Торакальный спинной мозг гемисекции хирургии и открытого поля локомоторной оценки в Крыса
Summary
Крыса грудной позвоночных гемисекции позвоночника является ценным и воспроизводимой моделью одностороннего повреждения спинного мозга для изучения нервных механизмов локомоторного восстановления и эффективности лечения. Эта статья включает в себя подробное пошаговое руководство для выполнения процедуры гемисекции и оценки работы локомотивов на арене открытого поля.
Abstract
Повреждение спинного мозга (SCI) вызывает нарушения в двигательной, сенсорной и вегетативной функции ниже уровня поражения. Экспериментальные модели животных являются ценными инструментами для понимания нервных механизмов, участвующих в восстановлении локомотивов после SCI и для разработки методов лечения для клинических популяций. Есть несколько экспериментальных моделей SCI, включая ушиб, сжатие и транссекционные травмы, которые используются в самых различных видов. Гемисекция включает в себя односторонний перерезка спинного мозга и нарушает все восходящие и нисходящие участки только на одной стороне. Спинной гемисекции производит очень селективной и воспроизводимой травмы по сравнению с ушибом или сжатия методы, которые полезны для исследования нервной пластичности в избавленных и поврежденных путей, связанных с функциональным восстановлением. Мы представляем подробный пошаговой протокол для выполнения грудной гемисекции на уровне T8 позвонков у крысы, что приводит к первоначальному параличу задней конечности на стороне поражения с градуированным спонтанное восстановление функции локомотива в течение нескольких Недель. Мы также предоставляем протокол оценки функционального восстановления в открытом поле. Локомоторная оценка обеспечивает линейный профиль восстановления и может быть выполнена как рано, так и неоднократно после травмы, с тем чтобы точно проверить животных на соответствующие временные точки, в которых для проведения более специализированного поведенческого тестирования. Представленный метод гемисекции может быть легко адаптирован к другим моделям и видам транссекции, а оценка локомотива может быть использована в различных МОЦ и других моделях травм для оценки функции локомотива.
Introduction
Повреждение спинного мозга (SCI) связано с серьезными нарушениями в двигательной, сенсорной и вегетативной функции. Экспериментальные животные модели SCI являются ценными инструментами для понимания анатомических и физиологических событий, связанных с патологией SCI, для исследования нервных механизмов в ремонте и восстановлении, а также для проверки эффективности и безопасности потенциальных терапевтических Мероприятий. Крыса является наиболее часто используемых видов в исследовании SCI1. Крысиные модели являются низкими затратами, легко размножаются, и большая батарея поведенческих тестов доступны для оценки функциональных результатов2. Несмотря на некоторые различия в расположении тракта, крыса спинного мозга акций в целом аналогичные функции сенсорной с более крупными млекопитающими, в том числе приматов3,4. Крысы также разделяют аналогичные физиологические и поведенческие последствия ДЛЯ SCI, которые относятся к людям5. Нечеловеческие приматы и крупные модели животных могут обеспечить более близкое приближение человека SCI6 и имеют важное значение для доказательства безопасности лечения и эффективности до экспериментов человека, но менее часто используются из-за этических и благополучия животных соображения, расходы и нормативные требования7.
Крыса transection SCI модели выполняются целевым прерыванием спинного мозга с селективным повреждением с помощью вскрытия нож или иридэктомии ножницы после ламинэктомии. По сравнению с полной transection, частичный transection в крысы приводит к менее тяжелой травмы, легче послеоперационного ухода за животными, спонтанное восстановление локомотива, и более тесно модели SCI у людей, которые преимущественно неполным с частичной щадящей ткани, соединяющие спинной мозг и надспинальные структуры8. Односторонняя гемисекция нарушает все восходящие и нисходящие участки только с одной стороны, и производит количественно и высоко воспроизводимый дефицит локомотиводвигателей, усиливая изучение основных биологических механизмов. Наиболее заметным функциональным следствием гемисекции является первоначальный паралич конечностей на той же стороне и ниже уровня поражения с градуированным спонтанное восстановление локомотивной функции в течение нескольких недель9,10, 11 Год , 12. Модель гемисекции особенно полезна для исследования нервной пластичности поврежденных и остаточных трактов и схем, связанных с функциональным восстановлением9,11,12, 13,14,15,16,17,18. В частности, гемисекция выполняется на грудном уровне, т.е., выше спинного цепи, которые контролируют движение hindlimb, особенно полезно для исследования изменений в локомоторном контроле. Поскольку существует нелинейная связь между тяжестью поражения и восстановлением локомотора после SCI19,соответствующее поведенческое тестирование для оценки функциональных исходов имеет первостепенное значение в экспериментальных моделях.
