Elektromagnetisch gesteuertes Closed-Head-Modell für leichtes Schädel-Hirn-Trauma bei Mäusen
Summary
Das Protokoll beschreibt ein leichtes Schädel-Hirn-Trauma in einem Mausmodell. Insbesondere wird ein Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Induktion einer leichten Mittellinien-geschlossenen Kopfverletzung und die Charakterisierung des Tiermodells vollständig erläutert.
Abstract
Hochgradig reproduzierbare Tiermodelle für Schädel-Hirn-Trauma (SHT) mit genau definierten Pathologien werden benötigt, um therapeutische Interventionen zu testen und die Mechanismen zu verstehen, wie ein SHT die Gehirnfunktion verändert. Die Verfügbarkeit mehrerer Tiermodelle für SHT ist notwendig, um die verschiedenen Aspekte und Schweregrade von SHT beim Menschen zu modellieren. Dieses Manuskript beschreibt die Verwendung einer geschlossenen Kopfverletzung (CHI) in der Mittellinie zur Entwicklung eines Mausmodells für ein leichtes SHT. Das Modell gilt als mild, da es keine strukturellen Hirnläsionen hervorruft, die auf Neuroimaging oder grobem neuronalem Verlust basieren. Ein einziger Aufprall erzeugt jedoch eine ausreichende Pathologie, so dass eine kognitive Beeinträchtigung mindestens 1 Monat nach der Verletzung messbar ist. In der Arbeit wird ein Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Induktion eines CHI in Mäusen mit einem stereotaktisch geführten elektromagnetischen Impaktor definiert. Zu den Vorteilen des milden Mittellinien-CHI-Modells gehört die Reproduzierbarkeit der verletzungsbedingten Veränderungen bei geringer Mortalität. Das Modell wurde bis zu 1 Jahr nach der Verletzung zeitlich auf bildgebende, neurochemische, neuropathologische und Verhaltensänderungen hin charakterisiert. Das Modell ist komplementär zu offenen Schädelmodellen mit kontrolliertem kortikalem Aufprall unter Verwendung desselben Impaktors. So können Labore sowohl ein leichtes diffuses SHT als auch ein fokales mittelschweres bis schweres SHT mit demselben Impaktor modellieren.
Introduction
Ein Schädel-Hirn-Trauma (SHT) wird durch eine äußere Kraft auf das Gehirn verursacht, die oft mit Stürzen, Sportverletzungen, körperlicher Gewalt oder Verkehrsunfällen verbunden ist. Im Jahr 2014 stellten die Centers for Disease Control and Prevention fest, dass 2,53 Millionen Amerikaner die Notaufnahme aufsuchten, um medizinische Hilfe bei Unfällen im Zusammenhang mit SHT zu suchen1. Da ein leichtes SHT (mSHT) die Mehrheit der SHT-Fälle ausmacht, wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Modelle von mSHT übernommen, darunter Gewichtsverlust, kolbengetriebene geschlossene Kopfverletzung und kontrollierter kortikaler Aufprall, Rotationsverletzung, leichte Flüssigkeitsperkussionsverletzung und Explosionsverletzungsmodelle 2,3. Die Heterogenität der mSHT-Modelle ist nützlich, um die verschiedenen Merkmale von mSHT beim Menschen zu untersuchen und die zellulären und molekularen Mechanismen zu bewerten, die mit Hirnverletzungen verbunden sind.
Eines der am häufigsten verwendeten Modelle für geschlossene Kopfverletzungen ist eines der ersten und am weitesten verbreiteten Modelle die Gewichtsabsenkungsmethode, bei der ein Gegenstand aus einer bestimmten Höhe auf den Kopf des Tieres (betäubt oder wach) fallen gelassen wird2,4. Bei der Gewichtsabfallmethode hängt die Schwere der Verletzung von mehreren Parametern ab, darunter die durchgeführte oder nicht durchgeführte Kraniotomie, der Kopf fest oder frei sowie die Entfernung und das Gewicht des fallenden Gegenstands 2,4. Ein Nachteil dieses Modells ist die hohe Variabilität in der Schwere der Verletzung und die hohe Sterblichkeitsrate, die mit einer Atemdepression einhergeht 5,6. Eine gängige Alternative ist die Abgabe des Aufpralls mit einem pneumatischen oder elektromagnetischen Gerät, das direkt auf die freiliegende Dura (kontrollierter kortikaler Aufprall: CCI) oder den geschlossenen Schädel (geschlossene Kopfverletzung: CHI) erfolgen kann. Eine der Stärken der kolbengetriebenen Verletzung ist ihre hohe Reproduzierbarkeit und geringe Sterblichkeit. Eine CCI erfordert jedoch eine Kraniotomie7,8, und eine Kraniotomie selbst induziert eine Entzündung9. Stattdessen ist beim CHI-Modell keine Kraniotomie erforderlich. Wie bereits erwähnt, hat jedes Modell seine Grenzen. Eine der Einschränkungen des in dieser Arbeit beschriebenen CHI-Modells besteht darin, dass die Operation mit einem stereotaktischen Rahmen durchgeführt wird und der Kopf des Tieres ruhiggestellt wird. Während die vollständige Ruhigstellung des Kopfes die Reproduzierbarkeit gewährleistet, berücksichtigt sie nicht die Bewegung nach dem Aufprall, die zu der mit einem mSHT verbundenen Verletzung beitragen könnte.
