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Der Zweck dieser Methode ist es, Forschern ein zuverlässiges Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das die Biomechanik des menschlichen Schädel-Hirn-Traumas originalgetreu reproduziert und gleichzeitig eine Längscharakterisierung der molekularen Wirkungen von Gehirnerschütterungen/mildem schädelischem Gehirn ermöglicht. (mTBIs). Diese Methode kombiniert zerebrale Mikrodialyse mit dem Wayne State Gewichtstropfenmodell, um bei leicht anästhesisierten und hemmungslosen erwachsenen Ratten die akuten Veränderungen der extrazellulären Neurotransmitter-Spiegel nach einer Gehirnerschütterung zu dokumentieren. Mit dieser minimal-invasiven Methode können Neurotransmitter wie Glutamat, GABA, Taurin, Glycin und Serin nach einem Trauma in vivo schnell und kontinuierlich quantifiziert werden, ohne das Tier opfern zu müssen.
Concussion/mTBI ist eine pathophysiologische Störung, die die Gehirnfunktion durch einen externen Kraftmechanismus beeinflusst. Concussion/mTBI ist die häufigste Form traumatischer Hirnverletzungen, auf die 70-90% der Fälle1entfallen. Die meisten akuten funktionellen Störungen nach einer Gehirnerschütterung können auf eine primäre und eine sekundäre Hirnverletzung zurückgeführt werden2,3: (1) die primäre Hirnverletzung wird durch die schnelle Beschleunigung und Verzögerung von Kopf und Oberkörper induziert die Hirngewebe durch Kompression schädigt, gefolgt von der Dehnung und dem Scheren von Axonen während des Spiels4,5,6 und (2) die sekundäre Hirnverletzung ist die indirekte zelluläre Reaktion auf das Trauma. Es findet Stunden und Tage nach der primären Hirnverletzung statt und spielt eine wichtige Rolle bei der motorischen und kognitiven Beeinträchtigung im Laufe der Zeit beobachtet. Viele der Symptome können auf veränderte Neurotransmission enthoben werden, wie die zuvor nachgewiesene übermäßige extrazelluläre Glutamat-Freisetzung in den ersten 10 min nach Verletzung7,8,9. Aufgrund seiner hohen Dichte an Terminals und Rezeptoren ist der Hippocampus eine Gehirnstruktur, die besonders anfällig für diese exzitotoxische Reaktion nach Verletzungen ist. Stark in die kognitive Funktion10,11, Studien an Nagetieren berichteten, dass Hippocampus-Schäden im Zusammenhang mit Gehirnerschütterung kann zu Beeinträchtigungen in Angst Konditionierung und Lernen räumliches Gedächtnis führen12 , 13. Das primäre Ziel dieser Methode war es, ein Rattenmodell von Gehirnerschütterung/mTBI zu erarbeiten, indem das Wayne State Closed Head Weight-Drop-Verfahren verwendet wird, um die Mechanismen der primären Hirnverletzung originalgetreu zu reproduzieren und zerebrale Mikrodialyse in vivo zu studieren, der akute extrazelluläre Neurotransmitter ändert sich aufgrund der sekundären Hirnverletzung nach einer Gehirnerschütterung. Konzentrationen von extrazellulärem Glutamat und GABA wurden im Hippocampus gemessen, um als repräsentative Ergebnisse unserer Methode zu fungieren.
Frühere Nagetierstudien haben Mikrodialyse und andere Verletzungsmodelle kombiniert, wie den Gewichtsverlust des offenen Schädels und die kontrollierte kortikale Wirkung, um die akuten Veränderungen der extrazellulären Neurotransmitter-Spiegel nach einer Verletzung unterschiedlicher Schwere zu demonstrieren. Grad14,15,16,17. Neben den hohen Variabilitätsgraden wird jedoch der Translationswert von Modellen wie dem Gewichtsverlust des offenen Schädels und der kontrollierten kortikalen Wirkung durch einen inhärenten Mangel an ökologischer Gültigkeit aufgrund von 2 Faktoren behindert: (1) Diese Modelle induzieren Verletzungen schwerer als sportbedingte Gehirnerschütterungen, die beim Menschen erlitten wurden, wobei eine direkte Gehirnbelastung mit sich gebracht wird, und (2) diese Modelle eine Kraniektomie oder eine Kraniotomie erfordern, da der Kopf des Nagetiers in einem stereotaxic-Rahmen vollständig zurückgehalten wird, was die Beschleunigung und Verzögerung von Kopf und Oberkörper, wodurch die Biomechanik der Gehirnerschütterung schlecht reproduziert wird.
Mikrodialyse ist eine minimal-invasive Methode, die den klaren Vorteil der Probenahme Neurotransmitter wie Glutamat, GABA, Taurin, Glycin und Serin, in vivo und kontinuierlich nach Trauma bietet, während nicht das Tier opfern. Zusätzlich zu den Vorteilen der Mikrodialyse entwickelte die Wayne State University ein Modell mit geschlossenem Schädelgewichtdrop (im Gegensatz zu Open-Skull von anderen Modellen), das die Induktion eines mTBI an einem leicht anästhesierten und hemmungslosen Nagetier ermöglicht, ermöglicht so eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung von Kopf und Oberkörper18. Wie bereits erwähnt, ist die Beschleunigung und Verzögerung von Kopf und Oberkörper ein biomechanisches Kernmerkmal sportbedingter Gehirnerschütterungen beim Menschen, die frühere mTBI-Modelle nicht ansprechen konnten. Das Gewicht-Tropfen-Verfahren kann sehr schnell durchgeführt werden und erfordert keine vorherige Operation oder Kopfhautschnitt. Nach der Induktion der Gehirnerschütterung erholen sich Die Nagetiere fast spontan und erleben nach einem einzigen Aufprall keine Lähmungen, Krampfanfälle oder Atemnot. Intrakranielle Blutungen und Schädelfrakturen sind selten, und bei Nagetieren wurden nur geringfügige Defizite in der motorischen Koordination gemeldet. Dieses Rattenmodell ist einfach zu bedienen, kostengünstig und erleichtert die Quantifizierung von Neurotransmittern, die in der akuten Phase nach einer Gehirnerschütterung freigesetzt werden, ohne die Mikrodialysesonde während des Aufpralls zu entfernen.
