Le but de cette méthode est de fournir aux chercheurs un outil fiable qui reproduit fidèlement la biomécanique du traumatisme crânien humain tout en permettant la caractérisation longitudinale des effets moléculaires des commotions cérébrales/cerveau traumatique léger (mTBIs). Cette méthode combine la microdialyse cérébrale avec le modèle de chute de poids de l'état de Wayne pour documenter, chez les rats adultes légèrement anesthésiés et sans retenue, les changements aigus des niveaux extracellulaires de neurotransmetteur suivant la commotion. Avec cette méthode mini-invasive, les neurotransmetteurs tels que le glutamate, le GABA, la taurine, la glycine et la sérine peuvent être rapidement et continuellement quantifiés après un traumatisme, in vivo, tout en n'ayant pas à sacrifier l'animal.
La commotion/mTBI est une perturbation pathophysiologique qui affecte le fonctionnement du cerveau causée par un mécanisme de force externe. Les commotions cérébrales/ITM sont la forme la plus courante de lésions cérébrales traumatiques, représentant 70 à 90 % des cas1. La plupart des perturbations fonctionnelles aigues à la suite d'une commotion cérébrale peuvent être attribuées à une lésion cérébrale primaire et secondaire2,3: (1) le traumatisme crânien primaire est induit par l'accélération et la décélération rapides de la tête et du torse qui endommage les tissus cérébraux par compression suivie de l'étirement et le tonte des axones pendant le contrecoup4,5,6 et (2) la lésion cérébrale secondaire est la réponse cellulaire indirecte au traumatisme. Il a lieu des heures et des jours après la lésion cérébrale primaire et joue un rôle important dans la déficience motrice et cognitive observée au fil du temps. Beaucoup des symptômes peuvent être attribués à la neurotransmission altérée telle que la libération extracellulaire excessive précédemment démontrée de glutamate dans les 10 premières minutes suivant la blessure7,8,9. Compte tenu de sa forte densité de terminaux et de récepteurs, l'hippocampe est une structure cérébrale particulièrement vulnérable à cette réponse excitotoxique à la suite de blessures. Étant fortement impliqué dans la fonction cognitive10,11, les études chez les rongeurs ont rapporté que les dommages hippocampiques associés à la commotion cérébrale peuvent mener aux affaiblissements dans le conditionnement de crainte et la mémoire spatiale d'apprentissage12 , 13. L'objectif principal de cette méthodologie était d'élaborer un modèle de rat de commotion/mTBI, en utilisant la procédure de chute de poids de la tête fermée de l'État de Wayne pour reproduire fidèlement les mécanismes de la lésion cérébrale primaire, et incorporer le cerveau microdialyse à étudier in vivo, le neurotransmetteur extracellulaire aigu change dû à la lésion cérébrale secondaire à la suite d'une commotion cérébrale. Des concentrations de glutamate extracellulaire et de GABA ont été mesurées dans l'hippocampe pour agir en tant que résultats représentatifs de notre méthode.
Des études antérieures sur les rongeurs ont combiné la microdialyse et d'autres modèles de blessures, comme la baisse de poids du crâne ouvert et l'impact cortical contrôlé, pour démontrer les changements aigus des niveaux de neurotransmetteurextracellulaire à la suite d'une blessure de gravité variable. degrés14,15,16,17. Cependant, en plus des degrés élevés de variabilité, la valeur translationnelle des modèles comme la baisse de poids du crâne ouvert et l'impact cortical contrôlé est entravée par un manque inhérent de validité écologique en raison de 2 facteurs : (1) ces modèles induisent beaucoup de blessures plus graves que les commotions cérébrales liées au sport subies chez l'homme, impliquant une charge cérébrale directe et (2) ces modèles nécessitent une cranictomie ou une craniotomie, la tête du rongeur étant complètement retenue dans un cadre stéréotaxique, empêchant la l'accélération et la décélération de la tête et du torse, reproduisant ainsi mal la biomécanique des commotions cérébrales.
