本文演示了小鼠创伤性脑损伤的成熟模型——侧向液体脉冲冲击(LFP)。LFP 满足动物模型的三个主要标准:有效性、可靠性和临床相关性。文中描述了该实验操作的完整流程,包括外科开颅手术、连接装置的固定以及损伤的诱导,最终导致局灶性和弥漫性脑损伤。
本文演示了小鼠创伤性脑损伤的成熟模型——侧向液体脉冲冲击(LFP)。LFP 满足动物模型的三个主要标准:有效性、可靠性和临床相关性。文中描述了该实验操作的完整流程,包括外科开颅手术、连接装置的固定以及损伤的诱导,最终导致局灶性和弥漫性脑损伤。
由于人们对导致发病率和死亡率的头部损伤日益关注,创伤性脑损伤(TBI)研究重新获得了发展动力。根据TBI后原发性损伤的性质,会引发复杂且异质性的继发性后果,随后出现再生过程1,2。原发性损伤可由颅骨骨折导致脑组织直接受挫,或因组织剪切与拉伸引起脑部移位所致3,4。由此产生的血肿和脑裂伤会引发血管反应3,5,而白质的形态和功能损害则导致弥漫性轴索损伤6-8。脑内常见的其他继发性改变包括脑水肿和颅内压升高9。TBI发生后,生化和生理通路会发生微观层面的改变,涉及兴奋性神经递质、免疫介质和氧自由基的释放10-12,最终导致长期的神经功能障碍13,14。因此,选择能够模拟人类与啮齿类动物TBI中相似细胞和分子事件的合适动物模型,对于研究损伤与修复机制至关重要。
已开发出多种创伤性脑损伤(TBI)实验模型,以模拟在人类中观察到的TBI特征,其中三种特定模型在啮齿类动物中被广泛采用:液体打击损伤模型、皮层冲击损伤模型和自由落体/冲击加速损伤模型1。液体打击装置通过颅骨切除术,在完整的硬脑膜上施加短暂的液体压力脉冲来造成损伤。该压力脉冲由摆锤撞击液体储液器的活塞而产生。这种打击会导致神经组织发生短暂的位移和形变1,15。相反,皮层冲击损伤则是通过气压驱动的刚性撞击器向完整的硬脑膜传递机械能量而造成损伤16,17。自由落体/冲击模型的特点是具有一定质量的杆状物落在闭合的颅骨上18。在这些TBI模型中,侧向液体打击损伤(LFP)模型是最成熟且最常用的模型,用于评估混合性局灶性和弥漫性脑损伤19。该模型具有良好的可重复性,并已实现标准化,便于调控损伤参数。LFP能够重现人类中观察到的损伤特征,因此具有临床相关性,同时也可用于探索新型治疗方法,推动其向临床转化20。
我们描述了在小鼠中实施LFP(轻度至中度脑外伤)的详细实验方案。所造成的脑损伤为轻度至中度,大脑皮层、海马和胼胝体等脑区最为易损。在LFP后,可进一步开展海马依赖性学习和运动学习相关的行为学任务评估。
1. 开颅术
2. 损伤诱导
3. 运动、认知及组织学结果的评估
4. 代表性结果:
LFP装置诱导的损伤在动物之间具有可重复性,尤其是在具备充分手术训练的情况下。为保持损伤的一致性,需监测装置传递至硬脑膜的压力大小。摆锤撞击一个充满水的丙烯酸圆柱体,该圆柱体通过高压管路和鲁尔锁紧接头连接至固定在动物颅骨开窗部位的损伤接口(图1A)。对于轻度至中度损伤,摆锤的角度设定为产生0.9–2.1 atm的压力,同时使用连接放大器的示波器来观察压力脉冲波形(图1B)。损伤可导致翻正反射时间出现不同程度延长,并伴随与肺水肿相关的死亡率升高。轻度损伤定义为翻正反射时间为2–4分钟,死亡率为0–5%;中度损伤定义为翻正反射时间为6–10分钟,死亡率为10–20%。此外,接受LFP处理的小鼠可能出现强直性姿势,提示可能存在癫痫发作。癫痫发作常与硬脑膜受损有关。上述结果共同表明,该损伤可导致神经系统损害。假手术动物虽连接至LFP装置,但不释放摆锤。
