משפיען אוטומטי למודל פגיעה מתמשכת בחוט השדרה בעכברים
Summary
מוצג כאן מכשיר חדשני אוטומטי לפגיעה בחוט השדרה עבור עכברים, שיכול לייצר במדויק מודלים של פגיעה בחוט השדרה בדרגות שונות.
Abstract
פגיעה בחוט השדרה (SCI) עקב פציעות טראומטיות כגון תאונות דרכים ונפילות קשורה לתפקוד לקוי קבוע של חוט השדרה. יצירת מודלים של קונטוזיה של פגיעה בחוט השדרה על ידי השפעה על חוט השדרה גורמת לפתולוגיות דומות לרוב פגיעות חוט השדרה בפרקטיקה הקלינית. מודלים מדויקים, ניתנים לשחזור ונוחים של פגיעה בחוט השדרה חיוניים לחקר פגיעה בחוט השדרה. אנו מציגים מכשיר חדשני אוטומטי לפגיעה בחוט השדרה עבור עכברים, מערכת הפגיעה החכמה בחוט השדרה של אוניברסיטת גואנגזו ג’ינאן, שיכולה לייצר מודלים של פגיעה בחוט השדרה בדיוק, שחזור ונוחות. המערכת מייצרת במדויק מודלים בדרגות שונות של פגיעה בחוט השדרה באמצעות חיישני מרחק לייזר בשילוב פלטפורמה ניידת אוטומטית ותוכנה מתקדמת. השתמשנו במערכת זו כדי ליצור שלוש רמות של מודלים של עכברים הסובלים מפגיעות בחוט השדרה, קבענו את ציוני סולם עכברי הבאסו (BMS) שלהם, וביצענו בדיקות התנהגותיות כמו גם מבחני צביעה כדי להדגים את הדיוק ויכולת השחזור שלה. אנו מראים כל שלב בפיתוח דגמי הפציעה באמצעות מכשיר זה, ויוצרים הליך סטנדרטי. שיטה זו מייצרת מודלים של עכברי פגיעה בחוט השדרה הניתנים לשחזור ומפחיתה גורמי מניפולציה אנושיים באמצעות הליכי טיפול נוחים. המודל החייתי שפותח אמין לחקר מנגנוני פגיעה בחוט השדרה וגישות טיפול נלוות.
Introduction
פגיעה בחוט השדרה גורמת בדרך כלל לתפקוד לקוי קבוע של חוט השדרה מתחת לקטע הפגוע. זה נגרם בעיקר על ידי חפצים הפוגעים בעמוד השדרה hyperextension של עמוד השדרה, כגון תאונות דרכים ונפילות1. בשל הזמינות המוגבלת של אפשרויות טיפול יעילות לפגיעה בחוט השדרה, הבהרת הפתוגנזה של פגיעות בעמוד השדרה באמצעות מודלים של בעלי חיים תהיה אינפורמטיבית לפיתוח גישות טיפול מתאימות. מודל החבלה של פגיעה בחוט השדרה הנגרמת כתוצאה מפגיעה בחוט השדרה מביא לפיתוח מודלים של בעלי חיים עם פתולוגיות דומות לרוב המקרים הקליניים של פגיעה בחוט השדרה 2,3. לכן, חשוב לייצר מודלים מדויקים, ניתנים לשחזור ונוחים של בעלי חיים עבור חבלה בחוט השדרה.
מאז המצאתו של אלן את המודל החייתי הראשון של פגיעה בחוט השדרה בשנת 1911, חלה התקדמות משמעותית בפיתוח מכשירים לביסוס מודלים של בעלי חיים הסובלים מפגיעה בחוט השדרה 4,5. בהתבסס על מנגנוני פציעה, מודלים של פגיעה בחוט השדרה מסווגים כחבלה, דחיסה, הסחת דעת, נקע, טרנסקציה או כימיקל6. ביניהם, מודלי החבלה, המשתמשים בכוחות חיצוניים כדי לעקור ולפצוע את חוט השדרה, הם הקרובים ביותר לאטיולוגיה הקלינית של רוב החולים הסובלים מפגיעות בעמוד השדרה. לכן, מודל החבלה שימש חוקרים רבים במחקרי פגיעה בחוט השדרה 3,7. מכשירים שונים משמשים לפיתוח מודלים של פגיעה בחוט השדרה. אוניברסיטת ניו יורק (NYU) – מחקרי פגיעה בחוט השדרה בבעלי חיים (MASCIS) מייצרת חבלות פגיעה בחוט השדרה על ידי מכשיר ירידה במשקל8. לאחר מספר גרסאות מעודכנות, MASCIS impactor נמצא בשימוש נרחב לפיתוח מודלים של בעלי חיים עם פגיעה בחוט השדרה9. עם זאת, כאשר מוט ההשפעה של MASCIS נופל ופוגע בחוט השדרה, עלולות להתרחש פציעות מרובות, המשפיעות על מידת הפגיעה במודלים של פגיעה בחוט השדרה. יתר על כן, השגת דיוק מכני כדי להבטיח את הדיוק של המכשיר ואת החזרתיות של מודל הייצור הוא גם מאתגר. משפיעי האופק האינסופי גורמים לחבלות על ידי שליטה בכוח המופעל על חוט השדרה במקום טיפות כבדות10. הוא משתמש במחשב המחובר לחיישן כדי למדוד ישירות את כוח הפגיעה בין המשפיע לחוט השדרה. כאשר מגיעים לסף, המשפיע נסוג מיד, ובכך נמנע ריבאונד משקל ושיפור