דוגמנות מוגבלת Capsular אוטם בעזרת טכניקת Photothrombotic
Summary
כתב יד זה מתאר טכניקת דוגמנות של אוטם קופסית. כאן השתמשנו בטכניקת photothrombotic שונה עם בעצימות נמוכות של אור לאחר מיפוי היעד מראש ניתוח. באמצעות טכניקה זו, יצרנו מודל אוטם קופסית מתוחם עם לקויות מוטוריות מתמיד.
Abstract
Recent increase in the prevalence rate of white matter stroke demands specific research in the field. However, the lack of a pertinent animal model for white matter stroke has hampered research investigations. Here, we describe a novel method for creating a circumscribed capsular infarct that minimizes damage to neighboring gray matter structures. We used pre-surgery neural tracing with adeno-associated virus-green fluorescent protein (AAV-GFP) to identify somatotopic organization of the forelimb area within the internal capsule. The adjustment of light intensity based on different optical properties of gray and white matter contributes to selective destruction of white matter with relative preservation of gray matter. Accurate positioning of optical-neural interface enables destruction of entire forelimb area in the internal capsule, which leads to a marked and persistent motor deficit. Thus, this technique produces highly replicable capsular infarct lesions with a persistent motor deficit. The model will be helpful not only to study white matter stroke (WMS) at the behavioral, circuit, and cellular levels, but also to assess its usefulness for development of new therapeutic and rehabilitative interventions.
Introduction
עד לא מזמן, "מודלים שבץ החומר האפור (GMS)" שימשו אך ורק כדי להבין את פתופיזיולוגיה של שבץ כדי להנחות את הפיתוח של טיפולים חדשים. עם זאת, חלה שכיחות גוברת של שבץ משפיעת חומר לבן קורטיקליים אצל אנשי קשישים, המהווים כ -15 – 25% מכל מקרי השבץ 1,2. מחקרים רבים נערכו שבץ לגבי שימוש במודלי GMS, ואילו ישנם כמה מחקרים שהשתמשו שבץ חומר לבן מודלים (WMS). חומר לבן במכרסמים פחות משמעותי בחומר הלבן בבני אדם או יונקים. כתוצאה מכך, זה יותר קשה לגשת באופן סלקטיבי ולהרוס אזורי היעד בחומר הלבן 3. בנוסף, אין כלים יעילים פותחו עד כה להרוס את ההיקף המתוכנן סלקטיבי של חומר לבן ממוקד. לכן, חל חוסר המודלים המתאימים ללימוד של משייכות חומר לבנות.
בעלי החיים stמודלי רוק משמשים לעתים קרובות כדי לעקוב אחר ההתקדמות של התאוששות מנוע לפיתוח שיקומי חדשים ושיטות טיפוליות. הוא אידיאלי כדי לנצל במודל חיה שמספק חסר נוירולוגים לטווח ארוך שתואמו את השינויים אנטומיים הפגינו שבץ אדם 4,5. בהקשר זה, התאוששות מהירה של הגירעון המנוע ומעורבות רחבה של lesioning האוטם הבא המוח לא יכולה להיות מציאותית במרדף של מחקר שבץ. מודלים אוטמי קופסית קודמים נעשו על ידי החסימה של עורק התרדמה הפנימית או עורקי כורואידלית קדמיים ואת דיפוזיה של 1 אנדותלין (ET-1) לתוך הקפסולה הפנימית 6-9. עם זאת, חסימה בעורק דורשת דיסקציה זהירה של עורקים, אבל זה מייצר שטח נרחב של נגע אוטם, כולל הקפסולה הפנימית, ללא גירעונות התנהגותי מתמשכים. יתר על כן, ET-1 לא היה מתפזר להרוס את האיבר האחורי לחלוטין של הקפסולה הפנימית, ולכן פחות מסומן או מתמידים ביהגירעון avioral.