Dieses Protokoll beschreibt ein grundlegendes Verfahren zum Ausführen eines CHI-Aufpralls mit einer handelsüblichen elektromagnetischen Impaktorvorrichtung10 in einer Maus. Dieses Protokoll beschreibt die genauen Parameter, die erforderlich sind, um eine hochgradig reproduzierbare Verletzung zu erreichen. Insbesondere hat der Untersucher eine genaue Kontrolle über die Parameter (Verletzungstiefe, Verweildauer und Aufprallgeschwindigkeit), um die Verletzungsschwere genau zu definieren. Wie beschrieben, erzeugt dieses CHI-Modell eine Verletzung, die zu einer bilateralen Pathologie führt, sowohl diffus als auch mikroskopisch (d.h. chronische Aktivierung von Gliazellen, axonalen und vaskulären Schäden) und Verhaltensphänotypen 11,12,13,14,15. Darüber hinaus wird das beschriebene Modell als mild angesehen, da es auch 1 Jahr nach der Verletzung keine strukturellen Hirnläsionen auf der Grundlage von MRT oder grobe Läsionen auf der Pathologie induziert16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es sind mehrere Schritte erforderlich, um ein konsistentes Verletzungsmodell unter Verwendung des beschriebenen Modells zu erstellen. Zunächst ist es wichtig, das Tier korrekt im stereotaktischen Rahmen zu befestigen. Der Kopf des Tieres sollte sich nicht seitlich bewegen können, und der Schädel sollte völlig flach sein, wobei Bregma und Lambda die gleichen Koordinaten lesen. Das richtige Platzieren der Ohrbügel ist der schwierigste Aspekt dieser Operation, und dies kann nur mit Übung erlernt werden. Wenn der Schä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise von den National Institutes of Health unter den Vergabenummern R01NS120882, RF1NS119165 und R01NS103785 sowie der Vergabenummer AZ190017 des Verteidigungsministeriums unterstützt. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und stellt nicht die offizielle Meinung der National Institutes of Health oder des Verteidigungsministeriums dar.
Materials
| 9 mm Autoclip Applier | Braintree scientific | ACS- APL | Surgery |
| 9 mm Autoclip Remover | Braintree scientific | ACS- RMV | Surgery |
| 9 mm Autoclip, Case of 1,000 clips | Braintree scientific | ACS- CS | Surgery (Staples) |
| Aperio ImageScope software | Leica BioSystems | NA | IHC |
| BladeFLASK Blade Remover | Fisher Scientific | 22-444-275 | Surgery |
| Cotton tip applicator | VWR | 89031-270 | Surgery |
| Digitial mouse stereotaxic frame | Stoelting | 51730D | Surgery |
| Dumont #7 Forceps | Roboz | RS-5047 | Surgery |
| Ear bars | Stoelting | 51649 | Surgery |
| EthoVision XT 11.0 | Noldus Information Technology | NA | RAWM |
| Fiber-Lite | Dolan-Jeffer Industries | UN16103-DG | Surgery |
| Fisherbrand Bulb for Small Pipets | Fisher Scientific | 03-448-21 | Head support apparatus |
| Gemini Avoidance System | San Diego Instruments | NA | Active avoidance |
| Heating Pad | Sunbeam | 732500000U | Surgery prep |
| HRP conjugated goat anti-rabbit IgG | Jackson Immuno Research laboratories | 111-065-144 | IHC |
| Induction chamber | Kent Scientific | VetFlo-0530XS | Surgery prep |
| Isoflurane, USP | Covetrus | NDC: 11695-6777-2 | Surgery |
| Mouse gas anesthesia head holder | Stoelting | 51609M | Surgery |
| Neuropactor Stereotaxic Impactor | Neuroscience Tools | n/a | Surgery: Formally distributed by Lecia as impact one |
| NexGen Mouse 500 | Allentown | n/a | Post-surgery, holding cage |
| Parafilm | Bemis | PM992 | Head support apparatus |
| Peanut – Professional Hair Clipper | Whal | 8655-200 | Surgery prep |
| Povidone-Iodine Solution USP, 10% (w/v), 1% (w/v) available Iodine, for laboratory | Ricca | 3955-16 | Surgery |
| Puralube Vet Oinment,petrolatum ophthalmic ointment, Sterile ocular lubricant | Dechra | 17033-211-38 | Surgery |
| Rabbit anti-GFAP | Dako | Z0334 | IHC |
| Rabbit anti-IBA1 | Wako | 019-19741 | IHC |
| 8-arm Radial Arm Water Maze | MazeEngineers | n/a | RAWM |
| Scale | OHAUS CS series | BAL-101 | Surgery prep |
| Scalpel Handle #7 Solid 6.25" | Roboz | RS-9847 | Surgery |
| Sterile Alcohol Prep Pads (isopropyl alcohol 70% v/v) | Fisher Brand | 22-363-750 | Surgery prep |
| SumnoSuite low-flow anesthesia system | Kent Scientific | SS-01 | Surgery |
| 10 mL syringe Luer-Lok Tip | BD Bard-Parker | 302995 | Head support apparatus |
| Timers | Fisher Scientific | 6KED8 | Surgery |
| Topical anesthetic cream | L.M.X 4 | NDC 0496-0882-15 | Surgery prep |
| Triple antibiotic ointment | Major | NDC 0904-0734-31 | Post-surgery |
| Tubing | MasterFlex | 96410-16 | Head support apparatus |
| Vaporizer Single Channel Anesthesia System | Kent Scientific | VetFlo-1210S | Surgery prep |
References
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