Kontrollerad Kortikal Impact modell för traumatisk hjärnskada
Summary
Traumatic brain injuries (TBIs) remain a serious health problem. Using the controlled cortical impact surgery model, research on the effects of TBI and possible treatment methods may be performed.
Abstract
Every year over a million Americans suffer a traumatic brain injury (TBI). Combined with the incidence of TBIs worldwide, the physical, emotional, social, and economical effects are staggering. Therefore, further research into the effects of TBI and effective treatments is necessary. The controlled cortical impact (CCI) model induces traumatic brain injuries ranging from mild to severe. This method uses a rigid impactor to deliver mechanical energy to an intact dura exposed following a craniectomy. Impact is made under precise parameters at a set velocity to achieve a pre-determined deformation depth. Although other TBI models, such as weight drop and fluid percussion, exist, CCI is more accurate, easier to control, and most importantly, produces traumatic brain injuries similar to those seen in humans. However, no TBI model is currently able to reproduce pathological changes identical to those seen in human patients. The CCI model allows investigation into the short-term and long-term effects of TBI, such as neuronal death, memory deficits, and cerebral edema, as well as potential therapeutic treatments for TBI.
Introduction
Traumatisk hjärnskada (TBI) definieras som en förändring i hjärnans funktion, eller andra tecken på hjärnpatologi, som orsakas av en yttre kraft 1. Tbis förblir ett allvarligt hälsoproblem i hela världen, särskilt i USA. Enligt Centers for Disease Control and Prevention, minst 1,7 miljoner Tbis inträffar årligen i USA resulterade i 30,5% av alla skaderelaterade dödsfall. År 2000 de direkta sjukvårdskostnader och indirekta kostnader för Tbis uppgick uppskattningsvis $ 76500000000 i USA ensamt. Även om tekniska och terapeutiska framsteg i föregående decennierna har förbättrat kvaliteten och livslängden för dem som lider Tbis, finns för närvarande ingen effektiv läkemedels eller förebyggande behandlingar. På grund av komplexiteten och vittgående effekter Tbis, inklusive vävnadsskada, celldöd och axonet degeneration, inte två skador är identiska; alltså, ingen ström TBI modell för djur korrekt återgeralla aspekter av TBI som ses hos människa. Däremot har djurmodeller ger möjlighet att producera nästan identiska skador som är nödvändiga för att undersöka olika effekter av TBI med hopp om att ytterligare förstå de kliniska manifestationer av Tbis.
Den kontrollerade kortikal påverkan (CCI) modellen använder en effekt system för att leverera fysisk påverkan på den exponerade dura av ett djur. Det leder Tbis varierar från lätt till svår liknande dem som upplevs av människor. Denna skada var första kännetecknas av illern 2 och anpassades senare för att användas i råtta 3,4, mus 5-7, och får 8. Sedan den första karakteriseringen har platsen för skadan placerats både över mittlinjen 2,9 och den laterala cortex 10. CCI är ett enkelt och exakt sätt att undersöka effekterna och potentiella behandlingar för Tbis.
Förutom den CCI-modellen, den fluid slagverk och vikt droppe modeller är commonly används för att producera Tbis. Dessa modeller nuvarande begränsningar, bland annat mindre kontroll över skadeparametrar, som producerar histopathalogical förändringar som inte setts i human Tbis och ökad förekomst av oavsiktlig död i möss 3,5,10. Den tryckvåg Modellen används också för att producera Tbis. Även tryckvågen från explosionen modellen inte återge histopathalogical förändringar som ses efter en mekanisk påverkan, denna modell exakt producera Tbis upplevs särskilt av militär personal 11. Den kontrollerade kortikal påverkan modell är lätt att kontrollera på grund av exakt kontroll över deformations-parametrar såsom tid, hastighet och djup av inverkan 5. Sådan noggrannhet gör replikera nästan identiska skador i en hel grupp av djur mer genomförbart. Viktigast CCI återger Tbis med funktioner som ses i mänsklig Tbis 12. Det finns dock ingen enskild djurmodell som är helt lyckat att reproducera hela spektrat av patologisk chanGES observerats efter TBI. Ytterligare forskning behövs för att fullständigt avslöja de akuta och kroniska förändringar som sker efter TBI.