为了观察LFP所诱导的损伤,我们使用了可识别星形胶质细胞和巨噬细胞的抗体进行免疫细胞化学染色,这两种细胞均与损伤反应相关。胶质纤维酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP)染色显示,在损伤区域的皮层中胶质增生明显增加,而假手术组小鼠在颅骨切除下方相应部位未出现星形胶质细胞增多现象(图2A、B)。同样,MAC1染色表明,与接受假手术的小鼠相比,LFP处理小鼠在损伤部位周围存在更多的巨噬细胞。此外,在接受LFP处理的小鼠中,常可观察到皮层组织的物理性损伤,而在假手术小鼠中则无此现象(图2C、D)。
轻度局灶性挫伤(LFP)后的行为学测试可用于评估认知和运动功能。Morris水迷宫(MWM)用于检测学习和记忆能力。利用测试房间内的视觉线索,假手术组小鼠在水迷宫训练中随着每天训练的进行,迅速提高了定位平台的效率。与假手术组小鼠相比,接受轻度LFP的小鼠在测试的前两天定位隐藏平台所需时间更长,但在第三天似乎已学会该任务(图3A)。这些结果表明,损伤降低了小鼠获取空间学习能力的速度。为评估损伤对记忆保持的影响,在最后一次训练结束后1天进行探针试验。假手术组小鼠在目标象限停留的时间长于接受轻度LFP的小鼠,提示损伤影响了小鼠回忆平台原先位置的能力(图3B)。为评估运动功能,采用转棒仪对小鼠进行测试。与假手术组小鼠相比,接受轻度LFP的小鼠在伤后1、7和21天(dpi)的平均跌落潜伏期更短(图3C)。这些数据表明,损伤小鼠的前庭运动和感觉运动整合功能受损。

图 1. LFP 装置及损伤过程中示波器获得的代表性波形。A) LFP 装置的组成部分包括:固定在支架上并设定为特定角度以施加所需力的摆锤、装有水的丙烯酸圆筒并连接高压管和雄性鲁尔锁接头、放大器和示波器。B) 示波器记录的压力脉冲代表性波形。峰峰值为 2.16 伏,对应压力为 1.47 个大气压。

图 2. 侧向液体脉冲损伤(LFP)后胶质增生和炎症反应增强,表明损伤程度。取假手术(A, C)或LFP损伤(B, D)后7天(dpi)小鼠脑组织的冷冻横切面(20μm)。皮层图像位于颅骨切除术中心位置。(A, B)使用抗体标记星形胶质细胞。胶质纤维酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP)抗体(MAB360, Chemicon, 1:400)显示,与假手术组相比,LFP损伤组小鼠皮层中星形胶质细胞数量明显增多(箭头所示)。二抗为山羊抗小鼠594(1:1000)。(C, D)使用抗体标记巨噬细胞。MAC1抗体(MAC1-α链CD11b, BD Biosciences, 1:50)显示,与假手术组相比,LFP损伤组皮层损伤部位周围存在更多的巨噬细胞和/或活化的小胶质细胞(箭头所示)。二抗为山羊抗大鼠CY3(1:50)。比例尺:A和B中为200μm,C和D中为100μm。

图3. 轻度LFP损伤后的行为学测试显示,与假手术小鼠相比,损伤小鼠表现出认知功能缺陷。A) 在MWM实验中,接受轻度LFP处理的小鼠学会寻找平台任务所需时间长于假手术小鼠。假手术组 vs LFP组(平均秒数 ± SEM):第1天 34.21 ± 3.02 vs 38.64 ± 2.63;第2天 24.52 ± 2.84 vs 27.21 ± 2.11;第3天 22.47 ± 2.00 vs 22.08 ± 2.52(1 dpi,n = 9 假手术组,10 LFP组)。B) 在MWM最后一次训练后24小时进行的探针试验中,接受轻度LFP处理的小鼠在目标象限停留的时间短于假手术小鼠(21 dpi,n = 10)。C) 接受轻度LFP处理的小鼠在转棒实验中比假手术小鼠更早跌落(1、7 和 21 dpi,n = 5 假手术组,8 LFP组)。误差线表示标准误(SE)。