La microdialyse est une méthode peu invasive qui offre l'avantage évident de l'échantillonnage de neurotransmetteurs tels que le glutamate, le GABA, la taurine, la glycine et la sérine, in vivo et continuellement après un traumatisme, tout en n'ayant pas à sacrifier l'animal. En plus des avantages offerts par la microdialyse, l'Université d'État de Wayne a développé un modèle de chute de poids à crâne fermé (par opposition à la crâne ouvert d'autres modèles), qui permet l'induction d'un mTBI sur un rongeur légèrement anesthésié et sans retenue, permettant ainsi l'accélération rapide et la décélération de la tête et du torse18. Comme mentionné précédemment, l'accélération et la décélération de la tête et du torse est une caractéristique biomécanique de base des commotions cérébrales liées au sport observées chez l'homme que les modèles mTBI des rongeurs précédents n'ont pas abordé. La procédure de chute de poids peut être faite très rapidement et ne nécessite aucune chirurgie préalable ou l'incision du cuir chevelu. Après l'induction de la commotion cérébrale, les rongeurs récupèrent le réflexe de redressement presque spontanément et ne souffrent pas de paralysie, de convulsions ou de détresse respiratoire après un seul impact. Les saignements intracrâniens et les fractures du crâne sont rares, et seuls des déficits mineurs dans la coordination motrice ont été signalés chez les rongeurs. Ce modèle de rat est facile à utiliser, peu coûteux et facilite la quantification des neurotransmetteurs libérés dans la phase aigue à la suite d'une commotion cérébrale sans enlever la sonde de microdialyse pendant l'impact.
Notre modèle de rat combinant microdialyse et commotion est approprié pour les chercheurs qui cherchent à caractériser longitudinalement les effets moléculaires de la commotion cérébrale et pourrait être utilisé dans une grande variété d'études thérapeutiques. En effet, malgré plusieurs années de recherche et un besoin écrasant, aucun médicament pour prévenir les effets à long terme des commotions cérébrales n'a passé la phase d'essai clinique19. L'une des raisons possibles de ces échecs pourrait être l'utilisation de modèles animaux qui ne reproduisent pas fidèlement les forces biomécaniques traumatiques des commotions cérébrales telles qu'elles ont été vécues par les humains. La méthode présentée ici répond à la définition des commotions cérébrales humaines qui précise que le traumatisme crânien primaire est induit par un impact brutal ainsi que par une accélération et une décélération rapides de la tête et du torse2,3.
En outre, notre modèle combiné est approprié pour les chercheurs qui étudient les effets des lésions cérébrales traumatiques légères répétées (RMTBI) puisque l'une de ses caractéristiques clés qui le distingue des autres modèles animaux de commotion est qu'il permet d'induire blessures répétées et légères au même cas18. Chez l'homme, le rmTBI est associé à des symptômes post-traumatiques plus graves, à des temps de récupération plus longs et à des déficiences motrices et cognitives aggravées qui ont tendance à se propager au fil du temps20,21. D'autres modèles animaux pertinents ont également permis de mieux comprendre la physiopathologie post-traumatique de rmTBI22,23,24,25,26,27 . Une vulnérabilité cérébrale accrue a été démontrée chez les rongeurs après un minimum de 5 mTBI à 24 heures d'intervalle. La neuroinflammation augmente avec le nombre de mTBI expérimentés et les marqueurs de neurodégénérescence apparaissent28. Le mTBI répété empêcherait la transition des microglies d'un mode proinflammatoire à un mode normal de rétablissement, ayant pour résultat l'activité excitotoxic prolongée et l'activation des mécanismes neurodegenerative 29. Avec notre modèle, les rats pourraient être exposés à 1 impact par jour sur une période de 1 semaine pour un total de 5 expositions. Compte tenu de la simplicité de ce modèle animal, il pourrait faciliter la caractérisation des effets cumulatifs de la libération de neurotransmetteur s'agit d'un neurotransmetteur indiscriminé aigu surgissant immédiatement après un MTBI.
Ce modèle permet également aux animaux d'être facilement exposés à 2 impacts par jour, ce qui permet d'étudier des conditions encore plus graves, comme lorsqu'un athlète reçoit un autre impact traumatique dans un court laps de temps à partir du premier coup30. Comme démontré dans une étude précédente31, le moment d'un deuxième coup à la tête peut affecter considérablement les dommages vasculaires et axonaux. Plus le second coup est proche du premier coup, plus les conséquences sont dommageables. Ce modèle est approprié pour étudier comment cette condition particulière affecte la libération extracellulaire de neurotransmetteur.
Dans cette méthode, l'hippocampe a été utilisé comme région d'intérêt en raison de sa pertinence dans la recherche sur les commotions cérébrales, mais des échantillons de microdialyse peuvent être prélevés dans d'autres régions d'intérêt ainsi. Cependant, toute autre région du cerveau doit être considérée en raison de l'espace laissé par le site d'impact de la canule guide, y compris le ciment dentaire qui l'entoure, peut prendre une quantité considérable d'espace sur la tête du rat. En outre, les paramètres de microdialyse présentés dans cette méthode tels que le seuil de poids moléculaire de la membrane et la longueur active, les intervalles de temps d'échantillonnage et le débit peuvent être ajustés en fonction du type de molécule étudiée. La collecte efficace des cytokines pro-inflammatoires impliquées dans des commotions cérébrales, par exemple, exigerait une membrane avec une taille beaucoup plus grande de pores.