דיוק10,11. עם זאת, השימוש בשיטה מוטורית עדינה זו כדי לגרום נזק יכול לגרום נזק לא עקבי וליקויים תפקודיים6. מכשיר אוניברסיטת אוהיו סטייט (OSU) דוחס את פני השטח הגביים של חוט השדרה בקצב חולף על ידי נהג אלקטרומגנטי12,13. מכשיר זה דומה למשפיעי האופק האינסופי, מכיוון שהוא משתמש בדחיסות למרחקים קצרים כדי לגרום לפציעות בעמוד השדרה. עם זאת, יש לו מגבלות שונות בכך שקביעה ראשונית של נקודת האפס תגרום לטעויות עקב נוכחות הנוזל השדרתי 6,14. לסיכום, ישנם מכשירים רבים שניתן להשתמש בהם כדי לפתח מודלים של פגיעה בחוט השדרה של בעלי חיים, אך לכולם יש כמה מגבלות שמובילות לדיוק לא מספיק ולשחזור של מודלים של בעלי חיים. לכן, על מנת ליצור בצורה מדויקת, נוחה ומשכפלת יותר מודלים של חבלה בעכבר של פגיעה בחוט השדרה, יש צורך במשפיע אוטומטי וחכם על פגיעה בחוט השדרה.
אנו מציגים השפעה חדשנית על פגיעה בחוט השדרה, מערכת פגיעה חכמה בחוט השדרה של אוניברסיטת גואנגזו ג’ינאן (מערכת G smart SCI; איור 1), לייצור מודלים של פגיעה בחוט השדרה. המכשיר משתמש במד טווח לייזר כמכשיר מיקום, בשילוב עם פלטפורמה ניידת אוטומטית לאוטומציה של תקיפות על פי פרמטרים קבועים של שביתה, כולל מהירות מכה, עומק מכה וזמן שהייה. פעולה אוטומטית מפחיתה גורמים אנושיים ומשפרת את הדיוק, כמו גם את יכולת השחזור של מודלים של בעלי חיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פגיעה בחוט השדרה עלולה להוביל לליקויים סנסוריים ומוטוריים, שעלולים לגרום לליקויים פיזיים ונפשיים חמורים. בסין, שכיחות פגיעות בעמוד השדרה במחוזות שונים נעה בין 14.6 ל-60.6 למיליון18. העלייה בשכיחות של SCI תפעיל לחץ נוסף על מערכת הבריאות. כיום, אפשרויות הטיפול היעילות בפגיעה בחוט השד…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, מס ‘82102314 (ל- ZSJ), ו- 32170977 (ל- HSL) והקרן למדעי הטבע של מחוז גואנגדונג, מס ‘2022A1515010438 (ל- ZSJ) ו- 2022A1515012306 (ל- HSL). מחקר זה נתמך על ידי התוכנית הטכנולוגית הקלינית של בית החולים המסונף הראשון של אוניברסיטת ג’ינאן, סין, Nos. JNU1AF- CFTP- 2022- a01206 (ל- HSL). מחקר זה נתמך על ידי פרויקט תוכנית המדע והטכנולוגיה של גואנגז’ו, מס’ 202201020018 (ל-HSL), 2023A04J1284 (ל-ZSJ) ו-2023A03J1024 (ל-HSL).
Materials
| 0.01M PBS (powder, pH7.2-7.4) | Solarbio Life Sciences | P1010 | |
| 2,2,2-Tribromoethanol | Macklin | 75-80-9 | |
| 4% paraformaldehyde tissue fixative | Biosharp life science | BL539A | |
| Biomicroscope | Leica | LCC50 HD | |
| CatWalk | Noldus Information Technology | CatWalk XT 9.1 | |
| Cover glass | CITOTEST Scientific | 10212432C | |
| Embedding machine | Changzhou Zhongwei Electronic Instrument | BMJ-A | |
| Ethanol absolute | DAMAO | 64-17-5 | |
| FootFaultScan | Clever Sys Inc. | – | |
| Glass slide | CITOTEST Scientific | 80302-2104 | |
| Hematoxylin and Eosin Staining Kit | Beyotime Biotechnology | C0105S | |
| micro-grinding drill | FEIYUBIO | 19-7010 | |
| Mouse spinal fixator | RWD Life Science | 68094 | |
| Paraffin microtome | Thermo | shandon finesse 325 | |
| RotaRod for Mice | Ugo Basile | 47600 | |
| Stereomicroscope | KUY NICE | SZM-7045 | |
| Tert-Amyl alcohol | Macklin | 75-85-4 | |
| Xylene | China National Pharmaceutical | #10023418 |
References
- Venkatesh, K., Ghosh, S. K., Mullick, M., Manivasagam, G., Sen, D. Spinal cord injury: pathophysiology, treatment strategies, associated challenges, and future implications. Cell and Tissue Research. 377 (2), 125-151 (2019).