Två typer av skador uppstår efter en TBI: primära och sekundära skador. Den primära skadan inträffar vid nedslaget och är inte känslig för terapeutiska behandlingar; Men de sekundära skador som kvarstår efter den initiala skadan är föremål för behandling 13. Den kontrollerade kortikal påverkan modellen producerar den primära skadan, vilket gör det möjligt för forskare att undersöka effekterna av TBI och potentiella terapeutiska behandlingar för potentiellt långvariga effekter av sekundära skador. Områden med potentiellt forskning med CCI-modellen inkluderar neuronal död, hjärnödem, neurogenes, vaskulära effekter, histopathalogical förändringar, och minnesunderskott och mer 3,13-16.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiska stegen för framgångsrikt generera konsekventa Tbis hjälp av ett elektroniskt system för magnetpåverkan för att orsaka en CCI är: 1) stabilt fastställande av musen huvudet i stereotaktisk ram; 2) att generera samma storlek på fönster ben mellan möss och ta bort benet utan att skada dura i den under craniectomy; 3) korrekt positionering av effekterna spetsen mitt i det öppna området och inrättande av nollpunkten innan den slår.
En mus huvud måste fastställas i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av medel från Indiana Spinal Cord & Hjärnskada bidrag (SCBI 200-12), Ralph W. och Grace M. Showalter Research Award, Indiana University Biological Research Grant, NIH bidrag RR025761 och 1R21NS072631-01A.
Materials
| Povidone-iodine 7.5% | Purdue product L.P. | Surgical scrub | |
| Cotton tipped applicators | Henry Schein | 100-6015 | Remove blood and debris |
| scissor | Fine Science Tools | 14084-08 | Surgery |
| forcept | Fine Science Tools | 11293-00 | Surgery |
| hemostat | Fine Science Tools | 13021-12 | Surgery |
| Rechargeable Cordless Micro Drill | Stoelting | 58610 | Combine with Burrs for generating the bone window |
| Burrs for Micro Drill | Fine Science Tools | 19007-05 | |
| Suture monofilament | Ethicon | G697 | Suture |
| tert-Amyl alcohol | Sigma | 152463-250ML | Making 2.5% Avertin |
| 2,2,2-Tribromoethanol | Sigma | T48402-25G | Making 2.5% Avertin |
References
- Menon, D. K., Schwab, K., et al. Position statement: definition of traumatic brain injury. Arch Phys Med Rehabil. 91 (11), 1637-1640 (2010).
- Lighthall, J. W., Dixon, C. E., et al. Experimental models of brain injury. J Neurotrauma. 6 (2), 83-97 (1989).
- Dixon, C. E., Clfton, G. L., et al. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. J Neurosci Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
- Scheff, S. W., Baldwin, S. A., et al. Morris water maze deficits in rats following traumatic brain injury: lateral controlled cortical impact. J Neurotrauma. 14 (9), 615-627 (1997).
- Smith, D. H., Soares, H. D., et al. A model of parasagittal controlled cortical impact in the mouse: cognitive and histopathologic effects. J Neurotrauma. 12 (2), 169-178 (1995).
- Hannay, H. J., Feldman, Z., et al. Validation of a controlled cortical impact model of head injury in mice. J Neurotrauma. 16 (11), 1103-1114 (1999).
- Natale, J. E., Ahmed, F., et al. Gene expression profile changes are commonly modulated across models and species after traumatic brain injury. J Neurotrauma. 20 (10), 907-927 (2003).
- Anderson, R. W., Brown, C. J., et al. Impact mechanics and axonal injury in a sheep model. J Neurotrauma. 20 (10), 961-974 (2003).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. J Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
- Chen, S., Pickard, J. D., et al. Time course of cellular pathology after controlled cortical impact injury. Exp Neurol. 182 (1), 87-102 (2003).
- Long, J. B., Bentley, T. L., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. J Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
- Clark, R. S., Schiding, J. K., et al. Neutrophil accumulation after traumatic brain injury in rats: comparison of weight drop and controlled cortical impact models. J Neurotrauma. 11 (5), 499-506 (1994).
- Werner, C., Engelhard, K. Pathophysiology of traumatic brain injury. Br J Anaesth. 99 (1), 4-9 (2007).
- Colicos, M. A., Dixon, C. E., et al. Delayed, selective neuronal death following experimental cortical impact injury in rats: possible role in memory deficits. Brain Res. 739 (1-2), 111-119 (1996).
- Raghavendra Rao, V. L., Dogan, A., et al. Traumatic brain injury leads to increased expression of peripheral-type benzodiazepine receptors, neuronal death, and activation of astrocytes and microglia in rat thalamus. Exp Neurol. 161 (1), 102-114 (2000).
- Gao, X., Chen, J. Moderate traumatic brain injury promotes neural precursor proliferation without increasing neurogenesis in the adult hippocampus. Exp Neurol. 239, 38-48 (2013).
