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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
In dieser Arbeit stellen wir ein Rattenmodell mit geschlossenem Schädel-Hirn-Trauma (mTBI) und dessen Validierung vor, das eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem menschlichen mSHT in Bezug auf Verhaltensmanifestationen während der akuten und subakuten Stadien aufweist.
Tiermodelle sind von entscheidender Bedeutung, um unser Verständnis von leichten Schädel-Hirn-Traumata (mSHT) zu verbessern und die klinische Forschung zu leiten. Um aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen, ist die Entwicklung eines stabilen und reproduzierbaren Tiermodells unerlässlich. In dieser Studie berichten wir über eine detaillierte Beschreibung eines Closed-Head-mTBI-Modells und eine repräsentative Validierungsmethode mit Sprague-Dawley-Ratten, um den Modellierungseffekt zu verifizieren. Bei dem Modell wird ein 550 g schweres Massengewicht aus einer Höhe von 100 cm direkt auf den Kopf einer Ratte auf einer zerstörbaren Oberfläche fallen gelassen und anschließend um 180 Grad gedreht. Um die Verletzung zu beurteilen, unterzogen sich die Ratten 10 Minuten nach der Verletzung einer Reihe von neurologischen Verhaltensuntersuchungen, einschließlich des Zeitpunkts des Bewusstseinsverlusts, der Zeit für das erste Suchverhalten, der Fluchtfähigkeit und des Tests der Balkenbalancefähigkeit. Während der akuten und subakuten Phasen nach der Verletzung wurden Verhaltenstests durchgeführt, um die motorische Koordinationsfähigkeit (Beam-Aufgabe), die Angst (Open-Field-Test) sowie die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten (Morris-Water-Maze-Test) zu bewerten. Das Closed-Head-mTBI-Modell erzeugte eine konsistente Verletzungsreaktion mit minimaler Mortalität und replizierte reale Situationen. Die Validierungsmethode verifizierte effektiv die Modellentwicklung und stellte die Stabilität und Konsistenz des Modells sicher.
Ein leichtes Schädel-Hirn-Trauma (mTBI) oder eine Gehirnerschütterung ist die häufigste Art von Verletzung und kann zu verschiedenen kurzzeitigen und chronischen Symptomen führen1. Zu diesen Symptomen können unter anderem Schwindel, Kopfschmerzen, Depressionen und Anhedonie gehören, die bei Personen, die von mSHT betroffen sind, zu erheblichem Leiden führen2. Da die meisten mSHTs durch stumpfe Gewalteinwirkung verursacht werden3, ist es unerlässlich, Tiermodelle zu entwickeln, die solche Verletzungen genau nachahmen. Diese Modelle sind unerlässlich, um ein besseres Verständnis der Verletzung und der zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, und bieten eine kontrollierte Umgebung mit reduzierter Variabilität und Heterogenität im Vergleich zu Studien am Menschen.
Für Schädel-Hirn-Traumata (SHT) wurden zahlreiche etablierte Nagetiermodelle entwickelt, darunter Fluid Percussion Injury (FPI)4, Controlled Cortical Impact (CCI)5, Weight DropInjury 6, Blast-Traumatic Brain Injury7 und andere. Diese Modelle konzentrieren sich jedoch in erster Linie auf die Replikation von mittelschweren bis schweren SHT-Szenarien. Im Gegensatz dazu haben die experimentellen Modelle, die speziell für die Simulation von mTBI entwickelt wurden, relativ wenig Aufmerksamkeit erhalten und sind noch wenig erforscht8. Daher ist es dringend erforderlich, ein stabiles und reproduzierbares Tiermodell zu etablieren, das das mSHT genau abbildet. Ein solches Modell würde unser Verständnis der neurobiologischen und verhaltensbezogenen Folgen von mSHT erheblich verbessern.
Man kann die funktionellen Defizite bei mTBI-Ratten im Vergleich zu normalen Ratten nicht durch zufällige Beobachtung unterscheiden, nachdem die Wirkung der Anästhesie abgeklungen ist. Daher ist es notwendig, spezifische Tests durchzuführen. Beim Menschen wird ein breites Spektrum klinischer Beurteilungen verwendet, um Patienten zu beurteilen 9,10,11. In ähnlicher Weise erfordert die Etablierung eines erfolgreichen Modells im Rattenmodell auch den Einsatz von Schnellbewertungsinstrumenten, um seine Gültigkeit zu bestimmen.
In dieser Studie stellen wir ein geschlossenes mTBI-Rattenmodell vor, das die Untersuchung von mTBI in einer Weise ermöglicht, die dem menschlichen Zustand sehr ähnlich ist. Die detaillierte Beschreibung des Modells und seines Validierungsverfahrens vermittelt ein umfassendes Verständnis des experimentellen Ansatzes, der bei der Untersuchung von mTBI verwendet wird.
