Een schaalbaar model om de effecten van blunt-force letsel bij volwassen zebravissen te bestuderen
Summary
We hebben het Marmarou-gewichtsverliesmodel voor volwassen zebravissen aangepast om een breed scala aan pathologieën te onderzoeken na traumatisch hersenletsel met stompe kracht (TBI) en de mechanismen die ten grondslag liggen aan de daaropvolgende neuronale regeneratie. Dit Botte kracht TBI-model is schaalbaar, induceert een milde, matige of ernstige TBI en vat heterogeniteit van letsel samen die wordt waargenomen bij menselijke TBI.
Abstract
Stomp-kracht traumatisch hersenletsel (TBI) is de meest voorkomende vorm van hoofdtrauma, die een reeks ernst omvat en resulteert in complexe en heterogene secundaire effecten. Hoewel er geen mechanisme is om de verloren neuronen na een TBI bij mensen te vervangen of te regenereren, bezitten zebravissen het vermogen om neuronen in hun hele lichaam te regenereren, inclusief de hersenen. Om de breedte van de pathologieën te onderzoeken die worden vertoond bij zebravissen na een stompe kracht TBI en om de mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan de daaropvolgende neuronale regeneratieve respons, hebben we de veelgebruikte knaagdier Marmarou-gewichtsdaling aangepast voor gebruik bij volwassen zebravissen. Ons eenvoudige TBI-model met stompe kracht is schaalbaar, induceert een milde, matige of ernstige TBI en vat veel van de fenotypen samen die worden waargenomen na menselijke TBI, zoals contact- en posttraumatische aanvallen, oedeem, subdurale en intracerebrale hematomen en cognitieve stoornissen, elk weergegeven op een ernstafhankelijke manier van letsel. TBI-sequelae, die binnen enkele minuten na de verwonding beginnen te verschijnen, verdwijnen en keren binnen 7 dagen na het letsel terug naar bijna onbeschadigde controleniveaus. Het regeneratieve proces begint al 48 uur na het letsel (hpi), waarbij de piekcelproliferatie wordt waargenomen door 60 hpi. Ons TBI-model met stompe kracht van zebravissen produceert dus karakteristieke primaire en secundaire TBI-pathologieën die vergelijkbaar zijn met menselijke TBI, waardoor het begin en de progressie van ziekten kunnen worden onderzocht, samen met de mechanismen van neuronale regeneratie die uniek zijn voor zebravissen.
Introduction
Traumatisch hersenletsel (TBI’s) is een wereldwijde gezondheidscrisis en een belangrijke oorzaak van overlijden en invaliditeit. In de Verenigde Staten ervaren ongeveer 2,9 miljoen mensen elk jaar een TBI en tussen 2006-2014 nam de mortaliteit als gevolg van TBI- of TBI-sequelae met meer dan 50% toe 1. TBI’s variëren echter in hun etiologie, pathologie en klinische presentatie grotendeels als gevolg van het mechanisme van letsel (MOI), dat ook van invloed is op behandelingsstrategieën en voorspelde prognose2. Hoewel TBI’s het gevolg kunnen zijn van verschillende MOI, zijn ze voornamelijk het resultaat van een doordringend of stomp krachttrauma. Penetrerende trauma’s vertegenwoordigen een klein percentage TBI’s en genereren een ernstig en focal letsel dat is gelokaliseerd in de onmiddellijke en omliggende gespietste hersengebieden3. Daarentegen komen TBI’s met stompe kracht vaker voor in de algemene bevolking, omvatten ze een reeks ernst (mild, matig en ernstig) en produceren ze een diffuus, heterogeen en wereldwijd letsel dat meerdere hersengebieden treft1,4,5.
Zebravissen (Danio rerio) zijn gebruikt om een breed scala aan neurologische beledigingen te onderzoeken die het centrale zenuwstelsel (CZS) overspannen 6,7,8,9. Zebravissen bezitten ook, in tegenstelling tot zoogdieren, een aangeboren en robuuste regeneratieve reactie om CNS-schade te herstellen10. Huidige zebravistraumamodellen gebruiken verschillende verwondingsmethoden, waaronder penetratie, excisie, chemische belediging of drukgolven11,12,13,14,15,16. Elk van deze methoden maakt echter gebruik van een MOI die zelden wordt ervaren door de menselijke bevolking, niet schaalbaar is over een reeks ernst van letsels en niet de heterogeniteit of ernstafhankelijke TBI-gevolgen aanpakt die worden gerapporteerd na stompe kracht TBI. Deze factoren beperken het gebruik van het zebravismodel om de onderliggende mechanismen van de pathologieën geassocieerd met de meest voorkomende vorm van TBI in de menselijke populatie (milde stompkrachtletsels) te begrijpen.
We wilden een snel en schaalbaar TBI-zebravismodel met stompe kracht ontwikkelen dat mogelijkheden biedt om letselpathologie, progressie van TBI-sequela en de aangeboren regeneratieve respons te onderzoeken. We pasten het veelgebruikte knaagdier Marmarou17-gewichtsdaling aan en pasten het toe op volwassen zebravissen. Dit model levert een reproduceerbaar bereik van ernst op, variërend van mild, matig tot ernstig. Dit model vat ook meerdere facetten van menselijke TBI-pathologie samen, op een ernstafhankelijke manier, waaronder toevallen, oedeem, subdurale en intracerebrale hematomen, neuronale celdood en cognitieve tekorten, zoals leer- en geheugenstoornissen. Dagen na het letsel verdwijnen pathologieën en tekorten en keren ze terug naar niveaus die lijken op onbeschadigde controles. Bovendien vertoont dit zebravismodel een robuuste proliferatie- en neuronale regeneratierespons over de neuroaxis met betrekking tot de ernst van het letsel.
