janvier | 225-250g | |
| Surgical Instruments | |||
| Student Dumont #5 forceps | Fine Science Tool | 91150-20 | |
| Student Standard Pattern Forceps | Fine Science Tool | 91100-12 | |
| Mayo-Stille Scissors | Fine Science Tool | 14013-15 | Curved |
| Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tool | 91500-09 | Straight |
| Spring Scissors – 8 mm Blades | Fine Science Tool | 15025-10 | Straight Blunt/Blunt |
| Friedman Pearson Rongeur | Fine Science Tool | 16121-14 | Curved |
| Dissecting Knife – Fine Tip | Fine Science Tool | 10055-12 | Straight |
| Olsen-Hegar Needle Holder | Fine Science Tool | 12002-14 | Serrated |
| Weitlaner-Locktite Retractor | Fine Science Tool | 17012-11 | 2×3 Blunt |
| Absorbable surgical sutures | Centravet | BYO001 | |
| Equipment | |||
| Hot Bead Steriliser | Fine Science Tool | 18000-45 | |
| Catheter | Centravet | CAT188 | 16 gauge |
| Laryngoscope | |||
| Guide wire | |||
| Laryngeal mirror | Centravet | MIR011 | |
| Lactated Ringers | Centravet | RIN020 | |
| Syringe | Centravet | ||
| Needle | Centravet | ||
| O2 | Air Liquid | I1001M20R2A001 | |
| 683 RodentT Ventilator 115/230V | Havard Apparatus | 55-0000 | |
| Stand-Alone Vaporizer | WPI | EZ-155 | |
| Thin line heated bed | WPI | EZ-211 | |
| Air canister | WPI | EZ-258 | |
| Drugs | |||
| Carprofen | Centravet | ||
| Rimadyl | Centravet | RIM011 | |
| Buprenorphine | Centravet | BUP001 | |
| Baytril | Centravet | BAY001 | |
| Dexmedetomidine | Centravet | DEX010 | |
| Atipamezole | Centravet | ANT201 | |
| Betadine Solution | Centravet | VET002 | |
| Isoflurane | Centravet | VET066 | |
References
- Frankel, H. L., et al. Long-term survival in spinal cord injury: a fifty year investigation. Spinal Cord. 36, 266-274 (1998).
- Ramer, M. S., Harper, G. P., Bradbury, E. J. Progress in spinal cord research – a refined strategy for the International Spinal Research Trust. Spinal Cord. 38, 449-472 (2000).
- Zimmer, M. B., Nantwi, K., Goshgarian, H. G. Effect of spinal cord injury on the respiratory system: basic research and current clinical treatment options. J Spinal Cord Med. 30, 319-330 (2007).
- Mantilla, C. B., Sieck, G. C. Neuromuscular adaptations to respiratory muscle inactivity. Respir Physiol Neurobiol. 169, 133-140 (2009).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon and recovery of function following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 85-93 (2009).
- Nantwi, K. D. Recovery of respiratory activity after C2 hemisection (C2HS): involvement of adenosinergic mechanisms. Respir Physiol Neurobiol. 169, 102-114 (2009).
- Sandhu, M. S., et al. Respiratory recovery following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 169, 94-101 (2009).
- Lane, M. A., Lee, K. Z., Fuller, D. D., Reier, P. J. Spinal circuitry and respiratory recovery following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 123-132 (2009).
- Seeds, N. W., Akison, L., Minor, K. Role of plasminogen activator in spinal cord remodeling after spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 141-149 (2009).
- Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475, 196-200 (2011).
- Vinit, S. Cervical spinal cord injuries and respiratory insufficiency: a revolutionary treatment. Med Sci (Paris. 28, 33-36 (2012).
- Kastner, A., Gauthier, P. Are rodents an appropriate pre-clinical model for treating spinal cord injury? Examples from the respiratory system). Exp Neurol. 213, 249-256 (2008).
- Vinit, S., Lovett-Barr, M. R., Mitchell, G. S. Intermittent hypoxia induces functional recovery following cervical spinal injury. Physiol Neurobiol. 169, 210-217 (2009).
- Porter, W. T. The Path of the Respiratory Impulse from the Bulb to the Phrenic Nuclei. J Physiol. 17, 455-485 .
- Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235, 539-552 (2012).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon: a model for plasticity in the respiratory pathways following spinal cord injury. J Appl Physiol. 94, 795-810 (2003).
- Vinit, S., Gauthier, P., Stamegna, J. C., Kastner, A. High cervical lateral spinal cord injury results in long-term ipsilateral hemidiaphragm paralysis. J Neurotrauma. 23, 1137-1146 (2006).
- Fuller, D. D., Johnson, S. M., Johnson, R. A., Mitchell, G. S. Chronic cervical spinal sensory denervation reveals ineffective spinal pathways to phrenic motoneurons in the rat. Neurosci Lett. 323, 25-28 (2002).
- Dougherty, B. J., Lee, K. Z., Lane, M. A., Reier, P. J., Fuller, D. D. Contribution of the spontaneous crossed-phrenic phenomenon to inspiratory tidal volume in spontaneously breathing rats. J Appl Physiol. 112, 96-105 (2012).
- Jou, I. M., et al. Simplified rat intubation using a new oropharyngeal intubation wedge. J Appl Physiol. 89, 1766-1770 (2000).
- Fuller, D. D., et al. Graded unilateral cervical spinal cord injury and respiratory motor recovery. Respir Physiol Neurobiol. 165, 245-253 (2009).
- Vinit, S., Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Lipopolysaccharide attenuates phrenic long-term facilitation following acute intermittent hypoxia. Respir Physiol Neurobiol. 176, 130-135 (2011).
- Ahmad, F., Wang, M. Y., Levi, A. D. Hypothermia for Acute Spinal Cord Injury-A Review. World Neurosurg. , (2013).
- Lovett-Barr, M. R., et al. Repetitive intermittent hypoxia induces respiratory and somatic motor recovery after chronic cervical spinal injury. J Neurosci. 32, 3591-3600 (2012).
- Minor, K. H., Akison, L. K., Goshgarian, H. G., Seeds, N. W. Spinal cord injury-induced plasticity in the mouse–the crossed phrenic phenomenon. Exp Neurol. 200, 486-495 (2006).
- Baussart, B., Stamegna, J. C., Polentes, J., Tadie, M., Gauthier, P. A new model of upper cervical spinal contusion inducing a persistent unilateral diaphragmatic deficit in the adult rat. Neurobiol Dis. 22, 562-574 (2006).
- Golder, F. J., et al. Breathing patterns after mid-cervical spinal contusion in rats. Exp Neurol. 231, 97-103 (2011).
- Lane, M. A., et al. Respiratory function following bilateral mid-cervical contusion injury in the adult rat. Exp Neurol. 235, 197-210 (2012).
- Vinit, S., et al. Axotomized bulbospinal neurons express c-Jun after cervical spinal cord injury. Neuroreport. 16, 1535-1539 (2005).
- Guenther, C. H., Windelborn, J. A., Tubon, T. C., Yin, J. C., Mitchell, G. S. Increased atypical PKC expression and activity in the phrenic motor nucleus following cervical spinal injury. Exp Neurol. 234, 513-520 (2012).
- Mantilla, C. B., Gransee, H. M., Zhan, W. Z., Sieck, G. C. Motoneuron BDNF/TrkB signaling enhances functional recovery after cervical spinal cord injury. Exp Neurol. 247, 101-109 (2013).
- Vinit, S., Darlot, F., Aoulaiche, H., Boulenguez, P., Kastner, A. Distinct expression of c-Jun and HSP27 in axotomized and spared bulbospinal neurons after cervical spinal cord injury. J Mol Neurosci. 45, 119-133 (2011).
- Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Glial activation in the spinal ventral horn caudal to cervical injury. Respir Physiol Neurobiol. 180, 61-68 (2012).
- Vinit, S., Stamegna, J. C., Boulenguez, P., Gauthier, P., Kastner, A. Restorative respiratory pathways after partial cervical spinal cord injury: role of ipsilateral phrenic afferents. Eur J Neurosci. 25, 3551-3560 (2007).
- Dougherty, B. J., et al. Recovery of inspiratory intercostal muscle activity following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 183, 186-192 (2012).