Die Tierversuche wurden vom Central South University Animal Care and Use Committee genehmigt. Alle Studien wurden im Einklang mit dem Wohlergehen und den ethischen Grundsätzen von Versuchstieren durchgeführt.
1. Fütterung und Betäubung der Tiere
2. Präoperativer Aufbau
3. mTBI-Induktion
4. Schein-Induktion
5. Validierungsverfahren: Akute neurobehaviorale Beurteilungen
HINWEIS: Die folgenden Bewertungen wurden auf der Grundlage des Neurological Severity Scores9 und des Protokolls von Flierl et al.10 modifiziert. Alle diese Untersuchungen wurden 10 Minuten nach der Wiedererlangung des Aufrichtungsreflexes durchgeführt.
6. Validierungsverfahren: Bewertung des Neuroverhaltens
HINWEIS: Vor den Verhaltensexperimenten wurden die Ratten an 3 aufeinanderfolgenden Tagen täglich 2 Minuten lang behandelt, um Stress und Störungen der Neuheit zu minimieren. Alle Verhaltensexperimente wurden durchgeführt, indem die Tiere vor Beginn des Experiments für 60 Minuten in die Testumgebung gebracht wurden.
Die in dieser Arbeit verwendete Apparatur war eine modifizierte Version des Kane-Modells und des pädiatrischen Modells11,12 von Richelle Mychasiuk. In dieser Studie wurden SD-Ratten Schein- und mTBI-Gruppen zugeordnet. Um die Reproduzierbarkeit dieses Modells zu demonstrieren, führten wir drei unabhängige Replikate dieses Modells zusammen mit der Bewertung des akuten neurologischen Verhaltens durch, wobei jedes Experiment 8-12 Ratten umfasste. In dieser Studie wurden mehr als 30 mTBI-Ratten verwendet, wobei 2 Ratten aufgrund der Anästhesie starben. Allerdings erlag während des Experiments keine Ratte einer Hirnverletzung. Die Ergebnisse dieser Experimente sind in Abbildung 2 dargestellt. Darüber hinaus wurden neurologische Verhaltensbeurteilungen während der akuten und subakuten Stadien durchgeführt (Abbildung 3, Abbildung 4 und Abbildung 5).
Ergebnisse der Beurteilung des akuten neurologischen Verhaltens
Alle diese Beurteilungen wurden nach Anästhesie/Aufprall 0 min (Zeitpunkt des Bewusstseinsverlusts und Zeit des ersten Suchverhaltens) bzw. 10 min (Kreisaustritt und Balkenbalance) durchgeführt.
Wie in Abbildung 2A gezeigt, verbrachten mTBI-Ratten signifikant mehr Zeit damit, sich von der Bewusstlosigkeit zu erholen, was mit den Ergebnissen früherer Studien übereinstimmt12,13. Das Suchverhalten bei Ratten, die als normale physiologische Aktivität angesehen wurden, zeigte eine statistisch signifikante Verlängerung der Erholungsphase innerhalb der mTBI-Gruppe (Abbildung 2B). Dieser Befund deutet darauf hin, dass die mTBI-Ratten eine längere Zeit benötigten, um ihre Fähigkeiten zur Fortbewegung, zum Riechen, zum taktilen Sondieren und zum Scannen der Umgebung wiederzuerlangen.
Der bestehende Kreistest hat die ursprünglichen sensorischen Tests im neurologischen Schweregrad ersetzt, die sich bisher auf subjektive Beobachtungen der Untersucher wie die Platzierungs- und propriozeptiven Tests stützten. Die mTBI-Ratten verbrachten im Vergleich zu den Scheinratten eine signifikant längere Zeit damit, den Kreis zu verlassen (Abbildung 2C). Die statistische Analyse mit einer Zwei-Wege-ANOVA für die Kreisaustrittszeit zeigte einen signifikanten Haupteffekt der Verletzung (F [1, 36] = 21,29, p < 0,0001), was auf einen Unterschied zwischen der mTBI- und der Scheingruppe hindeutet. Verschiedene Studien zeigten jedoch keinen signifikanten Effekt (F [2, 36] = 0,1396, p = 0,87).
Die Ergebnisse des Balkenbalance-Tests wurden mit einer Zwei-Wege-ANOVA analysiert, gefolgt von Bonferronis Mehrfachvergleichen für Unterschiede zwischen Gruppenmittelwerten (Abbildung 2D). Es gab einen signifikanten Gesamteffekt der Verletzung bei allen Breitstrahlaufgaben (3 cm: F = 13,89, p < 0,001; 2 cm: F = 42,7, p < 0,001; 1,5 cm: F = 27,25, p < 0,001), was darauf hindeutet, dass die mTBI-Ratten nach 10 Minuten nach dem Aufprall eine Gleichgewichtsstörung im Vergleich zu den Scheinratten aufwiesen. Nach drei unabhängigen wiederholten Experimenten zeigten der 2 cm und 1,5 cm breite Schwebebalken eine bessere Unterscheidung zwischen der Schein- und der mTBI-Gruppe als der 3 cm breite Balken.