Hier geven we details over het opzetten en inductie van stompkrachttrauma, het scoren van posttraumatische aanvallen, beoordeling van vasculaire verwondingen, instructies voor het voorbereiden van hersensecties, benaderingen voor het kwantificeren van oedeem en inzicht in de proliferatieve respons na letsel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onderzoeken naar neurotrauma en bijbehorende gevolgen zijn al lang gericht op traditionele niet-regeneratieve knaagdiermodellen20. Pas onlangs hebben studies verschillende vormen van CZS-schade toegepast op regeneratieve modellen9,11,13,14,21. Hoewel inzichtelijk, worden deze modellen beperkt door hun gebruik van een verwondingsmethode …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de Hyde-lableden bedanken voor hun doordachte discussies, de technici van het Freimann Life Sciences Center voor zebravisverzorging en -houderij en de University of Notre Dame Optical Microscopy Core / NDIIF voor het gebruik van instrumenten en hun diensten. Dit werk werd ondersteund door het Center for Zebrafish Research aan de Universiteit van Notre Dame, het Centrum voor Stamcellen en Regeneratieve Geneeskunde aan de Universiteit van Notre Dame, en subsidies van het National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), het National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) en de Pat Tillman Scholarship (JTH).
Materials
| 2-phenoxyethanol | Sigma Alderich | 77699 | |
| #00 buckshot | Remington | RMS23770 | 3.3g weight for sTBI |
| #3 buckshot | Remington | RMS23776 | 1.5g weight for miTBI/moTBI |
| #5 Dumont forceps | WPI | 14098 | |
| 5-ethynyl-2’-deoxyuridine | Life Technologies | A10044 | EdU |
| 5ml glass vial | VWR | 66011-063 | |
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit | Life Technologies | C10340 | |
| CytoOne 12-well plate | USA Scientific | CC7682-7512 | |
| Instant Ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Super frost postiviely charged slides | VWR | 48311-703 | |
| Super PAP Pen Liquid Blocker | Ted Pella | 22309 | |
| Tissue freezing medium | VWR | 15148-031 |
References
- Centers for Disease Control and Prevention. Surveillance Report of Traumatic Brain Injury-related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths-United States, 2014. Centers for Disease Control and Prevention, U.S. Department of Health and Human Services. , (2019).
- Galgano, M., et al. Traumatic brain injury: current treatment strategies and future endeavors. Cell transplantation. 26 (7), 1118-1130 (2017).
- Santiago, L. A., Oh, B. C., Dash, P. K., Holcomb, J. B., Wade, C. E. A clinical comparison of penetrating and blunt traumatic brain injuries. Brain injury. 26 (2), 107-125 (2012).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31 (6), 379-387 (2016).
- Faul, M., Xu, L., Wald, M., Coronado, V. . Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations and Deaths. , (2010).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology. 342 (1), 26-38 (2010).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Alyenbawwi, H., et al. Seizures are a druggable mechanistic link between TBI and subsequent tauopathy. eLife. 10, 58744 (2021).
- Kaslin, J., Kroehne, V., Ganz, J., Hans, S., Brand, M. Distinct roles of neuroepithelia-like and radial glia-like progenitor cells in cerebellar regeneration. Development. 144 (8), 1462-1471 (2017).
- McCutcheon, V., et al. A novel model of traumatic brain injury in adult zebrafish demonstrates response to injury and treatment comparable with mammalian models. Journal of Neurotrauma. 34 (7), 1382-1393 (2017).
- Skaggs, K., Goldman, D., Parent, J. Excitotoxic brain injury in adult zebrafish stimulates neurogenesis and long-distance neuronal integration. Glia. 62 (12), 2061-2079 (2014).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Mussulini, B. H., et al. Seizures induced by pentylenetetrazole in the adult zebrafish: a detailed behavioral characterization. PloS One. 8 (1), 54515 (2013).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injuries. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Amamoto, R., et al. Adult axolotls can regenerate original neuronal diversity in response to brain injury. eLife. 5, 13998 (2016).
- Yamamoto, S., Levin, H., Prough, D. Mild, moderate and severe: terminology implications for clinical and experimental traumatic brain injury. Current Opinion in Neurology. 31 (6), 672-680 (2008).
- Lund, S., et al. Moderate traumatic brain injury, acute phase course and deviations in physiological variables: an observational study. Scandinavian Journal of Trauma Resuscitation and Emergency Medicine. 24, 77 (2016).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14 (5), 506-517 (2015).
- Ruff, R. M., et al. Recommendations for diagnosing a mild traumatic brain injury: a National Academy of Neuropsychology education paper. Archives of Clinical Neuropsychology: The Official Journal of the National Academy of Neuropsychologists. 24 (1), 3-10 (2009).
- Ganz, J., Brand, M. Adult neurogenesis in fish. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 8 (7), 019018 (2016).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration and cell fate. Developmental Biology. 295, 263-277 (2006).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Review of Visual Science. 6, 171-193 (2020).
