用于啮齿类动物闭合性轻度创伤性脑损伤临床前评估的低强度冲击波模型

摘要

本文介绍了一种用于研究轻度至中度创伤性脑损伤神经生物学和病理生理学效应的啮齿类动物爆炸冲击波模型方案。我们建立了一种由气体驱动的台式装置，配备压力传感器，可稳定且可重复地产生爆炸所致的轻度至中度创伤性脑损伤。

摘要

创伤性脑损伤（TBI）是一个大规模的公共卫生问题。轻度TBI是神经创伤中最常见的类型，在美国导致大量医疗就诊。目前尚无经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的TBI治疗方法。与军事相关的爆炸所致TBI发生率上升，进一步凸显了对有效TBI治疗手段的迫切需求。因此，开发能够模拟人类爆炸相关性TBI特征的新型临床前动物模型，将极大推动对轻度至中度TBI背后的神经生物学和病理生理过程的研究，并促进TBI新型治疗策略的开发。

本文介绍了一种可靠且可重复的模型，用于研究轻度至中度爆炸所致创伤性脑损伤（TBI）的分子、细胞及行为学效应。我们描述了一种在啮齿类动物中诱导闭合性头部轻度TBI的逐步操作方案，该方案采用台式装置，由气体驱动的激波管组成，并配备压电式压力传感器，以确保实验条件的一致性。我们所建立的该装置具有成本相对较低、安装简便、操作容易以及高通量等优点。这种非侵入性TBI模型的其他优势还包括可调节爆炸峰值超压，以及可产生可控且可重复的实验结果。该TBI模型的可重复性和生物学相关性已在多种下游应用中得到验证，包括神经生物学、神经病理学、神经生理学和行为学分析，支持该模型用于表征轻度至中度TBI病因学基础过程的研究。

引言

仅在美国，每年因创伤性脑损伤（TBI）导致的住院就诊人数就超过两百万。由交通事故、体育活动或跌倒引起的轻度TBI约占所有TBI病例的80%¹。轻度TBI被称为“隐匿性疾病”，因为患者在初始损伤后的数天至数月内通常无明显症状，但可能在后期出现严重的TBI相关并发症²。此外，由爆炸引起的轻度TBI在军事人员中较为普遍，并与慢性中枢神经系统功能障碍相关^3,4,5,6。由于与爆炸相关的轻度TBI发病率不断上升^7,8，对与轻度TBI相关的神经生物学及病理生理过程进行临床前建模，已成为开发新型TBI治疗干预措施的重点方向。

从历史上看，尽管严重的人类创伤性脑损伤（TBI）病例相对较少，TBI 研究主要集中在严重类型的神经创伤上。目前已开发出用于模拟人类严重 TBI 的临床前啮齿类动物模型，包括可控性皮质冲击（controlled cortical impact, CCI）⁹

方案

该方案遵循辛辛那提大学和西弗吉尼亚大学的动物护理指南。所有涉及动物的实验程序均经 机构动物护理和使用委员会 （IACUC），并根据相关原则进行 实验动物护理和使用的指南.

1. 爆震创伤性脑损伤装置的安装

1. 准备搭建装置所需的所有部件，包括：由钢制受驱段和驱动段组成的激波管、聚酯膜、固定螺栓、压力传感器、用于保护外周器官的聚氯乙烯（PVC）管状屏蔽罩、9.53 mm高压液压管及快接公母接头、高流量气体调节器，以及带壁挂支架的气瓶（见图1A,B和材料表）。
   注意：此处使用的受驱段和驱动段的规格（见图2和材料表）已确定，可产生持续时间短且稳定的缩放激波（见图3C、D），用于在小鼠中诱导轻度至中度创伤性脑损伤（TBI）。为此，选用了一种锥形设计（6°锥角）的短驱动段。受驱段和驱动段的长度与直径可根据具体研究需求进行调整，以研究激波^29,30,

结果

通过使用三种不同厚度的膜（25.4、50.8 和 76.2 μm），测试了冲击波装置的可扩展性。使用压电式压力传感器在头部放置区域和激波管装置出口处评估峰值压力水平（见图1 和 图2）。在两个传感器位置，峰值压力均随膜厚度增加而升高（图3A,B），表明该装置的峰值压力具有可扩展性。该装置的这一特性可用于校准系统并评估其可扩展性，具体操作如步骤 2.3 所述。

为了评估爆炸所致创伤性脑损伤的影响 体内，暴露于该装置产生的冲击波中（图1 & 图2) 采用此处所述方案进行。首先，使用两种不同膜厚度（50.8 和 76.2 μm）或假手术处理对翻正反射时间（RRT）的影响进行了评估（图 4A

讨论

本文介绍了一种具有成本效益、易于建立和操作的轻度创伤性脑损伤（TBI）临床前模型，可实现高通量、可靠且可重复的实验结果。该模型对周围器官提供保护性屏蔽，从而能够集中研究轻度TBI的机制，同时减少全身性损伤带来的混杂因素。相比之下，其他爆炸模型已知会造成周围器官的损伤^2,39,40。该模型的另一优势在于，可从任意设定角度施加冲击波，而其他爆炸模型的冲击位置则固定不变⁴⁰。这使得能够开展针对性的解剖学研究，以更深入理解脑部的易损性。

为了研究人类与爆炸相关的创伤性脑损伤（TBI），一个相关的TBI模型应产生与受试者在TBI发生过程中所经历的生物力学力相当的力。一个具有临床相关性的模型还应引发轻度TBI患者中所观察到的神经生物学、病理生理学和行为学改变。在以往的研究中，本文所介绍的爆炸波模型已得到充分研究¹⁷.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
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3/8 英寸快接母接头	Karcher	KAR 86410440
3/8 英寸快接公接头	Karcher	KAR 86410440
ANY-maze 视频追踪软件	Stoelting Co.	ANY-maze software
透明聚酯薄膜（Mylar 膜）	ePlastics.com	POLYCLR0.003	http://www.eplastics.com/Plastic/Clear_Polyester_Film/POLYCLR0-003；透明 Mylar 膜有多种厚度可选，均由上述供应商提供
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Labview 版本 12.0	National Instruments		数据采集软件
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