Всеобъемлющая батарея поведенческих тестов доступны для оценки конкретных аспектов функционального восстановления локомотива у крысы2,20. Многие локомоторные тесты не обеспечивают надежные меры на ранней стадии после SCI, как крысы слишком отключены, чтобы поддерживать их вес тела. Мера спонтанной производительности локомотива, который чувствителен к дефициту рано после травмы, и не требует предоперационной подготовки или специализированного оборудования, является полезным для того, чтобы контролировать восстановление локомотива для соответствующих точек времени, в которых дополнять специализированное поведенческое тестирование. Мартинес открытого поля оценки оценка10, первоначально разработанный для оценки работы локомотива после шейки матки SCI в крысы, является 20-точечный ординатор оценки глобальной работы локомотива во время спонтанного наземного передвижения в открытое поле. Скоринг проводится отдельно для каждой конечности с помощью рубрики, которая оценивает конкретные параметры ряда локомоторных мер, включая движение суставных конечностей, поддержку веса, положение в цифре, способности шага, координацию передних конечностей и хвост Позиции. Оценка оценки происходит от Basso, Битти и Bresnahan (BBB) открытого поля рейтинговая шкала предназначена для оценки локомоторной производительности после грудной контузии21. Он адаптирован для точной и надежной оценки как передних конечностей, так и функции локомотива, позволяет независимую оценку различных параметров скоринга, которые не поддаются иерархическому скорингу BBB, и обеспечивает линейное восстановление профиль10. Кроме того, по сравнению с BBB, оценка оценка чувствительна и надежна в более тяжелых моделей травм10,11,20,22. Оценка оценка была использована для оценки нарушения локомотива у крысы после шейки матки10,12 и грудной9 SCI в одиночку и в сочетании с черепно-мозговой травмой23.
Мы представляем здесь подробный пошаговый протокол для выполнения грудной гемисекции SCI на уровне T8 позвонков у самки крысы Лонг-Эванс, а также для оценки восстановления локомоторного локомотора задних конечностей в открытом поле.
Protocol
Representative Results
Discussion
Основной силой метода гемисекции является избирательность и воспроизводимость поражения, что приводит к снижению изменчивости гистологических и поведенческих фенотипов между животными25. Для того, чтобы обеспечить одностороннее повреждение на соответствующем уровне по…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Канадскими институтами исследований в области здравоохранения (CIHR; MOP-142288) м.м.м. была поддержана наградой по заработной плате от Fonds de Recherche Квебек Аканте (ФРЗС), а A.R.B была поддержана стипендией от ФРЗС.
Materials
| Baytril | CDMV | 11242 | |
| Blunt dissection scissors | World Precision Instruments | 503669 | |
| Buprenorphine hydrochoride | CDMV | ||
| Camera lens | Pentax | C31204TH | 12.5-75mm, f1.8, 2/3" format, C-mount |
| CMOS video camera | Basler | acA2000-165uc | 2/3" format, 2048 x 1088 pixels, up to 165 fps, C-mount, USB3 |
| Compressed oxygen gas | Praxair | ||
| Cotton tipped applicators | CDMV | 108703 | |
| Delicate bone trimmers | Fine Science Tools | 16109-14 | |
| Dissecting knife | Fine Science Tools | 10055-12 | |
| Dumont fine forceps (#5) | Fine Science Tools | 11254-20 | |
| Ethicon Vicryl 4/0 Violet Braided FS-2 suture (J392H) | CDMV | 111689 | |
| Feedback-controlled heating pad | Harvard Apparatus | 55-7020 | |
| Female Long-Evans rats | Charles River Laboratories | Strain code: 006 | 225-250g |
| Gelfoam | CDMV | 102348 | |
| Curved hemostat forceps | Fine Science Tools | 13003-10 | |
| Hot bead sterilizer | Fine Science Tools | 18000-45 | |
| Hydrogel | 70-01-5022 | Clear H20 | |
| Isofluorane | CDMV | 118740 | |
| Lactated Ringer's solution | CDMV | 116373 | |
| Lidocaine (2%) | CDMV | 123684 | |
| Needle 30 ga | CDMV | 4799 | |
| Open-field area | Custom | Circular Plexiglas arena 96 cm diameter, 40 cm wall height | |
| Opthalmic ointment | CDMV | 110704 | |
| Personal computer | With USB3 connectivity to record video with the listed camera | ||
| Physiological saline | CDMV | 1399 | |
| Proviodine | CDMV | 4568 | |
| Rodent Liquid Diet | Bioserv | F1268 | |
| Scalpal blade #11 | CDMV | 6671 | |
| Self-retaining retractor | World Precision Instruments | 14240 | |
| Vannas iridectomy spring scissors | Fine Science Tools | 15002-08 | |
| Veterinary Anesthesia Machine and isofluarane vaporizer | Dispomed | 975-0510-000 | |
| VLC media player | VideoLAN | videolan.org/vlc |
References
- Sharif-Alhoseini, M., et al. Animal models of spinal cord injury: a systematic review. Spinal Cord. 55 (8), 714-721 (2017).
