Modellering av neonatal intraventrikulær blødning gjennom intraventrikulær injeksjon av hemoglobin
Summary
Vi presenterer en modell for neonatal intraventrikulær blødning ved hjelp av rotteavkom som etterligner patologien sett hos mennesker.
Abstract
Neonatal intraventrikulær blødning (IVH) er en vanlig konsekvens av for tidlig fødsel og fører til hjerneskade, posthemorragisk hydrocephalus (PHH) og livslang nevrologisk underskudd. Mens PHH kan behandles ved midlertidig og permanent cerebrospinalvæske (CSF) avledningsprosedyrer (henholdsvis ventrikulært reservoar og ventrikuloperitoneal shunt), er det ingen farmakologiske strategier for å forebygge eller behandle IVH-indusert hjerneskade og hydrocephalus. Dyremodeller er nødvendig for å bedre forstå patofysiologien til IVH og teste farmakologiske behandlinger. Mens det finnes eksisterende modeller av neonatal IVH, er de som pålitelig resulterer i hydrocephalus ofte begrenset av nødvendigheten av store voluminjeksjoner, noe som kan komplisere modellering av patologien eller introdusere variabilitet i den observerte kliniske fenotypen.
Nylige kliniske studier har implisert hemoglobin og ferritin i å forårsake ventrikulær forstørrelse etter IVH. Her utvikler vi en enkel dyremodell som etterligner den kliniske fenotypen av PHH ved å bruke intraventrikulære injeksjoner av blodnedbrytningsproduktet hemoglobin med lite volum. I tillegg til pålitelig indusering av ventrikulær forstørrelse og hydrocephalus, resulterer denne modellen i hvitstoffskade, betennelse og immuncelleinfiltrasjon i periventrikulære og hvite substansregioner. Denne artikkelen beskriver denne klinisk relevante, enkle metoden for modellering av IVH-PHH hos nyfødte rotter ved bruk av intraventrikulær injeksjon og presenterer metoder for kvantifisering av ventrikkelstørrelse etter injeksjon.
Introduction
Neonatal IVH stammer fra germinalmatrisen, et sted med rask celledeling som ligger ved siden av de laterale ventriklene i den utviklende hjernen. Denne svært vaskulære strukturen er sårbar for hemodynamisk ustabilitet relatert til for tidlig fødsel. Blod slippes ut i laterale ventrikler i germinal matriksblødning (GMH) -IVH når skjøre blodkar i germinal matriksbrudd. Ved grad IV IVH kan periventrikulært hemoragisk infarkt også bidra til frigjøring av blodprodukter i hjernen. 1 Kombinasjonen av GMH-IVH kan forårsake PHH, spesielt etter høygradig blødning (grad III og IV)1. PHH kan behandles med plassering av en ventrikuloperitoneal shunt, men shuntplassering reverserer ikke hjerneskaden som kan oppstå fra IVH. Selv om moderne neonatal intensivbehandling har senket frekvensen av IVH2, 3, er det ingen spesifikke behandlinger for hjerneskade eller hydrocephalus forårsaket av IVH når den har skjedd. En betydelig begrensning i utviklingen av forebyggende behandlinger for IVH-indusert hjerneskade og PHH er den ufullstendige forståelsen av IVH-patofysiologi.
Nylig har tidlige CSF-nivåer av nøkkelblodnedbrytningsprodukthemoglobin vist seg å være assosiert med senere utvikling av PHH hos nyfødte med høyverdig IVH4. Videre er CSF-nivåer av jernhåndteringsveiproteiner – hemoglobin, ferritin og bilirubin – assosiert med ventrikelstørrelse i neonatal IVH. Dette ble også vist i en multisenterkohort av spedbarn med for tidlig phh, hvor høyere ventrikulære CSF-nivåer av ferritin var assosiert med større ventrikkelstørrelse5.
I denne studien utviklet vi en klinisk relevant modell for IVH-indusert hjerneskade og hydrocephalus ved bruk av hemoglobininjeksjon i hjerneventriklene, noe som muliggjør kvantifisering av hjerneskade og PHH og testing av nye terapeutiske strategier (figur 1) 6, 7. Denne IVH-modellen benytter neonatale rottevalper, som plasseres under generell anestesi i løpet av prosedyren. Et midtlinjesnitt er laget i hodebunnen, og koordinater avledet fra hodeskalle landemerker – bregma eller lambda – brukes til å målrette laterale ventrikler for injeksjon. Langsom injeksjon ved hjelp av en infusjonspumpe gir hemoglobin i ventrikkelen. Denne protokollen er enkel å bruke, allsidig og kan modellere forskjellige komponenter av IVH som resulterer i PHH.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne IVH-modellen ved bruk av hemoglobininjeksjon gjør det mulig å studere patologien til IVH spesielt mediert av hemoglobin. For komplementære studier kan hemoglobin også lett leveres in vitro og forvirrer ikke biokjemiske analyser for proteiner laget av mikroglia / makrofager som er tilstede i fullblod.
De ledende teoriene om IVH-PHH inkluderer mekanisk obstruksjon av CSF-sirkulasjon, forstyrrelsen av cilia som fôrer ependymalveggene, betennelse, fibrose og jerntoksisitet<sup …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JMS mottok finansiering fra NIH / NINDS R01 NS110793 og K12 (Neurosurgeon Research Career Development Program). BAM mottok 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).