本文介绍的LFP方法模拟了轻度至中度创伤性脑损伤的多种神经病理学和行为学结果,因此已成为广泛应用的TBI动物模型。为了提高该技术的有效性和可靠性,有几个关键步骤需要考虑。例如,只有在颅骨切除过程中硬脑膜完整性未受破坏的动物,才应接受LFP处理并用于研究。此外,如果颅骨切除部位被任何胶水或水泥堵塞,导致硬脑膜下方部分区域未能受到流体压力的作用,则该动物应被排除在研究之外。最后,如果翻正反射时间或死亡率不在预期范围内,该动物也不应纳入研究。可通过增加压力脉冲的强度来产生更严重的损伤。
如图1所示,LFP装置的构型相对简单,通过监测示波器上的压力环境可保持损伤程度的可重复性。示波器轨迹上曲线的平滑形态表明液体中无气泡存在,否则可能干扰LFP损伤的诱导。在诱导损伤前应先施加测试脉冲,若示波器轨迹未呈现平滑曲线,则应排除气泡。脉冲持续时间约为20毫秒,该时间对应于碰撞测试模拟中测得的冲击诱导时间。较短脉冲的损伤更可能产生局灶性损伤。因此,该脉冲持续时间可模拟人类创伤性脑损伤(TBI)。
LFP 后的形态学和细胞变化包括脑组织的物理性损伤,以及星形胶质细胞和巨噬细胞数量的增加,如图 2 所示。已有充分证据表明,损伤的一个典型特征是星形胶质细胞增生并形成胶质瘢痕。研究表明,胶质瘢痕既具有有益作用,也具有不利影响24。同样,已知巨噬细胞在损伤后的修复阶段会在多种组织中聚集25。因此,与假手术对照组相比,LFP 样本中 GFAP 和 MAC1 阳性细胞数量的增加表明损伤已被成功诱导。假手术对照组中这些细胞特异性标志物无表达,说明仅手术操作本身对脑组织健康无不良影响,且蛋白表达的变化特异性地由损伤模型引起。
图3所示的轻度局灶性脑挫伤(LFP)的行为后果包括认知功能障碍和运动功能缺陷。莫里斯水迷宫(MWM)实验结果表明,LFP小鼠最终能够学会该任务,但学习速度较假手术小鼠更慢,且在训练后一天的记忆保持能力也较差。因此,即使轻度损伤的小鼠在利用外部线索处理、巩固和存储空间信息方面也比假手术小鼠效率更低,而这些信息必须在后续测试中被成功提取。其他依赖海马的认知任务(如条件性恐惧反应)也已被证明在经历LFP的小鼠中出现损伤26。最后,在轻度损伤后长达3周内,LFP小鼠在转棒实验中较假手术小鼠更早跌落,表明其前庭运动和感觉运动整合功能存在缺陷。更中等程度的损伤会导致更为显著的认知和运动功能改变,这一点已被其他研究团队证实27-30。
总之,LFP 是一种有效的人类创伤性脑损伤(TBI)模型,因为它满足了许多预期的标准。LFP 具有结构效度,因其能够重现诱导人类 TBI 的病因学过程。具体而言,其所施加的力的强度和导致的死亡率与轻度至中度运动相关和交通事故相关损伤的情况相似,但需注意的是,动物模型中伤前的外科干预是该模型特有的。LFP 同样具有表观效度,因其可重现人类 TBI 中观察到的多种解剖学、生物化学、神经病理学及行为学改变。LFP 后既可检测到局灶性改变,也可检测到弥散性改变,且由于冲击具有侧向定位特点,可比较损伤同侧与对侧的形态学损害。需要注意的一点是,由于仅损伤一个半球,其认知和运动功能的影响可能较为轻微。最后,LFP 具有预测效度,且该技术具有良好的可重复性,因此可在损伤发生前或发生后评估多种药理学和遗传学干预的效果20。为了确定治疗药物的作用机制,需要在有或无试验药物的情况下测量血压、血液 pH 值和血气等生理参数。然而,由于 TBI 的原发性和继发性后果具有高度复杂性,要找到一种能够缓解所有症状的单一干预手段仍是一项艰巨的任务。
未来对LFP技术的一种考虑可能是使用微流体冲击装置,该装置采用微处理器控制、气动驱动的仪器,从而无需校准摆锤传递的力,并避免流体中气泡等操作变量的影响15。然而,标准的LFP方法已被众多研究人员证实为一种可靠且简便的技术,可用于探索创伤性脑损伤(TBI)后损伤与恢复的分子机制,进而推动更有效的干预措施和治疗方法的发展。
未声明任何利益冲突。
本工作由新泽西州脑损伤研究委员会资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
|