- Sedy, J., Urdzikova, L., Jendelova, P., Sykova, E. Methods for behavioral testing of spinal cord injured rats. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 32 (3), 550-580 (2008).
- Butler, A. B., Hodos, W. . Comparative Vertebrate Neuroanatomy: Evolution and Adaptation. , 139-152 (2005).
- Nudo, R. J., Masterton, R. B. Descending pathways to the spinal cord: a comparative study of 22 mammals. Journal of Comparative Neurology. 277 (1), 53-79 (1988).
- Metz, G. A., et al. Validation of the weight-drop contusion model in rats: a comparative study of human spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 17 (1), 1-17 (2000).
- Friedli, L., et al. Pronounced species divergence in corticospinal tract reorganization and functional recovery after lateralized spinal cord injury favors primates. Science Translational Medicine. 7 (302), 302ra134 (2015).
- Talac, R., et al. Animal models of spinal cord injury for evaluation of tissue engineering treatment strategies. Biomaterials. 25 (9), 1505-1510 (2004).
- Kwon, B. K., Oxland, T. R., Tetzlaff, W. Animal models used in spinal cord regeneration research. Spine. 27 (14), 1504-1510 (2002).
- Brown, A. R., Martinez, M. Ipsilesional motor cortex plasticity participates in spontaneous hindlimb recovery after lateral hemisection of the thoracic spinal cord in the rat. Journal of Neuroscience. 38 (46), 9977-9988 (2018).
- Martinez, M., Brezun, J. M., Bonnier, L., Xerri, C. A new rating scale for open-field evaluation of behavioral recovery after cervical spinal cord injury in rats. Journal of Neurotrauma. 26 (7), 1043-1053 (2009).
- Martinez, M., Brezun, J. M., Zennou-Azogui, Y., Baril, N., Xerri, C. Sensorimotor training promotes functional recovery and somatosensory cortical map reactivation following cervical spinal cord injury. European Journal of Neuroscience. 30 (12), 2356-2367 (2009).
- Martinez, M., et al. Differential tactile and motor recovery and cortical map alteration after C4-C5 spinal hemisection. Experimental Neurology. 221 (1), 186-197 (2010).
- Leszczynska, A. N., Majczynski, H., Wilczynski, G. M., Slawinska, U., Cabaj, A. M. Thoracic hemisection in rats results in initial recovery followed by a late decrement in locomotor movements, with changes in coordination correlated with serotonergic innervation of the ventral horn. PLoS One. 10 (11), e0143602 (2015).
- Ballermann, M., Fouad, K. Spontaneous locomotor recovery in spinal cord injured rats is accompanied by anatomical plasticity of reticulospinal fibers. European Journal of Neuroscience. 23 (8), 1988-1996 (2006).
- Garcia-Alias, G., et al. Chondroitinase ABC combined with neurotrophin NT-3 secretion and NR2D expression promotes axonal plasticity and functional recovery in rats with lateral hemisection of the spinal cord. Journal of Neuroscience. 31 (49), 17788-17799 (2011).
- Petrosyan, H. A., et al. Neutralization of inhibitory molecule NG2 improves synaptic transmission, retrograde transport, and locomotor function after spinal cord injury in adult rats. Journal of Neuroscience. 33 (9), 4032-4043 (2013).
- Schnell, L., et al. Combined delivery of Nogo-A antibody, neurotrophin-3 and the NMDA-NR2d subunit establishes a functional ‘detour’ in the hemisected spinal cord. The European journal of neuroscience. 34 (8), 1256-1267 (2011).
- Shah, P. K., et al. Use of quadrupedal step training to re-engage spinal interneuronal networks and improve locomotor function after spinal cord injury. Brain. 136, 3362-3377 (2013).
- Schucht, P., Raineteau, O., Schwab, M. E., Fouad, K. Anatomical correlates of locomotor recovery following dorsal and ventral lesions of the rat spinal cord. Experimental Neurology. 176 (1), 143-153 (2002).
- Metz, G. A., Merkler, D., Dietz, V., Schwab, M. E., Fouad, K. Efficient testing of motor function in spinal cord injured rats. Brain Research. 883 (2), 165-177 (2000).
