Kemirgenlerde Kapalı Başlı Hafif Travmatik Beyin Hasarının Preklinik Değerlendirmesi için Düşük Yoğunluklu Patlama Dalgası Modeli
Summary
Burada, hafif ila orta dereceli travmatik beyin hasarının nörobiyolojik ve patofizyolojik etkilerini araştırmak için kemirgenler için bir patlama dalgası modeli protokolü sunuyoruz. Patlamaya bağlı hafif ila orta dereceli travmatik beyin hasarının güvenilir ve tekrarlanabilir bir şekilde üretilmesini sağlayan basınç sensörleriyle donatılmış, gazla çalışan, tezgah üstü bir kurulum kurduk.
Abstract
Travmatik beyin hasarı (TBH) büyük ölçekli bir halk sağlığı sorunudur. Hafif TBI, nörotravmanın en yaygın şeklidir ve Amerika Birleşik Devletleri’nde çok sayıda tıbbi ziyarete neden olur. Şu anda TBI için FDA onaylı bir tedavi bulunmamaktadır. Askeri ilişkili, patlamaya bağlı TBI insidansının artması, etkili TBH tedavilerine olan acil ihtiyacı daha da vurgulamaktadır. Bu nedenle, insan patlaması ile ilişkili TBI’nın yönlerini özetleyen yeni klinik öncesi TBI hayvan modelleri, hafif ila orta dereceli TBI’nın altında yatan nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçlere yönelik araştırma çabalarını ve TBI için yeni terapötik stratejilerin geliştirilmesini büyük ölçüde ilerletecektir.
Burada, hafif ila orta derecede patlamaya bağlı TBI’nın moleküler, hücresel ve davranışsal etkilerinin araştırılması için güvenilir, tekrarlanabilir bir model sunuyoruz. Tutarlı test koşulları sağlamak için piezoelektrik basınç sensörleri ile donatılmış gazla çalışan bir şok tüpünden oluşan bir tezgah üstü kurulum kullanarak, kemirgenlerde kapalı kafalı, patlamaya bağlı hafif TBI için adım adım bir protokol açıklıyoruz. Kurduğumuz kurulumun faydaları, göreceli olarak düşük maliyeti, kurulum kolaylığı, kullanım kolaylığı ve yüksek verim kapasitesidir. Bu non-invaziv TBI modelinin diğer avantajları, patlama tepe aşırı basıncının ölçeklenebilirliğini ve kontrollü tekrarlanabilir sonuçların üretilmesini içerir. Bu TBH modelinin tekrarlanabilirliği ve alaka düzeyi, nörobiyolojik, nöropatolojik, nörofizyolojik ve davranışsal analizler de dahil olmak üzere bir dizi aşağı akış uygulamasında değerlendirilmiş ve bu modelin hafif ila orta dereceli TBI etiyolojisinin altında yatan süreçlerin karakterizasyonu için kullanılmasını desteklemektedir.
Introduction
Travmatik beyin hasarı (TBI), yalnızca Amerika Birleşik Devletleri’nde her yıl iki milyondan fazla hastane ziyaretine neden olmaktadır. Genellikle araba kazalarından, spor etkinliklerinden veya düşmelerden kaynaklanan hafif TBI, tüm TBH vakalarının yaklaşık %80’ini temsil eder1. Hafif TBI ‘sessiz hastalık’ olarak kabul edilir, çünkü hastalar genellikle ilk hakareti takip eden günlerde ve aylarda açık semptomlar yaşamaz, ancak daha sonraki yaşamlarında TBI ile ilişkili ciddi komplikasyonlar geliştirebilir2. Ayrıca, patlamaya bağlı hafif TBI, askerlik hizmeti üyeleri arasında yaygındır ve kronik CNS disfonksiyonu ile ilişkilendirilmiştir3,4,5,6. Patlamaya bağlı hafif TBI7,8 insidansının artması nedeniyle, hafif TBI ile ilişkili nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçlerin klinik öncesi modellenmesi, TBI için yeni terapötik müdahalelerin geliştirilmesinde odak noktası haline gelmiştir.
