Lo scopo di questo metodo è quello di fornire ai ricercatori uno strumento affidabile che riproduce fedelmente la biomeccanica del trauma craniocerebrale umano, consentendo la caratterizzazione longitudinale degli effetti molecolari delle commozioni cerebrali/lieve cervello traumatico lesioni (mTBI). Questo metodo combina la microdialisi cerebrale con il modello di caduta di peso Wayne State per documentare, in ratti adulti leggermente anestesizzati e sfrenati, i cambiamenti acuti nei livelli di neurotrasmettitore extracellulare a seguito di commozione cerebrale. Con questo metodo minimamente invasivo, neurotrasmettitori come glutammato, GABA, taurina, glicina e secina possono essere rapidamente e continuamente quantificati a seguito di trauma, in vivo, pur non dovendo sacrificare l'animale.
La commozione cerebrale/mTBI è un'interruzione patofisiologica che influenza il funzionamento del cervello causata da un meccanismo di forza esterna. La commozione cerebrale/mTBI è la forma più comune di lesione cerebrale traumatica, che rappresenta il 70-90% dei casi1. La maggior parte delle interruzioni funzionali acute a seguito di una commozione cerebrale può essere attribuita a una lesione cerebrale primaria e secondaria2,3: (1) la lesione cerebrale primaria è indotta dalla rapida accelerazione e decelerazione della testa e del torso che danneggia i tessuti cerebrali mediante compressione seguita dallo stiramento e dalla tosatura degli assoni durante il contraccolpo4,5,6 e (2) la lesione cerebrale secondaria è la risposta cellulare indiretta al trauma. Si svolge ore e giorni dopo la lesione cerebrale primaria e svolge un ruolo importante nel danno motorio e conoscitivo osservato nel tempo. Molti dei sintomi possono essere attribuiti a neurotrasmissione alterata come il rilascio eccessivo di glutammato extracellulare dimostrato in precedenza nei primi 10 min a seguito della lesione7,8,9. Data la sua alta densità di terminali e recettori, l'ippocampo è una struttura cerebrale particolarmente vulnerabile a questa risposta excitotoxic a seguito di lesioni. Essere fortemente coinvolti nella funzione cognitiva10,11, studi in roditori hanno riferito che i danni ippocampali associati con commozione cerebrale possono portare a danni nella paura condizionamento e apprendimento della memoria spaziale12 , 13.L'obiettivo primario di questa metodologia era quello di elaborare un modello di ratto di commozione cerebrale/mTBI, utilizzando la procedura di caduta del peso della testa chiusa Wayne State per riprodurre fedelmente i meccanismi della lesione cerebrale primaria, e incorporare microdialisi da studiare in vivo, il neurotrasmettitore extracellulare acuto cambia a causa della lesione cerebrale secondaria a seguito di una commozione cerebrale. Le concentrazioni di glutammato extracellulare e GABA sono state misurate nell'ippocampo per agire come risultati rappresentativi del nostro metodo.
Precedenti studi sui roditori hanno combinato la microdialisi e altri modelli di lesioni, come la goccia di peso a cranio aperto e l'impatto corticale controllato, per dimostrare i cambiamenti acuti nei livelli di neurotrasmettitore extracellulare a seguito di una lesione di gravità variabile gradi14,15,16,17. Tuttavia, oltre agli alti gradi di variabilità, il valore traslazionale di modelli come la goccia di peso a cranio aperto e l'impatto corticale controllato è ostacolato da una intrinseca mancanza di validità ecologica dovuta a 2 fattori: (1) questi modelli inducono le lesioni molto più gravi delle commozioni cerebrali legate allo sport subite negli esseri umani, con carico cerebrale diretto e (2) questi modelli richiedono una craniectomia o una craniotomia, la testa del roditore è completamente trattenuta in un telaio stereotassico, impedendo la rapida accelerazione e decelerazione della testa e del torso, riproducendo così male la biomeccanica della commozione cerebrale.