- Basso, D. M., Beattie, M. S., Bresnahan, J. C. A sensitive and reliable locomotor rating scale for open field testing in rats. Journal of Neurotrauma. 12 (1), 1-21 (1995).
- Barros Filho, T. E. P. d., Molina, A. E. I. S. Analysis of the sensitivity and reproducibility of the Basso, Beattie, Bresnahan (BBB) scale in Wistar rats. Clinics (Sao Paulo, Brazil). 63 (1), 103-108 (2008).
- Inoue, T., et al. Combined SCI and TBI: recovery of forelimb function after unilateral cervical spinal cord injury (SCI) is retarded by contralateral traumatic brain injury (TBI), and ipsilateral TBI balances the effects of SCI on paw placement. Experimental Neurology. 248, 136-147 (2013).
- Vichaya, E. G., Baumbauer, K. M., Carcoba, L. M., Grau, J. W., Meagher, M. W. Spinal glia modulate both adaptive and pathological processes. Brain, Behavior, and Immunity. 23 (7), 969-976 (2009).
- Ahmed, R. U., Alam, M., Zheng, Y. -. P. Experimental spinal cord injury and behavioral tests in laboratory rats. Heliyon. 5 (3), e01324 (2019).
- Ham, T. R., et al. Automated gait analysis detects improvements after intracellular sigma peptide administration in a rat hemisection model of spinal cord injury. annals of biomedical engineering. 47 (3), 744-753 (2019).
- Hamers, F. P. T., Koopmans, G. C., Joosten, E. A. J. CatWalk-assisted gait analysis in the assessment of spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 23 (3-4), 537-548 (2006).
- Neckel, N. D., Dai, H. N., Burns, M. P. A novel multidimensional analysis of rodent gait reveals the compensation strategies employed during spontaneous recovery from spinal cord and traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. , (2018).
- Fouad, K., Metz, G. A. S., Merkler, D., Dietz, V., Schwab, M. E. Treadmill training in incomplete spinal cord injured rats. Behavioural Brain Research. 115 (1), 107-113 (2000).
- Thibaudier, Y., et al. Interlimb coordination during tied-belt and transverse split-belt locomotion before and after an incomplete spinal cord injury. Journal of Neurotrauma. 34 (9), 1751-1765 (2017).
- Alluin, O., et al. Kinematic study of locomotor recovery after spinal cord clip compression injury in rats. Journal of Neurotrauma. 28 (9), 1963-1981 (2011).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Effect of locomotor training in completely spinalized cats previously submitted to a spinal hemisection. Journal of Neuroscience. 32 (32), 10961-10970 (2012).
- Behrmann, D. L., Bresnahan, J. C., Beattie, M. S., Shah, B. R. Spinal cord injury produced by consistent mechanical displacement of the cord in rats: behavioral and histologic analysis. Journal of Neurotrauma. 9 (3), 197-217 (1992).
- Soblosky, J. S., Colgin, L. L., Chorney-Lane, D., Davidson, J. F., Carey, M. E. Ladder beam and camera video recording system for evaluating forelimb and hindlimb deficits after sensorimotor cortex injury in rats. Journal of Neuroscience Methods. 78 (1-2), 75-83 (1997).
- Bareyre, F. M., et al. The injured spinal cord spontaneously forms a new intraspinal circuit in adult rats. Nature Neuroscience. 7 (3), 269-277 (2004).
- Courtine, G., et al. Recovery of supraspinal control of stepping via indirect propriospinal relay connections after spinal cord injury. Nature Medicine. 14 (1), 69-74 (2008).
- van den Brand, R., et al. Restoring voluntary control of locomotion after paralyzing spinal cord injury. Science. 336 (6085), 1182-1185 (2012).
- Lukovic, D., et al. Complete rat spinal cord transection as a faithful model of spinal cord injury for translational cell transplantation. Scientific Reports. 5, 9640-9640 (2015).
- Wilson, S., et al. The hemisection approach in large animal models of spinal cord injury: overview of methods and applications. Journal of Investigative Surgery. 10, 1-12 (2018).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Incomplete spinal cord injury promotes durable functional changes within the spinal locomotor circuitry. Journal of Neurophysiology. 108 (1), 124-134 (2012).
- Martinez, M., Delivet-Mongrain, H., Leblond, H., Rossignol, S. Recovery of hindlimb locomotion after incomplete spinal cord injury in the cat involves spontaneous compensatory changes within the spinal locomotor circuitry. Journal of Neurophysiology. 106 (4), 1969-1984 (2011).
- Capogrosso, M., et al. A brain–spine interface alleviating gait deficits after spinal cord injury in primates. Nature. 539, 284-288 (2016).