Tarihsel olarak, TBI araştırması, nispeten daha düşük sayıda şiddetli insan TBI vakasına rağmen, öncelikle ciddi nörotravma formlarına odaklanmıştır. Şiddetli insan TBH’si için klinik öncesi kemirgen modelleri, her ikisi de güvenilir patofizyolojik etkiler üretmek için iyi kurulmuş olan kontrollü kortikal etki (CCI)9,10 ve sıvı perküsyon hasarı (FPI)11 modelleri de dahil olmak üzere geliştirilmiştir12,13. Bu modeller, bugün TBI’da nöroinflamasyon, nörodejenerasyon ve nöronal onarım hakkında bilinenlerin temelini atmıştır. TBİ’nin patofizyolojisi hakkında önemli bilgiler geliştirilmiş olmasına rağmen, şu anda TBI için etkili, FDA onaylı bir tedavi bulunmamaktadır.
Daha yakın zamanlarda, TBI araştırmasının odak noktası, etkili terapötik müdahaleler geliştirme nihai hedefi ile TBI ile ilişkili patolojilerin daha geniş bir spektrumunu içerecek şekilde genişletilmiştir. Bununla birlikte, hafif TBH için ölçülebilir etkiler gösteren az sayıda preklinik model oluşturulmuştur ve hafif TBI spektrumunu araştıran sadece az sayıda çalışma yapılmıştır2,14,15. Hafif TBH, tüm TBH vakalarının büyük çoğunluğunu oluşturduğundan, yeni terapötik stratejiler geliştirmek için insan durumunun etiyolojisi ve nöropatofizyolojisi üzerine araştırmaları kolaylaştırmak için hafif TBI’nın güvenilir modellerine acilen ihtiyaç vardır.
Biyomedikal mühendisleri ve havacılık fizikçileri ile birlikte, hafif ila orta TBI için ölçeklenebilir, kapalı başlı bir patlama dalgası modeli oluşturduk. Bu klinik öncesi kemirgen modeli, askeri mücadelede, spor etkinliklerinde, araba kazalarında ve düşmelerde elde edilen hafif TBI ile ilişkili patlama dalgaları ve hızlanma / yavaşlama hareketi de dahil olmak üzere kuvvet dinamiklerinin etkilerini araştırmak için özel olarak geliştirilmiştir. Patlama dalgaları, insanlarda hafif TBI’ya neden olan kuvvet dinamikleri ile ilişkili olduğundan, bu model, inç kare başına pound (psi) * milisaniye (ms) olarak ölçülen bir dürtü ile tutarlı bir Friedlander dalga formu üretmek üzere tasarlanmıştır. Dürtü seviyesi, klinik öncesi araştırmalar yapmak için fareler ve sıçanlar için tanımlanmış akciğer öldürücülük eğrilerinin altına düşecek şekilde ölçeklendirilir16,17,18. Ek olarak, bu model, hayvanın başının hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve contrecoup yaralanmasının araştırılmasına izin verir. Bu tür yaralanmalar, hem askeri hem de sivil popülasyonlarda gözlenenler de dahil olmak üzere çeşitli klinik TBI sunumlarına özgüdür. Bu nedenle, bu çok yönlü model, TBI’nın çoklu klinik sunumlarını kapsayan bir ihtiyaca uygundur.