- Chiu, C. W., Cheng, H., Hsieh, S. L. Contusion Spinal Cord Injury Rat Model. Bio Protocol. 7 (12), e2337 (2017).
- Thygesen, M. M., Guldbæk-Svensson, F., Rasmussen, M. M., Lauridsen, H. Contusion Spinal Cord Injury via a Microsurgical Laminectomy in the Regenerative Axolotl. Journal of Visualized Experiments. (152), 60337 (2019).
- Anderson, T. E. A controlled pneumatic technique for experimental spinal cord contusion. Journal of Neuroscience Methods. 6 (4), 327-333 (1982).
- Allen, A. R. SURGERY OF EXPERIMENTAL LESION OF SPINAL CORD EQUIVALENT TO CRUSH INJURY OF FRACTURE DISLOCATION OF SPINAL COLUMN: A PRELIMINARY REPORT. Journal of the American Medical Association. LVII (11), 878-880 (1911).
- Cheriyan, T., et al. Spinal cord injury models: a review. Spinal Cord. 52 (8), 588-595 (2014).
- Yan, R., et al. A modified impactor for establishing a graded contusion spinal cord injury model in rats. Annals of Translational Medicine. 10 (8), 436 (2022).
- Gruner, J. A. A monitored contusion model of spinal cord injury in the rat. Journal of Neurotrauma. 9 (2), 123-126 (1992).
- Ghnenis, A. B., et al. Evaluation of the Cardiometabolic Disorders after Spinal Cord Injury in Mice. Biology (Basel). 11 (4), 495 (2022).
- Scheff, S. W., Rabchevsky, A. G., Fugaccia, I., Main, J. A., Lumpp, J. E. Experimental modeling of spinal cord injury: characterization of a force-defined injury device. Journal of Neurotrauma. 20 (2), 179-193 (2003).
- Hong, Y. R., et al. Ultrasound stimulation improves inflammatory resolution, neuroprotection, and functional recovery after spinal cord injury. Scientific Reports. 12 (1), 3636 (2022).
- Noyes, D. H. Electromechanical impactor for producing experimental spinal cord injury in animals. Medical & Biological Engineering & Computing. 25 (3), 335-340 (1987).
- Stokes, B. T., Noyes, D. H., Behrmann, D. L. An electromechanical spinal injury technique with dynamic sensitivity. Journal of Neurotrauma. 9 (3), 187-195 (1992).
- Pearse, D. D., et al. Histopathological and behavioral characterization of a novel cervical spinal cord displacement contusion injury in the rat. Journal of Neurotrauma. 22 (6), 680-702 (2005).
- Wu, X., et al. A Tissue Displacement-based Contusive Spinal Cord Injury Model in Mice. Journal of Visualized Experiments. (124), 54988 (2017).
- Forgione, N., Chamankhah, M., Fehlings, M. G. A Mouse Model of Bilateral Cervical Contusion-Compression Spinal Cord Injury. Journal of Neurotrauma. 34 (6), 1227-1239 (2017).
- Ji, Z. S., et al. Highly bioactive iridium metal-complex alleviates spinal cord injury via ROS scavenging and inflammation reduction. Biomaterials. 284, 121481 (2022).
- Chen, C., Qiao, X., Liu, W., Fekete, C., Reinhardt, J. D. Epidemiology of spinal cord injury in China: A systematic review of the chinese and english literature. Spinal Cord. 60 (12), 1050-1061 (2022).
- Flack, J. A., Sharma, K. D., Xie, J. Y. Delving into the recent advancements of spinal cord injury treatment: a review of recent progress. Neural Regeneration Research. 17 (2), 283-291 (2022).
- Khuyagbaatar, B., Kim, K., Kim, Y. H. Conversion Equation between the Drop Height in the New York University Impactor and the Impact Force in the Infinite Horizon Impactor in the Contusion Spinal Cord Injury Model. Journal of Neurotrauma. 32 (24), 1987-1993 (2015).
- Alizadeh, A., Dyck, S. M., Karimi-Abdolrezaee, S. Traumatic Spinal Cord Injury: An Overview of Pathophysiology, Models and Acute Injury Mechanisms. Frontiers in Neurology. 10, 282 (2019).
- Bilgen, M. A new device for experimental modeling of central nervous system injuries. Neurorehabilitation and Neural Repair. 19 (3), 219-226 (2005).
- Khan, M., et al. GSNOR and ALDH2 alleviate traumatic spinal cord injury. Brain Research. 1758, 147335 (2021).
