Электромагнитно-управляемая модель легкой черепно-мозговой травмы у мышей с закрытой головой
Summary
Протокол описывает легкую черепно-мозговую травму на мышиной модели. В частности, полностью объясняется пошаговый протокол для индукции легкой закрытой травмы головы по средней линии и характеристика животной модели.
Abstract
Высоковоспроизводимые модели черепно-мозговой травмы (ЧМТ) на животных с четко определенными патологиями необходимы для тестирования терапевтических вмешательств и понимания механизмов того, как ЧМТ изменяет функцию мозга. Наличие нескольких моделей ЧМТ на животных необходимо для моделирования различных аспектов и тяжести ЧМТ, наблюдаемых у людей. В этой рукописи описывается использование средней закрытой черепно-мозговой травмы (ОМС) для разработки мышиной модели легкой ЧМТ. Модель считается мягкой, потому что она не вызывает структурных поражений головного мозга, основанных на нейровизуализации или грубой потере нейронов. Тем не менее, один удар создает достаточно патологии, чтобы когнитивные нарушения можно было измерить по крайней мере через 1 месяц после травмы. В статье определен пошаговый протокол индуцирования ОМС у мышей с использованием электромагнитного ударного элемента со стереотаксическим управлением. Преимущества модели ОМС легкой средней линии включают воспроизводимость изменений, вызванных травмой, с низкой смертностью. Модель была временно охарактеризована до 1 года после травмы для нейровизуализации, нейрохимических, невропатологических и поведенческих изменений. Модель дополняет модели открытого черепа с контролируемым кортикальным воздействием с использованием того же ударного устройства. Таким образом, лаборатории могут моделировать как легкую диффузную ЧМТ, так и очаговую ЧМТ средней и тяжелой степени тяжести с одним и тем же ударом.
Introduction
Черепно-мозговая травма (ЧМТ) вызвана внешней силой на мозг, часто связанной с падениями, спортивными травмами, физическим насилием или дорожно-транспортными происшествиями. В 2014 году Центры по контролю и профилактике заболеваний определили, что 2,53 миллиона американцев обратились в отделение неотложной помощи, чтобы обратиться за медицинской помощью в связи с несчастными случаями, связанными с ЧМТ1. Поскольку легкая ЧМТ (мЧМТ) составляет большинство случаев ЧМТ, за последние несколько десятилетий было принято несколько моделей ЧМТ, которые включают снижение веса, закрытую черепно-мозговую травму, управляемую поршнем, и контролируемое воздействие коры, ротационную травму, легкую жидкостную ударную травму и модели взрывной травмы 2,3. Гетерогенность моделей mTBI полезна для устранения различных особенностей, связанных с mTBI, наблюдаемых у людей, и для оценки клеточных и молекулярных механизмов, связанных с повреждением головного мозга.
Из широко используемых моделей закрытой черепно-мозговой травмы одной из первых и наиболее широко используемых моделей является метод сброса веса, при котором на голову животного (обезболиваемый или бодрствующий) падает предмет с определенной высоты)2,4. В методе снижения веса тяжесть травмы зависит от нескольких параметров, в том числе от трепанации черепа, неподвижной или свободной головы, а также расстояния и веса падающего предмета 2,4. Одним из недостатков этой модели является высокая вариабельность тяжести травмы и высокий уровень смертности, связанный с угнетением дыхания 5,6. Распространенной альтернативой является нанесение удара с помощью пневматического или электромагнитного устройства, которое может быть выполнено непосредственно на открытой твердой мозговой оболочке (контролируемое корковое воздействие: CCI) или закрытом черепе (закрытая черепно-мозговая травма: CHI). Одной из сильных сторон поршневой травмы является ее высокая воспроизводимость и низкая смертность. Однако CCI требует трепанации черепа 7,8, а сама трепанациячерепа вызывает воспаление9. Вместо этого в модели ОМС нет необходимости в трепанации черепа. Как уже говорилось, каждая модель имеет ограничения. Одним из ограничений модели ОМС, описанной в данной статье, является то, что операция проводится с использованием стереотаксического каркаса, а голова животного обездвиживается. В то время как полная иммобилизация головы обеспечивает воспроизводимость, она не учитывает движение после удара, которое может способствовать травме, связанной с мЧМТ.
В этом протоколе описывается базовый способ выполнения воздействия ОМС с помощью коммерчески доступного электромагнитного ударного устройства10 в мыши. В этом протоколе подробно описаны точные параметры, необходимые для достижения высоковоспроизводимой травмы. В частности, исследователь имеет точный контроль над параметрами (глубина травмы, время выдержки и скорость удара) для точного определения тяжести травмы. Как описано, эта модель ОМС вызывает травму, которая приводит к двусторонней патологии, как диффузной, так и микроскопической (т.е. хронической активации глии, аксонального и сосудистого повреждения), а также поведенческим фенотипам 11,12,13,14,15. Кроме того, описанная модель считается легкой, так как не вызывает структурных поражений головного мозга на основе МРТ или грубых поражений по патологии даже через 1 год после травмы16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Несколько этапов включают в себя воссоздание согласованной модели травмы с использованием описанной модели. Во-первых, очень важно правильно закрепить животное в стереотаксической рамке. Голова животного не должна иметь возможности двигаться вбок, а череп должен быть полностью плоск…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Национальными институтами здравоохранения под номерами наград R01NS120882, RF1NS119165 и R01NS103785 и наградой Министерства обороны AZ190017. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения или Министерства обороны.