Ergebnisse der Bewertung des Neuroverhaltens
Die motorische Koordinationsfähigkeit wurde mit Hilfe der Strahlaufgabe nach 1 Tag vor der Anästhesie/Verletzung und 1 Tag, 3 Tage und 7 Tage nach der Anästhesie/Verletzung beurteilt (Abbildung 3). Die Gesamtzahl der Ausrutscher der Hintergliedmaßen (Abbildung 3A) wurde durch wiederholte Messung der Zwei-Wege-ANOVA analysiert, und Bonferronis Mehrfachvergleiche ergaben, dass mTBI-Ratten am Tag 1 nach der Verletzung signifikant mehr Ausrutscher der Hintergliedmaßen aufwiesen als Scheinratten (Abbildung 3A; p < 0,01). Nach einer 2-tägigen Genesung wurden jedoch keine Veränderungen bei den Rückwärtsfehlern beobachtet, wobei sich die Gesamtzahl der Ausrutscher nach 7 Tagen wieder auf das Scheinniveau auflöste. Bemerkenswert ist, dass alle 6 mTBI-Ratten nach dem Aufprall mehr Ausrutscher der Hintergliedmaßen aufwiesen als ihre Ausgangsleistung. Das leicht erhöhte Ausrutschen der Hintergliedmaßen bei Scheinratten könnte mit der mangelnden Übung am Schwebebalken zusammenhängen. Nach 1 Tag und 3 Tagen nach der Verletzung verbrachten die mTBI-Ratten mehr Zeit damit, den 150-cm-Strahl zu durchqueren (39,8 s ± 3,79 s vs. 28,68 s ± 0,82 s, 37,06 s ± 4,06 s vs. 29,28 s ± 3,42 s), obwohl es keine Unterschiede zwischen mTBI-Ratten und Scheinratten in der Zeit gab, die benötigt wurde, um den Strahl zu allen Zeitpunkten zu durchlaufen (Abbildung 3B).
Es gab keine signifikanten Unterschiede in der zurückgelegten Strecke zwischen der Schein- und der mTBI-Gruppe (Abbildung 4A). Das angstähnliche Verhalten wurde durch die Messung der Zeit, die während des Freifeldtests in der mittleren Zone verbracht wurde, bewertet. Sowohl 3 Tage als auch 7 Tage nach der Verletzung zeigten die mTBI-Ratten im Vergleich zu den Scheinratten eine signifikante Verkürzung der Zeit, die sie in der mittleren Zone verbrachten. Dieser Befund deutet darauf hin, dass die mTBI-Ratten nach dem Aufprall innerhalb von 7 Tagen ein höheres Maß an angstähnlichem Verhalten zeigten (Abbildung 4B,C).
Die Ergebnisse der Morris Water Maze Learning Days zeigten, dass die mTBI-Ratten mehr Zeit benötigten, um die versteckte Plattform zu lokalisieren als die Scheinratten, was auf ein beeinträchtigtes räumliches Lernen und Gedächtnis in der mTBI-Gruppe hindeutet (Abbildung 5). Anschließend, während des Sondenversuchs, zeigten die mTBI-Ratten Defizite bei der Beibehaltung des räumlichen Gedächtnisses, was sich darin zeigte, dass sie weniger Zeit mit der Suche nach der entfernten Plattform verbrachten. Bemerkenswert ist, dass kein signifikanter Unterschied in der Schwimmgeschwindigkeit zwischen der Schein- und der mTBI-Gruppe beobachtet wurde, was die konsistenten Ergebnisse unterstützt, die in der im Freifeldtest durchgeführten Entfernungsanalyse beobachtet wurden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Aufprall keinen erkennbaren Effekt auf die spontane Bewegungsfunktion hatte.

