Modellering af neonatal intraventrikulær blødning gennem intraventrikulær injektion af hæmoglobin
Summary
Vi præsenterer en model af neonatal intraventrikulær blødning ved hjælp af rottehvalpe, der efterligner den patologi, der ses hos mennesker.
Abstract
Neonatal intraventrikulær blødning (IVH) er en almindelig konsekvens af for tidlig fødsel og fører til hjerneskade, posthemorragisk hydrocephalus (PHH) og livslang neurologisk underskud. Mens PHH kan behandles ved midlertidige og permanente cerebrospinalvæske (CSF) afledningsprocedurer (henholdsvis ventrikulært reservoir og ventriculoperitoneal shunt), er der ingen farmakologiske strategier til forebyggelse eller behandling af IVH-induceret hjerneskade og hydrocephalus. Dyremodeller er nødvendige for bedre at forstå patofysiologien af IVH og teste farmakologiske behandlinger. Mens der er eksisterende modeller af neonatal IVH, er de, der pålideligt resulterer i hydrocephalus, ofte begrænset af nødvendigheden af store volumeninjektioner, hvilket kan komplicere modellering af patologien eller indføre variabilitet i den observerede kliniske fænotype.
Nylige kliniske undersøgelser har impliceret hæmoglobin og ferritin i at forårsage ventrikulær udvidelse efter IVH. Her udvikler vi en ligetil dyremodel, der efterligner den kliniske fænotype af PHH ved hjælp af små volumen intraventrikulære injektioner af blodnedbrydningsproduktet hæmoglobin. Ud over pålideligt at inducere ventrikulær udvidelse og hydrocephalus resulterer denne model i hvidstofskade, betændelse og immuncelleinfiltration i periventrikulære og hvide stofområder. Dette papir beskriver denne klinisk relevante, enkle metode til modellering af IVH-PHH hos neonatale rotter ved hjælp af intraventrikulær injektion og præsenterer metoder til kvantificering af ventrikel størrelse efter injektion.
Introduction
Neonatal IVH stammer fra den germinale matrix, et sted med hurtig celledeling, der støder op til de laterale ventrikler i den udviklende hjerne. Denne meget vaskulære struktur er sårbar over for hæmodynamisk ustabilitet relateret til for tidlig fødsel. Blod frigives i de laterale ventrikler i germinal matrixblødning (GMH) -IVH, når skrøbelige blodkar inden for germinalmatrixen brister. I tilfælde af klasse IV IV kan periventrikulær hæmoragisk infarkt også bidrage til frigivelse af blodprodukter i hjernen. 1 Kombinationen af GMH-IVH kan forårsage PHH, især efter højkvalitetsblødning (grad III og IV)1. PHH kan behandles med placering af en ventriculoperitoneal shunt, men shuntplacering vender ikke den hjerneskade, der kan opstå ved IVH. Selvom moderne neonatal intensiv pleje har sænket satserne på IVH2, 3, er der ingen specifikke behandlinger for hjerneskade eller hydrocephalus forårsaget af IVH, når det er sket. En væsentlig begrænsning i udviklingen af forebyggende behandlinger for IVH-induceret hjerneskade og PHH er den ufuldstændige forståelse af IVH-patofysiologi.
For nylig har tidlige CSF-niveauer af vigtige blodnedbrydningsprodukthæmoglobin vist sig at være forbundet med den senere udvikling af PHH hos nyfødte med IVH4 af høj kvalitet. Desuden er CSF-niveauer af jernhåndteringsvejproteiner – hæmoglobin, ferritin og bilirubin – forbundet med ventrikelstørrelse i neonatal IVH. Dette blev også vist i en multicenterkohorte af spædbørn med for tidlig PHH, hvor højere ventrikulære CSF-niveauer af ferritin var forbundet med større ventrikel størrelse5.