Unser Rattenmodell, das Mikrodialyse und Gehirnerschütterung kombiniert, eignet sich für Forscher, die längs die molekularen Wirkungen einer Gehirnerschütterung charakterisieren möchten und könnte in einer Vielzahl von therapeutischen Studien verwendet werden. In der Tat, trotz mehrjähriger Forschung und einem überwältigenden Bedarf, kein Medikament, um die langfristigen Auswirkungen von Gehirnerschütterungen zu verhindern, hat die klinische Studienphase19bestanden. Einer der möglichen Gründe für diese Misserfolge könnte der Einsatz von Tiermodellen sein, die die traumatischen biomechanischen Kräfte von Gehirnerschütterungen, wie sie der Mensch erlebt, nicht originalgetreu wiedergeben. Die hier vorgestellte Methode entspricht der Definition menschlicher Gehirnerschütterungen, die angibt, dass die primäre Hirnverletzung durch einen stumpfen Aufprall sowie eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung von Kopf und Oberkörper induziert wird2,3.
Darüber hinaus eignet sich unser kombiniertes Modell für Forscher, die die Auswirkungen wiederholter leichter traumatischer Hirnverletzungen (rmTBI) untersuchen, da eine ihrer Hauptmerkmale, die es von anderen Tiermodellen der Gehirnerschütterung unterscheidet, darin besteht, dass es möglich ist, wiederholte, leichte Verletzungen im gleichen Fall18. Beim Menschen ist rmTBI mit schwereren posttraumatischen Symptomen, längeren Erholungszeiten und verschärften motorischen und kognitiven Beeinträchtigungen verbunden, die sich im Laufe der Zeit ausbreiten20,21. Andere relevante Tiermodelle haben es auch möglich gemacht, die posttraumatische Pathophysiologie von rmTBI22,23,24,25,26,27 besser zu verstehen . Erhöhte Anfälligkeit des Gehirns wurde bei Nagetieren nach mindestens 5 mTBI in 24-Stunden-Intervallen nachgewiesen. Neuroinflammation erhöht sich mit der Anzahl der erlebten mTBI und Marker der Neurodegeneration erscheinen28. Wiederholtes mTBI würde den Übergang von Mikroglia von einem proinflammatorischen Modus zu einem normalen Erholungsmodus verhindern, was zu einer längeren exzitotoxischen Aktivität und Aktivierung neurodegenerativer Mechanismen führen würde 29. Mit unserem Modell könnten Ratten 1 Schlag pro Tag über den Zeitraum von 1 Woche für insgesamt 5 Expositionen ausgesetzt werden. Angesichts der Einfachheit dieses Tiermodells könnte es die Charakterisierung der kumulativen Auswirkungen der akuten wahllosen Neurotransmitter-Freisetzung erleichtern, die unmittelbar nach einem mTBI entsteht.
Dieses Modell ermöglicht es auch, Dass Tiere leicht 2 Stößen pro Tag ausgesetzt werden können, was es ermöglicht, noch schwerere Bedingungen zu untersuchen, z. B. wenn ein Athlet innerhalb kurzer Zeit nach dem ersten Schlag30einen weiteren traumatischen Aufprall erhält. Wie in einer früheren Studie31gezeigt, kann das Timing eines zweiten Schlages auf den Kopf dramatische Auswirkungen auf vaskuläre und axonale Schäden haben. Je näher der zweite Schlag dem ersten Schlag ist, desto schädlicher sind die Folgen. Dieses Modell eignet sich für die Untersuchung, wie diese besondere Bedingung wirkt sich auf extrazelluläre Neurotransmitter Freisetzung.
Bei dieser Methode wurde der Hippocampus aufgrund seiner Relevanz in der Gehirnerschütterungsforschung als Interessengebiet verwendet, aber Mikrodialyseproben können auch aus anderen Regionen von Interesse entnommen werden. Allerdings muss jede andere Hirnregion aufgrund des Platzes berücksichtigt werden, der von der Aufprallstelle aus der Führungskanüle, einschließlich des zahnärztlichen Zements, der sie umgibt, eine beträchtliche Menge an Platz auf dem Kopf der Ratte einnehmen kann. Darüber hinaus können die bei dieser Methode dargestellten Mikrodialyseparameter wie die Molekulargewichtsabschaltung und aktive Länge der Membran, die Abtastzeitintervalle und die Durchflussrate je nach Art des untersuchten Moleküls angepasst werden. Die effiziente Sammlung von pro-inflammatorischen Zytokinen, die beispielsweise an Gehirnerschütterungen beteiligt sind, würde eine Membran mit einer viel größeren Porengröße erfordern.