מודל אוטם photothrombotic כבר בשימוש נרחב כדי ליצור סוגים שונים של נגעים אוטמים בקליפה ומבנים קורטיקליים 10. הטכניקה לכלול עירוי לוריד ואחריו תאורת מוקד, אשר מובילה הצטברות של טסיות דם בתוך כלי הדם הקטנים דור הנגעים אוטמים 10. טכניקת Photothrombotic כבר נעשתה שימוש נרחב כדי ליצור נגעי GMS, ואילו מעט המשמשת לייצור נגעי WMS 5,11. עבור טכניקה זו, שילוב של קרינה לצבוע ואור רוז בנגל הודגם להיות שימושי להרס מבנה היעד, גרימת מקביל גירעונות תפקודיים. הרכיב המרכזי של טכניקת photothrombotic הוא הקרנת אור, משום שהיא קובעת את גודל נגעים אוטמים. תוצאות הקרנת אור אפקטים שונים על חומר אפור ואת חומר לבן, בגלל פיזור האור הוא יותר מ -4 פעמים גבוהות ב ma הלבןtter לעומת חומר אפור 12; בהתאם לכך, אם עוצמת האור יש irradiance נמוכה מספיק (<1,140 mW / מ"מ 2), אפשר להגביל את הרחבה אשר הנגע photothrombotic להשפיע על המידה בחומר הלבן (כלומר., כמוסה פנימית). לדוגמא, לאור האנרגיה גבוהה יכול לגרום אוטמים בשני חומר אפור-לבן, עדיין אור האנרגיה נמוך יותר עשוי לגרום photothrombosis רק בחומר לבן. יתר על כן, חדירת אנרגית אור הייתה מוגבלת מאוד. כ -99% של אנרגית אור אבדו מעבר 1 מ"מ מהמקור של 13 אור. לכן, צפוי כי ממוקד ומדויק, אור אנרגיה נמוכה יותר גורם photothrombosis רק בחומר הלבן עם הסגת גבול מינימלי של החומר האפור השכנה.
כאן אנו מתארים שיטה חדשנית ליצירת נגעים האוטם באזור forelimb של הקפסולה הפנימית במכרסמים. אנו מתארים את שיטת זיהוי של אזור forelimb ב ca הפנימיpsule, הטכנולוגיה של הקרנת אור, כולל ההתאמה והאספקה של אור, ואת הדור של נגע אוטם. כמו כן, אנו מתארים בדיקות התנהגותיות להשתמש כדי להעריך את השלמות של המודלים קופסית.
Protocol
Representative Results
Discussion
המודל האוטם קופסית המוצג כאן מדגים נגע ממוקד עם לקויות מוטוריות ניכרות ומתמשכות בתפקוד forelimb. דגמים קודמים של שבץ קופסית קורטיקליים הוכיחו תואר מספק של לקויות מוטוריות ו 6,8,9 תהליך ההחלמה מהיר. במובן זה, המודל הזה דומה במקרים אוטמי קופסית הקליניים אשר תערוכת ליק?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק מטעם המכון להנדסת מערכת רפואית (IMSE) & גיסט-Caltech הקרן שיתופית (K04592) מ גיסט ועל ידי תכנית המחקר למדע הבסיסי דרך NRF של קוריאה ממומנת על ידי משרד המדע, ICT ותכנון לעתיד (NRF-2013R1A2A2A01067890).
Materials
| DC Temperature controller | WORLD PRECISION INSTRUMENTS, INC. | ATC1000 | |
| Digital Stereotaxic Instruments | STOELTING CO. | 51900 | |
| Electrical Stimulator | CyberMedic Corp. | EMGFES 2000 | |
| Epoxy | Precision Fiber Products, INC. | PFP-353ND1 | Mix Ratio: 10(A):1(B-hardener) by weight Curing Schedule: 1 minute @150°C 2~5 minutes @120°C 5~10 minutes @100°C 15~30 minutes @80°C |
| Fiber Optic Scribe | THORLABS, INC | S90R | |
| Fiber patch cable | KOREA OPTRON Corp. | Outer diameter: 3mm Ø200 µm 0.39 NA FC/PC-FC/PC 1 m |
|
| Laser Power Supply | CHANGCHUN NEW INDUSTRIES OPTOELECTRONICS TECH. CO., LTD. | MGL-FN-532nm-200mW-14010196 | |
| Crimp ring | DAWOOTECH CO.,LTD. | Length: 19mm Inner diameter: 3mm Outer diameter: 3.8mm Material: SUS |
|
| Micro4-micro syringe pump controller | WORLD PRECISION INSTRUMENTS, INC | 95100 | |
| Optical Power Meter | THOLABS, INC | PM100D | |
| Paraformaldehyde | SIGMA-ALDRICH CO. LLC. | P6148 | |
| Diamond lapping (polishing) sheet | THORLABS, INC | LF3D | Grit : 3 µm |
| Diamond lapping (polishing) sheet | THORLABS, INC | LF6D | Grit : 6 µm |
| Rose Bengal | SIGMA-ALDRICH CO. LLC. | 330000 | |
| Needle for spinal anesthesia with pencil point tip (Spinal needle) | B.BRAUN MELSUNGEN AG | 4502027 | Size: 27G Length: 88mm Needle: 0.40mm |
| Waterproof sandpaper | DEERFOS CO.,LTD | CC261 | Grit : 1000 µm |
| Nanofil 10uL syringe | WORLD PRECISION INSTRUMENTS, INC | NANOFIL | |
| Nanofil 33G BVLD needle | WORLD PRECISION INSTRUMENTS, INC | NF33BV-2 | |
| AAV-GFP virus | UNC Vector Core | AAV2-CamKIIa-eYFP | 2×10^12 virus molecules/ml |
| Anti-Green Fluorescent Protein, Rabbit IgG fraction | Life Technologies, INC | A11122 | primary antibody (1:200) |
| Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) | Life Technologies, INC | A11034 | secondary antibody (1:500) |
| Ceftezole | GUJU Pharma CO.,LTD. | A27802741 | 0.1%, 1ml |
| Lidocain hydrochloride injection | JEIL PHARMACEUTICAL CO.,LTD. | A04900271 | 2%, 1ml |
| Hand Piece Drill | Seshin | ||
| Digital optical power and energy meter | THORLABS, INC | PM100D | |
| Ketopropen | UNIBIOTech |
References
- Roger, V. L., et al. Heart disease and stroke statistics–2012 update: a report from the American Heart Association. Circulation. 125, 2-220 (2012).