La microdialisi è un metodo minimamente invasivo che offre il chiaro vantaggio di campionare neurotrasmettitori come glutammato, GABA, taurina, glicina e serina, in vivo e continuamente a seguito di traumi, pur non dovendo sacrificare l'animale. Oltre ai vantaggi offerti dalla microdialisi, la Wayne State University ha sviluppato un modello di caduta di peso a cranio chiuso (al contrario di open-skull da altri modelli), che consente l'induzione di un mTBI su un roditore leggermente anestesizzato e sfrenato, permettendo così la rapida accelerazione e decelerazione della testa e del busto18. Come accennato in precedenza, l'accelerazione e la decelerazione della testa e del torso è una caratteristica biomeccanica fondamentale delle commozioni cerebrali legate allo sport osservate negli esseri umani che i precedenti modelli mTBI del roditore non sono riusciti ad affrontare. La procedura di caduta del peso può essere eseguita molto rapidamente e non richiede alcun intervento chirurgico precedente o incisione del cuoio capelluto. A seguito dell'induzione della commozione cerebrale, i roditori recuperano il riflesso di raddrizzamento quasi spontaneamente e non sperimentano paralisi, convulsioni o afflizioni respiratorie dopo un singolo impatto. Le emorragie intracraniche e le fratture del cranio sono rare e solo piccoli deficit nella coordinazione motoria sono stati segnalati nei roditori. Questo modello di ratto è facile da usare, poco costoso e facilita la quantificazione dei neurotrasmettitori rilasciati nella fase acuta dopo una commozione cerebrale senza rimuovere la sonda di microdialisi durante l'impatto.
Il nostro modello di ratto che combina microdialisi e commozione cerebrale è appropriato per i ricercatori che cercano di caratterizzare longitudinalmente gli effetti molecolari della commozione cerebrale e potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di studi terapeutici. Infatti, nonostante diversi anni di ricerca e un bisogno travolgente, nessun farmaco per prevenire gli effetti a lungo termine delle commozioni cerebrali ha superato la fase di sperimentazione clinica19. Una delle possibili ragioni di questi fallimenti potrebbe essere l'uso di modelli animali che non riproducono fedelmente le forze biomeccaniche traumatiche delle commozioni cerebrali sperimentate dagli esseri umani. Il metodo qui presentato incontra la definizione di commozioni cerebrali umane che specifica che la lesione cerebrale primaria è indotta da un impatto smussato, nonché una rapida accelerazione e decelerazione della testa e del busto2,3.
Inoltre, il nostro modello combinato è appropriato per i ricercatori che studiano gli effetti di ripetute lesioni cerebrali traumatiche ripetute (rmTBI) poiché una delle sue caratteristiche chiave che lo distingue dagli altri modelli animali di commozione cerebrale è che permette di indurre ferite ripetute e lievi allo stesso caso18. Nell'uomo, rmTBI è associato a sintomi post-traumatici più gravi, tempi di recupero più lunghi e disturbi motori e cognitivi aggravati che tendono a diffondersi nel tempo20,21. Altri modelli animali rilevanti hanno anche permesso di comprendere meglio la fisiofisiologia post-traumatica di rmTBI22,23,24,25,26,27 . Aumento della vulnerabilità cerebrale è stato dimostrato in roditori dopo un minimo di 5 mTBI a intervalli di 24 h. La neuroinfiammazione aumenta con il numero di mTBI sperimentati e i marcatori di neurodegenerazione appaiono28. MTBI ripetuto impedirebbe la transizione di microglia da una modalità proinfiammatoria a una modalità normale di recupero, con conseguente prolungata attività eccitotossico e l'attivazione di meccanismi neurodegenerativi 29. Con il nostro modello, i ratti potrebbero essere esposti a 1 impatto al giorno nel periodo di 1 settimana per un totale di 5 esposizioni. Data la semplicità di questo modello animale, potrebbe facilitare la caratterizzazione degli effetti cumulativi del rilascio del neurotrasmettitore indiscriminato acuto che si verifica immediatamente dopo un mTBI.
Questo modello permette anche agli animali di essere facilmente esposti a 2 impatti al giorno, rendendo possibile studiare condizioni ancora più gravi come quando un atleta riceve un altro impatto traumatico in breve tempo dal primo colpo30. Come dimostrato in uno studio precedente31, la tempistica di un secondo colpo alla testa può influenzare drammaticamente danni vascolari e assonali. Più vicino è il secondo colpo al primo colpo, più dannose sono le conseguenze. Questo modello è appropriato per studiare come questa particolare condizione influisce sul rilascio di neurotrasmettitore extracellulare.
In questo metodo, l'ippocampo è stato utilizzato come regione di interesse a causa della sua rilevanza nella ricerca a concussione, ma campioni di microdialisi possono essere raccolti anche da altre regioni di interesse. Tuttavia, qualsiasi altra regione del cervello deve essere considerata a causa dello spazio lasciato dal sito di impatto dalla cannula guida, compreso il cemento dentale che lo circonda, può occupare una notevole quantità di spazio sulla testa del ratto. In aggiunta a questo, i parametri di microdialisi presentati in questo metodo come il taglio del peso molecolare della membrana e la lunghezza attiva, gli intervalli di tempo di campionamento e la portata possono essere regolati in base al tipo di molecola studiata. L'efficiente raccolta di citochine pro-infiammatorie coinvolte in commozioni cerebrali, ad esempio, richiederebbe una membrana con una dimensione dei pori molto più grande.