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
- Capizzi, A., Woo, J., Verduzco-Gutierrez, M. Traumatic brain injury: An overview of epidemiology, pathophysiology, and medical management. The Medical Clinics of North America. 104 (2), 213-238 (2020).
- Bodnar, C. N., Roberts, K. N., Higgins, E. K., Bachstetter, A. D. A systematic review of closed head injury models of mild traumatic brain injury in mice and rats. Journal of Neurotrauma. 36 (11), 1683-1706 (2019).
- Shultz, S. R., et al. The potential for animal models to provide insight into mild traumatic brain injury: Translational challenges and strategies. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 76, 396-414 (2017).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury). Nature Reviews Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- Albert-Weissenberger, C., Varrallyay, C., Raslan, F., Kleinschnitz, C., Siren, A. L. An experimental protocol for mimicking pathomechanisms of traumatic brain injury in mice. Experimental and Translational Stroke Medicine. 4, 1 (2012).
- Chen, Y., Constantini, S., Trembovler, V., Weinstock, M., Shohami, E. An experimental model of closed head injury in mice: pathophysiology, histopathology, and cognitive deficits. Journal of Neurotrauma. 13 (10), 557-568 (1996).
- 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).
- Schwulst, S. J., Islam, M. Murine model of controlled cortical impact for the induction of traumatic brain injury. Journal of Visualized Experiments. (150), e60027 (2019).
- Cole, J. T., et al. Craniotomy: True sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham. Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).
- Brody, D. L., et al. Electromagnetic controlled cortical impact device for precise, graded experimental traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (4), 657-673 (2007).
- Webster, S. J., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Bachstetter, A. D. Closed head injury in an age-related Alzheimer mouse model leads to an altered neuroinflammatory response and persistent cognitive impairment. The Journal of Neuroscience. 35 (16), 6554-6569 (2015).
- Macheda, T., Roberts, K. N., Morganti, J. M., Braun, D. J., Bachstetter, A. D. Optimization and validation of a modified radial-arm water maze protocol using a murine model of mild closed head traumatic brain injury. PLoS One. 15 (8), 0232862 (2020).
- Macheda, T., Snider, H. C., Watson, J. B., Roberts, K. N., Bachstetter, A. D. An active avoidance behavioral paradigm for use in a mild closed head model of traumatic brain injury in mice. Journal of Neuroscience Methods. 343, 108831 (2020).
- Bachstetter, A. D., et al. Attenuation of traumatic brain injury-induced cognitive impairment in mice by targeting increased cytokine levels with a small molecule experimental therapeutic. Journal of Neuroinflammation. 12, 69 (2015).
- Bachstetter, A. D., et al. The effects of mild closed head injuries on tauopathy and cognitive deficits in rodents: Primary results in wild type and rTg4510 mice, and a systematic review. Experimental Neurology. 326, 113180 (2020).
- Lyons, D. N., et al. A mild traumatic brain injury in mice produces lasting deficits in brain metabolism. Journal of Neurotrauma. 35 (20), 2435-2447 (2018).
- Yanckello, L. M., et al. Inulin supplementation mitigates gut dysbiosis and brain impairment induced by mild traumatic brain injury during chronic phase. Journal of Cellular Immunology. 4 (2), 50-64 (2022).
- Bachstetter, A. D., et al. Early stage drug treatment that normalizes proinflammatory cytokine production attenuates synaptic dysfunction in a mouse model that exhibits age-dependent progression of Alzheimer’s disease-related pathology. The Journal of Neuroscience. 32 (30), 10201-10210 (2012).
- Zvejniece, L., et al. Skull fractures induce neuroinflammation and worsen outcomes after closed head injury in mice. Journal of Neurotrauma. 37 (2), 295-304 (2020).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Yang, Z., et al. Temporal MRI characterization, neurobiochemical and neurobehavioral changes in a mouse repetitive concussive head injury model. Scientific Reports. 5, 11178 (2015).
- Petraglia, A. L., et al. The spectrum of neurobehavioral sequelae after repetitive mild traumatic brain injury: a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Journal of Neurotrauma. 31 (13), 1211-1224 (2014).
- Laskowitz, D. T., et al. COG1410, a novel apolipoprotein E-based peptide, improves functional recovery in a murine model of traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 24 (7), 1093-1107 (2007).
- Lloyd, E., Somera-Molina, K., Van Eldik, L. J., Watterson, D. M., Wainwright, M. S. Suppression of acute proinflammatory cytokine and chemokine upregulation by post-injury administration of a novel small molecule improves long-term neurologic outcome in a mouse model of traumatic brain injury. Journal of Neuroinflammation. 5, 28 (2008).
- Lillie, E. M., Urban, J. E., Lynch, S. K., Weaver, A. A., Stitzel, J. D. Evaluation of skull cortical thickness changes with age and sex from computed tomography scans. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (2), 299-307 (2016).
- Kawakami, M., Yamamura, K. Cranial bone morphometric study among mouse strains. BMC Evolutionary Biology. 8, 73 (2008).