I denne undersøgelse udviklede vi en klinisk relevant model af IVH-induceret hjerneskade og hydrocephalus ved hjælp af hæmoglobininjektion i hjernens ventrikler, hvilket muliggør kvantificering af hjerneskade og PHH og test af nye terapeutiske strategier (figur 1)6, 7. Denne IVH-model anvender neonatale rotteunger, som placeres under generel anæstesi i løbet af proceduren. Et midterlinjesnit foretages i hovedbunden, og koordinater afledt af kraniets landemærker – bregma eller lambda – bruges til at målrette de laterale ventrikler til injektion. Langsom injektion ved hjælp af en infusionspumpe leverer hæmoglobin ind i ventriklen. Denne protokol er nem at bruge, alsidig og kan modellere forskellige komponenter i IVH, der resulterer i PHH.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne IVH-model ved hjælp af hæmoglobininjektion giver mulighed for undersøgelse af patologien af IVH specifikt medieret af hæmoglobin. Til komplementære undersøgelser kan hæmoglobin også let leveres in vitro og forvirrer ikke biokemiske assays for proteiner fremstillet af microglia / makrofager, der er til stede i fuldblod.
De førende teorier om IVH-PHH inkluderer mekanisk obstruktion af CSF-cirkulation, forstyrrelse af cilia, der forer de ependymale vægge, betændelse, fib…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JMS modtog finansiering fra NIH / NINDS R01 NS110793 og K12 (Neurosurgeon Research Career Development Program). BAM modtog finansiering fra NIH / NINDS K08 NS112580-01A1, University of Kentucky Neuroscience Research Priority Area Award og en Hydrocephalus Association Innovator Award.
Materials
| 0.3 mL insulin syringe | BD Microfine + Insulin Syringe | 230-4533 | 0.3-0.5 mL synringes will work |
| 1.5 mL microtube | USA Scientific | 1615-5500 | Lot No. K194642H -3 511 |
| 4.7T MRI | Agilent/Varian | 4.7T/33 cm | Agilent/Varian DirectDrive 4.7-T (200-MHz) MRI system |
| 6-0 monofilament suture | ETHICON | 667G | |
| 9.4T MRI | Bruker | BioSpec 94/20 | Used in this protocol without the cryoprobe |
| Analytical balance | CCURIS Instruments | W3200-320 | |
| Artificial CSF (aCSF) | Tocris Bioscience | 3525 | Batch No: 72A |
| Betadine | Purdue Products L.P. | 301005-00 | NDC 67618-150-09 |
| Carprofen (injectable) | Zoetis Inc. | PI 4019448 | Rimadyl |
| Ethanol | Decon Laboratories | 2701 | |
| Heating pad | Sunbeam | E12107-819 | UL 612A, Z-1228-001 |
| Hemoglobin | MP Biomedicals | 100714 | LOT NO. SR02321 |
| Isoflurane | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-25 | |
| Isoflurane vaporizer | VETEQUIP | 911103 | |
| Light for stereotactic insturment | Dolan-Jenner industries | Fiber-Lite MI-150 | |
| Microinjection syringe pump | World Precision Instruments | MICRO21 | Serial 184034 T08K |
| MRI software | Bruker BioSpin | Paravision 360 3.2 | |
| Oxygen | Airgas Healthcare | UN1072 | LOT NUMBER S1432080XA02 |
| Sprague Dawley rats | Charles River Laboratories | Strain code: 001 | |
| Stereotactic instrument | KOPF Instuments | Model 900LS Lazy Susan | |
| Sterile cotton tipped applicator | Fischerbrand | 23-400-118 | |
| Surgical blade | covetrus | #10 | |
| Topical triple antibiotic | Triple Antibiotic Ointment | NDC 51672-2120-1 | |
| Ventricle volume quantification software | ITK-SNAP | ITK-SNAP 4.0.0 beta |
References
- Robinson, S. Neonatal posthemorrhagic hydrocephalus from prematurity: Pathophysiology and current treatment concepts: A review. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 9 (3), (2012).
- Hasselager, A. B., Børch, K., Pryds, O. A. Improvement in perinatal care for extremely premature infants in Denmark from. Danish Medical Journal. 63 (1), (1994).
- Johnston, P. G., Gillam-Krakauer, M., Fuller, M. P., Reese, J. Evidence-Based Use of Indomethacin and Ibuprofen in the Neonatal Intensive Care Unit. Clinics in Perinatology. 39 (1), (2012).