Burada sunulan preklinik model, daha önceki bir dizi çalışmanın gösterdiği gibi, klinik hafif TBI ile ilişkili güvenilir ve tekrarlanabilir patofizyolojik değişiklikler üretir17,19,20,21,22,23. Bu modelle yapılan çalışmalar, düşük yoğunluklu bir patlama dalgasına maruz kalan sıçanların nöroinflamasyon, aksonal yaralanma, mikrovasküler hasar, nöronal hasara bağlı biyokimyasal değişiklikler ve kısa süreli plastisite ve sinaptik uyarılabilirlikte eksiklikler sergilediğini göstermiştir19. Bununla birlikte, bu hafif TBI modeli, orta ila şiddetli invaziv TBI modellerinin kullanıldığı çalışmalarda yaygın olarak gözlenen doku hasarı, kanama, hematom ve kontüzyon19 dahil olmak üzere makroskopik nöropatolojik değişikliklere neden olmamıştır10,24. Önceki araştırmalar19,21,22,23, bu klinik öncesi modelin hafif ve orta derecede TBI17,19,20,21,22,23’ün etyolojisinin altında yatan nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçleri karakterize etmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu model aynı zamanda yeni terapötik bileşiklerin ve stratejilerin test edilmesine ve etkili TBI müdahalelerinin geliştirilmesi için yeni, uygun hedeflerin belirlenmesine izin verir19,21,22,23.
Bu model, kemirgenlerde moleküler, hücresel ve davranışsal sonuçlar üzerindeki hızlı dönme kuvvetlerinin yanı sıra patlama dalgalarının neden olduğu etkileri araştırmak için geliştirilmiştir. Burada sunulan patlama dalgası modeline benzer şekilde, gazla çalışan aşırı basınç dalgaları kullanarak hafif ila orta TBI’yı özetlemeye çalışan bir dizi klinik öncesi model geliştirilmiştir2,14,17,25,26,27,28. Diğer modellerin sınırlamalarından bazıları şunlardır: hayvan tel örgülü bir gurney’e sabitlenir ve kafa darbe üzerine hareketsiz hale getirilir; periferik organlar, politravmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini yaratan beyne ek olarak dalgaya maruz kalır; ve modeller büyük ve sabittir, bu da kritik parametrelerin değiştirilmesini ve insan TBI’sını anımsatan daha iyi model koşullarına uyarlanmasını sınırlar.
Bu tezgah üstü, gazla çalışan şok tüpü kurulumunun faydaları, satın alma ve çalıştırma giderleri için göreceli düşük maliyetinin yanı sıra kurulum ve kullanım kolaylığıdır. Ayrıca, kurulum yüksek verimli çalışmaya ve kontrollü tekrarlanabilir patlama dalgalarının üretilmesine ve hem farelerde hem de sıçanlarda in vivo sonuçlara izin verir. Tutarlı test koşullarını (yani, sabit patlama dalgası ve aşırı basınç) kontrol etmek için kurulum, basınç sensörleri ile donatılmıştır. Bu modelin TBI için avantajları, yaralanma şiddetinin ölçeklenebilirliğini ve hafif TBI’nın invaziv olmayan, kapalı başlı bir prosedür kullanılarak indüklenmesini içerir. Zirve aşırı basıncı ve ardından gelen beyin hasarı, tutarlı bir şekilde ölçeklenebilir bir şekilde daha kalın polyester membranlarla artar17. TBI şiddetini membran kalınlığı ile ölçeklendirme yeteneği, spesifik sonuç ölçümlerinin (örneğin, nöroinflamasyon) belirginleştiği seviyeyi belirlemek için yararlı bir araçtır. Periferik organlar için koruyucu kalkan sağlanması, akciğer veya torasik yaralanma gibi sistemik yaralanmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini önleyerek veya azaltarak hafif TBI mekanizmalarına odaklanmış araştırmalara da izin verir. Dahası, bu kurulum, patlama dalgasının kafaya çarptığı / nüfuz ettiği yönün seçilmesine izin verir (yani, kafa kafaya, yana, üste veya alta) ve bu nedenle farklı TBI kaynaklı hakaret türleri araştırılabilir. Burada tarif edilen hafif ila orta dereceli