- Debette, S., Markus, H. S. The clinical importance of white matter hyperintensities on brain magnetic resonance imaging: systematic review and meta-analysis. Bmj. 341, 3666 (2010).
- Zhang, K., Sejnowski, T. A universal scaling law between gray matter and white matter of cerebral cortex. PNAS. 97 (10), 5621-5626 (2000).
- Kim, H. S., et al. A rat model of photothrombotic capsular infarct with a marked motor deficit: a behavioral, histologic, and microPET study. J Cereb Blood Flow Metab. 34 (4), 683-689 (2014).
- Kleim, J. A., Boychuk, J. A., Adkins, D. L. Rat models of upper extremity impairment in stroke. ILAR J. 48 (4), 374-384 (2007).
- Frost, S. B., Barbay, S., Mumert, M. L., Stowe, A. M., Nudo, R. J. An animal model of capsular infarct: endothelin-1 injections in the rat. Behav Brain Res. 169 (2), 206-211 (2006).
- He, Z., et al. Definition of the anterior choroidal artery territory in rats using intraluminal occluding technique. J Neurol Sci. 182 (1), 16-28 (2000).
- Tanaka, Y., et al. Experimental model of lacunar infarction in the gyrencephalic brain of the miniature pig: neurological assessment and histological, immunohistochemical, and physiological evaluation of dynamic corticospinal tract deformation. Stroke. 39 (1), 205-212 (2008).
- Shibata, M., Ohtani, R., Ihara, M., Tomimoto, H. White matter lesions and glial activation in a novel mouse model of chronic cerebral hypoperfusion. Stroke. 35 (11), 2598-2603 (2004).
- Watson, B. D., Dietrich, W. D., Busto, R., Wachtel, M. S., Ginsberg, M. D. Induction of reproducible brain infarction by photochemically initiated thrombosis. Ann Neurol. 17 (5), 497-504 (1985).
- Kuroiwa, T., et al. Development of a rat model of photothrombotic ischemia and infarction within the caudoputamen. Stroke. 40 (1), 248-253 (2009).
- Bashkatov, A. N., Genina, E. A., Tuchin, V. V. . Handbook of biomedical optics. 83, (2011).
- Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. Optogenetics in neural systems. Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).
- Whishaw, I. Q., Whishaw, P., Gorny, B. The structure of skilled forelimb reaching in the rat: a movement rating scale. J Vis Exp. (18), e816 (2008).
- Jang, S. H. A review of corticospinal tract location at corona radiata and posterior limb of the internal capsule in human brain. NeuroRehabilitation. 24 (3), 279-283 (2009).
- Kim, D., et al. Longitudinal changes in resting-state brain activity in a capsular infarct model. J Cereb Blood Flow Metab. 35 (1), 11-119 (2014).
- Blasi, F., Whalen, M. J., Ayata, C. Lasting pure-motor deficits after focal posterior internal capsule white-matter infarcts in rats. J Cereb Blood Flow Metab. 35 (6), 977-984 (2015).
- Metz, G. A., Antonow-Schlorke, I., Witte, O. W. Motor improvements after focal cortical ischemia in adult rats are mediated by compensatory mechanisms. Behavioural brain research. 162 (1), 71-82 (2005).