Abbildung 1: Aufprallgerät für mTBI bei Ratten. (A) Draufsicht und Seitenansicht des Kissens und des Helms in der relativen Position des Rattenkopfes. Die rot gestrichelte Linie zeigt die Helmposition an. (B) Ein Bild der gesamten Baugruppe, das ein vertikales Führungsrohr für das fallende Gewicht zeigt, das über dem Rattenstadium und dem Auffangschwamm positioniert ist. (C) Ein Standbild aus einem Aufprallvideo, das die 180°-Drehung der Ratte nach dem Kopfaufprall und die anschließende Beschleunigung/Drehung zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Ergebnisse der akuten neurologischen Verhaltensbeurteilung nach Schein-, mTBI-Ratten, dreimal unabhängig voneinander wiederholt. (A) Signifikant verlängerte Zeit des Bewusstseinsverlusts nach Absetzen der Anästhesie bei Ratten, die ein mTBI erhielten, im Vergleich zu Scheinratten. Es gab einen signifikanten Gruppeneffekt (P < 0,0001, Zwei-Wege-ANOVA), aber keinen signifikanten Zeiteffekt (P = 0,6226) oder eine Gruppen-x-Zeit-Interaktion (P = 0,5803). (B) mTBI-Ratten zeigten ihr erstes Suchverhalten nach der Anästhesie. (C) Scheinratten verbrachten weniger Zeit damit, dem 60-cm-Kreis zu entkommen (*p < 0,01, **p < 0,001, ungepaarter t-Test). (D) Die Leistung im Balkengleichgewicht von 3 cm, 2 cm und 1,5 cm breitem Strahl. Die Ergebnisse der Mehrfachvergleiche von Bonferroni für jede Gruppe sind in den Abbildungen dargestellt. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts dargestellt. Pro Experiment wurden N = 8-12 Ratten verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Die Leistung der Balkenaufgabe vor dem Aufprall und nach dem Aufprall an Tag 1, Tag 3 und Tag 7. (A) Die mTBI-Ratten machten am Tag 1 nach der Verletzung mehr Ausrutscher der Hintergliedmaßen (*p < 0,001, wiederholt gemessene 2-Wege-ANOVA). (B) Die durchschnittliche Durchlaufzeit von Scheinratten ist kürzer als die von mTBI-Ratten. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (N = 6/Gruppe) dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Die Leistung des Freifeldtests an Tag 1 vor und nach der Verletzung Tag 1, Tag 3, Tag 7 und Tag 14. (A) Es gab keinen Unterschied zwischen Schein- und mTBI-Ratten in der zurückgelegten Strecke. (B) mTBI-Ratten verbrachten an Tag 3 und Tag 7 weniger Zeit im Zentrum als Scheinratten (*p < 0,01, **p < 0,001, wiederholt gemessene 2-Wege-ANOVA), mit keinen offensichtlichen Unterschieden an Tag 1 vor der Verletzung und Tag 1 und Tag 14 nach der Verletzung. (C) Spurkarte von mTBI-Ratten an Tag 1, Tag 3, Tag 7 und Tag 14. Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (N = 6-10/Gruppe) dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Die Leistung im Morris-Wasserlabyrinth . (A) Es gab keinen Unterschied in der Geschwindigkeit im Schwimmfähigkeitstest zwischen den Schein- und mSHT-Ratten. (B) Latenz zur verborgenen Plattform der Referenzspeicheraufgabe am Testtag. (C) Die Ratten überquerten die Plattform in der 2-minütigen Sondenteststudie nach 5 Versuchstagen mehrmals. Sham (5,14 ± 0,65) vs. mTBI (3,56 ± 0,6), (*p < 0,01, ungepaarter t-Test). Die Daten werden als Mittelwert ± Standardfehler des Mittelwerts (N = 9/Gruppe) dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Autoren haben kein finanzielles Interesse an der Offenlegung.
In dieser Arbeit stellen wir ein Rattenmodell mit geschlossenem Schädel-Hirn-Trauma (mTBI) und dessen Validierung vor, das eine bemerkenswerte Ähnlichkeit mit dem menschlichen mSHT in Bezug auf Verhaltensmanifestationen während der akuten und subakuten Stadien aufweist.
Wir möchten uns bei allen Stipendiatinnen und Stipendiaten der Abteilung für Versuchstiere der Central South University bedanken. Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 81971791) unterstützt; Shanghai Key Lab of Forensic Medicine, Key Lab of Forensic Science, Ministry of Justice, China (Academy of Forensic Science) (No. KF202104).
| Acrylbox | Inhouse | N/A | 15 cm x 22 cm x 43 cm |
| Anästhesiemaschine | RWD Life Science Co. | R540 Mäuse & Rattentier Anästhesie-Maschinenhelm | |
| Inhouse | N/A | Edelstahlscheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 3 mm | |
| Morris Wasserlabyrinth | RWD Life Science Co. | Durchmesser 150 cm, Höhe 50 cm, Plattformdurchmesser 35 cm | |
| Freifeld | RWD Life Science Co. | 63007 | Breite100 cm, Höhe 40 cm |
| Panlab SMART V3.0 | RWD Life Science Co. | SMART v3.0 | |
| Perforiertes Gewicht | Inhouse | N/A | Gewicht von 550 g und Durchmesser von 18 mm |
| Kissen | Inhousen | N/A | Keilförmiger Schwamm zum Platzieren unter dem Kopf der Ratte |