TBI’yı indüklemek için standart prosedür, hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve kontrekupa yaralanması ile birlikte patlama dalgası yaralanmasının etkilerini değerlendirmek için yan maruziyeti kullanır. Ayrıca, sadece patlamaya bağlı yaralanmayı araştırmak için, yukarıdan aşağıya patlama dalgasına maruz kalma bu modelde kullanılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, uygun maliyetli, kurulumu ve yürütülmesi kolay ve yüksek verimli, güvenilir ve tekrarlanabilir deneysel sonuçlara izin veren preklinik hafif TBI modelini sunuyoruz. Bu model, sistemik yaralanmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini sınırlarken, hafif TBI mekanizmalarına odaklanmış araştırmalara izin vermek için periferik organlara koruyucu kalkan sağlar. Buna karşılık, diğer patlama modellerinin periferik organlara zarar verdiği bilinmektedir2,39,40.<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet ve J. Robson’a TBI modelinin geliştirilmesine katkılarından dolayı teşekkür ederiz. Beyin ve Davranış Araştırma Vakfı’ndan (F.P. ve M.J.R.) NARSAD Genç Araştırmacı Hibeleri, Darrell K. Kraliyet Alzheimer Hastalığı Araştırma Fonu’ndan (F.P.) bir Araştırma Bursu ve bir PhRMA Vakfı Ödülü (M.J.R.) bu araştırmayı destekledi. Bu çalışma, Amerikan Farmasötik Eğitim Vakfı’ndan (A.F.L ve B.P.L.) DOKTORA ÖNCESI burslarla desteklenmiştir.
Materials
| 3/8 SAE High Pressure Hydraulic Hose | Eaton Aeroquip | R2-6-6-36M | Available from Grainger |
| 3/8'' Quick Connect Female Plugs | Karcher | KAR 86410440 | |
| 3/8'' Quick Connect Male Plugs | Karcher | KAR 86410440 | |
| ANY-maze video tracking software | Stoelting Co. | ANY-maze software | |
| Clear Mylar membrane | ePlastics.com | POLYCLR0.003 | http://www.eplastics.com/Plastic/Clear_Polyester_Film/POLYCLR0-003; Clear Mylar membrane is sold in various thicknesses. All are sold by vendor listed above. |
| Compound Slide Table (X2) | Grizzly Industrial | G5757 | |
| Deadman Gas Control Ball Valve | Coneraco Inc. | 71-502-01 | "Apollo", Available from Grainger |
| Driver and driven section (murine) | own design/production | n/a | For further information please contact the authors |
| Driver and driven section (rat) | own design/production | n/a | For further information please contact the authors |
| Ear Muffs | 3M | 37274 | Available from Grainger |
| Gas Regulator – Hi Flow 3500-600-580 | Harris | 3003539 | |
| Helium Gas | AirGas | HE 300 | Tanks are available in various sizes |
| Inhalation Anesthesia System | VetEquip | 901806 | |
| Input Module | National Instruments | NI 9223 | |
| Isoflurane | Baxter | NDC 10019-360-40 | Ordered by veterinarian |
| Laboratory Timer/Stopwatch | Fisher Scientific | 50-550-352 | |
| Labview version 12.0 | National Instruments | Data Acquistion Software | |
| Magnetic Dial Indicator/Micrometer | Grizzly Industrial | G9849 | |
| MATLAB | MathWorks | Software for pressure recording analysis | |
| Oxygen Regulator | Medline | HCS8725M | |
| PC for Data Processing | Dell | ||
| Polyvinylchloride Tubing – 25.4 mm | FORMUFIT | P001FGP-WH-40×3 | |
| Pressure sensors | PCB Piezotronics | 102A05 | |
| Receiver USB Chassis | National Instruments | DAQ-9171 | |
| Sensor Signal Conditioner | PCB Piezotronics | 482C series | |
| Stainless NSF-Rated Mounting Table | Gridmann | GR06-WT2448 | |
| T Handle Allen Wrench – 3/16'' | S&K | 73310 |
References
- Bazarian, J. J., et al. Mild traumatic brain injury in the United States, 1998–2000. Brain Injury. 19 (2), 85-91 (2005).
- Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Science Translational Medicine. 8 (321), (2016).
- Mac Donald, C. L., et al. Detection of blast-related traumatic brain injury in U.S. military personnel. New England Journal of Medicine. 364 (22), 2091-2100 (2011).
- Fischer, B. L., et al. Neural activation during response inhibition differentiates blast from mechanical causes of mild to moderate traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (2), 169-179 (2014).
- Peskind, E. R., et al. Cerebrocerebellar hypometabolism associated with repetitive blast exposure mild traumatic brain injury in 12 Iraq war Veterans with persistent post-concussive symptoms. Neuroimage. 54, 76-82 (2011).
- Jorge, R. E., et al. White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. American Journal of Psychiatry. 169 (12), 1284-1291 (2012).
- Hoge, C. W., et al. Mild traumatic brain injury in U.S. Soldiers returning from Iraq. New England Journal of Medicine. 358 (5), 453-463 (2008).
- Eskridge, S. L., et al. Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity. Injury. 43 (10), 1678-1682 (2012).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
- Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
- McIntosh, T. K., et al. Traumatic brain injury in the rat: characterization of a lateral fluid-percussion model. Neuroscience. 28 (1), 233-244 (1989).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
- Osier, N., Dixon, C. E. Mini Review of Controlled Cortical Impact: A Well-Suited Device for Concussion Research. Brain Sciences. 7 (7), (2017).
- Goldstein, L. E., et al. Chronic traumatic encephalopathy in blast-exposed military veterans and a blast neurotrauma mouse model. Science Translational Medicine. 4 (134), (2012).
- Rodriguez-Grande, B., et al. Gliovascular changes precede white matter damage and long-term disorders in juvenile mild closed head injury. Glia. 66 (8), 1663-1677 (2018).
- Bowen, I. G., Fletcher, E. R., Richmond, D. R., Hirsch, F. G., White, C. S. Biophysical mechanisms and scaling procedures applicable in assessing responses of the thorax energized by air-blast overpressures or by nonpenetrating missiles. Annals of the New York Academy of Sciences. 152 (1), 122-146 (1968).
- Turner, R. C., et al. Modeling clinically relevant blast parameters based on scaling principles produces functional & histological deficits in rats. Experimental Neurology. , 520-529 (2013).
- Lucke-Wold, B. P., et al. Elucidating the role of compression waves and impact duration for generating mild traumatic brain injury in rats. Brain Injury. 31 (1), 98-105 (2017).
- Hernandez, A., et al. Exposure to mild blast forces induces neuropathological effects, neurophysiological deficits and biochemical changes. Molecular Brain. 11 (1), 64 (2018).
- Bittar, A., et al. Neurotoxic tau oligomers after single versus repetitive mild traumatic brain injury. Brain Communications. 1 (1), (2019).
- Logsdon, A. F., et al. Salubrinal reduces oxidative stress, neuroinflammation and impulsive-like behavior in a rodent model of traumatic brain injury. Brain Research. 1643, 140-151 (2016).
- Lucke-Wold, B. P., et al. Bryostatin-1 Restores Blood Brain Barrier Integrity following Blast-Induced Traumatic Brain Injury. Molecular Neurobiology. 52 (3), 1119-1134 (2015).
- Logsdon, A. F., et al. Altering endoplasmic reticulum stress in a model of blast-induced traumatic brain injury controls cellular fate and ameliorates neuropsychiatric symptoms. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 421 (2014).
- Dixon, C. E., et al. A fluid percussion model of experimental brain injury in the rat. Journal of Neurosurgery. 67 (1), 110-119 (1987).
- Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. Journal of Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
- Budde, M. D., et al. Primary blast traumatic brain injury in the rat: relating diffusion tensor imaging and behavior. Frontiers in Neurology. 4, 154 (2013).