- Mahaney, K. B., Buddhala, C., Paturu, M., Morales, D., Limbrick, D. D., Strahle, J. M. Intraventricular Hemorrhage Clearance in Human Neonatal Cerebrospinal Fluid: Associations with Hydrocephalus. Stroke. , (2020).
- Strahle, J. M., et al. Longitudinal CSF Iron Pathway Proteins in Posthemorrhagic Hydrocephalus: Associations with Ventricle Size and Neurodevelopmental Outcomes. Annals of Neurology. 90 (2), (2021).
- Strahle, J. M., et al. Role of Hemoglobin and Iron in hydrocephalus after neonatal intraventricular hemorrhage. Neurosurgery. 75 (6), (2014).
- Garton, T. P., He, Y., Garton, H. J. L., Keep, R. F., Xi, G., Strahle, J. M. Hemoglobin-induced neuronal degeneration in the hippocampus after neonatal intraventricular hemorrhage. Brain Research. 1635, (2016).
- Goulding, D. S., Caleb Vogel, ., Gensel, R., Morganti, J. C., Stromberg, J. M., Miller, A. J., A, B. Acute brain inflammation, white matter oxidative stress, and myelin deficiency in a model of neonatal intraventricular hemorrhage. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 26 (6), (2020).
- Strahle, J., Garton, H. J. L., Maher, C. O., Muraszko, K. M., Keep, R. F., Xi, G. Mechanisms of Hydrocephalus After Neonatal and Adult Intraventricular Hemorrhage. Translational Stroke Research. 3, (2012).
- Jinnai, M., et al. A Model of Germinal Matrix Hemorrhage in Preterm Rat Pups. Frontiers in Cellular Neuroscience. 14, (2020).
- Georgiadis, P., et al. Characterization of acute brain injuries and neurobehavioral profiles in a rabbit model of germinal matrix hemorrhage. Stroke. 39 (12), (2008).
- Cherian, S. S., Love, S., Silver, I. A., Porter, H. J., Whitelaw, A. G. L., Thoresen, M. Posthemorrhagic ventricular dilation in the neonate: Development and characterization of a rat model. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 62 (3), (2003).
- Balasubramaniam, J., Xue, M., Buist, R. J., Ivanco, T. L., Natuik, S., del Bigio, ., R, M. Persistent motor deficit following infusion of autologous blood into the periventricular region of neonatal rats. Experimental Neurology. (1), (2006).
- Volpe, J. J. Brain injury in premature infants: a complex amalgam of destructive and developmental disturbances. The Lancet Neurology. 8 (1), (2009).
- Dobbing, J., Sands, J. Comparative aspects of the brain growth spurt. Early Human Development. 3 (1), (1979).
- Craig, A., et al. Quantitative analysis of perinatal rodent oligodendrocyte lineage progression and its correlation with human. Experimental Neurology. 181 (2), (2003).
- Lodygensky, G. A., Vasung, L., Sv Sizonenko, ., Hüppi, P. S. Neuroimaging of cortical development and brain connectivity in human newborns and animal models. Journal of Anatomy. 217 (4), (2010).
- Dean, J. M., et al. Strain-specific differences in perinatal rodent oligodendrocyte lineage progression and its correlation with human. Developmental Neuroscience. 33 (34), (2011).
- Engelhardt, B. Development of the blood-brain barrier. Cell and Tissue Research. 314 (1), (2003).
- Daneman, R., Zhou, L., Kebede, A. A., Barres, B. A. Pericytes are required for bloodĝ€"brain barrier integrity during embryogenesis. Nature. 468 (7323), (2010).
- Alles, Y. C. J., Greggio, S., Alles, R. M., Azevedo, P. N., Xavier, L. L., DaCosta, J. C. A novel preclinical rodent model of collagenase-induced germinal matrix/intraventricular hemorrhage. Brain Research. 1356, (2010).
- Christian, E. A., et al. Trends in hospitalization of preterm infants with intraventricular hemorrhage and hydrocephalus in the United States. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 17 (3), 2000-2010 (2016).