- Genovese, R. F., et al. Effects of mild TBI from repeated blast overpressure on the expression and extinction of conditioned fear in rats. Neuroscience. 254, 120-129 (2013).
- Kuriakose, M., Rama Rao, K. V., Younger, D., Chandra, N. Temporal and Spatial Effects of Blast Overpressure on Blood-Brain Barrier Permeability in Traumatic Brain Injury. Scientific Reports. 8 (1), 8681 (2018).
- Cernak, I., et al. The pathobiology of blast injuries and blast-induced neurotrauma as identified using a new experimental model of injury in mice. Neurobiology of Disease. 41 (2), 538-551 (2011).
- Prima, V., Serebruany, V. L., Svetlov, A., Hayes, R. L., Svetlov, S. I. Impact of moderate blast exposures on thrombin biomarkers assessed by calibrated automated thrombography in rats. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1881-1887 (2013).
- Mishra, V., et al. Primary blast causes mild, moderate, severe and lethal TBI with increasing blast overpressures: Experimental rat injury model. Scientific Reports. 6, 26992 (2016).
- Tompkins, P., et al. Brain injury: neuro-inflammation, cognitive deficit, and magnetic resonance imaging in a model of blast induced traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1888-1897 (2013).
- Kuriakose, M., et al. Tailoring the Blast Exposure Conditions in the Shock Tube for Generating Pure, Primary Shock Waves: The End Plate Facilitates Elimination of Secondary Loading of the Specimen. Public Library of Science One. 11 (9), 0161597 (2016).
- Panzer, M. B., et al. A Multiscale Approach to Blast Neurotrauma Modeling: Part I – Development of Novel Test Devices for in vivo and in vitro Blast Injury Models. Frontiers in Neurology. 3, 46 (2012).
- Logsdon, A. F., et al. A mouse Model of Focal Vascular Injury Induces Astrocyte Reactivity, Tau Oligomers, and Aberrant Behavior. Archives of Neuroscience. 4 (2), (2017).
- Lee, M. C., Klassen, A. C., Heaney, L. M., Resch, J. A. Respiratory rate and pattern disturbances in acute brain stem infarction. Stroke. 7 (4), 382-385 (1976).
- Ikeda, K., et al. The respiratory control mechanisms in the brainstem and spinal cord: integrative views of the neuroanatomy and neurophysiology. Journal of Physiological Sciences. 67 (1), 45-62 (2017).
- Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475 (7355), 196-200 (2011).
- Logsdon, A. F., et al. Blast exposure elicits blood-brain barrier disruption and repair mediated by tight junction integrity and nitric oxide dependent processes. Scientific Reports. 8 (1), 11344 (2018).
- Logsdon, A. F., et al. Nitric oxide synthase mediates cerebellar dysfunction in mice exposed to repetitive blast-induced mild traumatic brain injury. Scientific Reports. 10 (1), 9420 (2020).
- Huber, B. R., et al. Blast exposure causes dynamic microglial/macrophage responses and microdomains of brain microvessel dysfunction. Neuroscience. 319, 206-220 (2016).
- Gama Sosa, M. A., et al. Low-level blast exposure disrupts gliovascular and neurovascular connections and induces a chronic vascular pathology in rat brain. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 6 (2019).
- Abutarboush, R., et al. Exposure to Blast Overpressure Impairs Cerebral Microvascular Responses and Alters Vascular and Astrocytic Structure. Journal of Neurotrauma. 36 (22), 3138-3157 (2019).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews: Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Petraglia, A. L., et al. Concussion in the absence of head impact: a case in a collegiate hammer thrower. Current Sports Medicine Reports. 14 (1), 11-15 (2015).
- Viano, D. C., Casson, I. R., Pellman, E. J. Concussion in professional football: biomechanics of the struck player–part 14. Neurosurgery. 61 (2), 313-327 (2007).
