Qui viene presentato un nuovo dispositivo automatizzato per la contusione da lesione del midollo spinale per topi, in grado di produrre con precisione modelli di contusione da lesione del midollo spinale con vari gradi.
Articolo metodologico
* These authors contributed equally
Qui viene presentato un nuovo dispositivo automatizzato per la contusione da lesione del midollo spinale per topi, in grado di produrre con precisione modelli di contusione da lesione del midollo spinale con vari gradi.
La lesione del midollo spinale (SCI) dovuta a lesioni traumatiche come incidenti stradali e cadute è associata a una disfunzione permanente del midollo spinale. La creazione di modelli di contusione della lesione del midollo spinale impattando sul midollo spinale provoca patologie simili alla maggior parte delle lesioni del midollo spinale nella pratica clinica. Modelli animali accurati, riproducibili e convenienti di lesione del midollo spinale sono essenziali per lo studio della lesione del midollo spinale. Presentiamo un nuovo dispositivo automatizzato per la contusione delle lesioni del midollo spinale per topi, il sistema intelligente per lesioni del midollo spinale dell'Università di Guangzhou Jinan, in grado di produrre modelli di contusione per lesioni del midollo spinale con precisione, riproducibilità e praticità. Il sistema produce con precisione modelli di vari gradi di lesione del midollo spinale tramite sensori di distanza laser combinati con una piattaforma mobile automatizzata e un software avanzato. Abbiamo utilizzato questo sistema per creare tre livelli di modelli di topi con lesione del midollo spinale, abbiamo determinato i loro punteggi della scala di topo Basso (BMS) e abbiamo eseguito saggi comportamentali e di colorazione per dimostrarne l'accuratezza e la riproducibilità. Mostriamo ogni fase dello sviluppo dei modelli di lesione utilizzando questo dispositivo, formando una procedura standardizzata. Questo metodo produce modelli murini riproducibili di contusione per lesioni del midollo spinale e riduce i fattori di manipolazione umana attraverso comode procedure di manipolazione. Il modello animale sviluppato è affidabile per lo studio dei meccanismi di lesione del midollo spinale e degli approcci terapeutici associati.
La lesione del midollo spinale di solito provoca una disfunzione permanente del midollo spinale al di sotto del segmento lesionato. È principalmente causato da oggetti che colpiscono la colonna vertebrale e dall'iperestensione della colonna vertebrale, come incidenti stradali e cadute1. A causa della limitata disponibilità di opzioni terapeutiche efficaci per le lesioni del midollo spinale, la delucidazione della patogenesi delle lesioni del midollo spinale utilizzando modelli animali sarà informativa per lo sviluppo di approcci terapeutici appropriati. Il modello di contusione della lesione del midollo spinale causata dall'impatto sul midollo spinale porta allo sviluppo di modelli animali con patologie simili alla maggior parte dei casi clinici di lesione del midollo spinale 2,3. Pertanto, è importante produrre modelli animali accurati, riproducibili e convenienti per la contusione della lesione del midollo spinale.
Dall'invenzione da parte di Allen del primo modello animale di lesione del midollo spinale nel 1911, ci sono stati importanti progressi nello sviluppo di strumenti per stabilire modelli animali di lesione del midollo spinale 4,5. Sulla base dei meccanismi di lesione, i modelli di lesione del midollo spinale sono classificati come contusione, compressione, distrazione, lussazione, transezione o chimica6. Tra questi, i modelli di contusione, che utilizzano forze esterne per spostare e danneggiare il midollo spinale, sono i più vicini all'eziologia clinica della maggior parte dei pazienti con lesione del midollo spinale. Pertanto, il modello della contusione è stato utilizzato da molti ricercatori negli studi sulle lesioni del midollo spinale 3,7. Vari strumenti vengono utilizzati per sviluppare modelli di contusione da lesione del midollo spinale. L'impattatore MASCIS (Multicenter Animal Spinal Cord Injury Studies) della New York University (NYU) produce contusioni da lesioni del midollo spinale mediante un dispositivo di caduta del peso8. Dopo diverse versioni aggiornate, l'impattatore MASCIS è ampiamente utilizzato per sviluppare modelli animali di contusione da lesioni del midollo spinale9. Tuttavia, quando l'asta d'impatto di MASCIS cade e colpisce il midollo spinale, possono verificarsi lesioni multiple, che influenzano il grado di lesione nei modelli di lesione del midollo spinale. Inoltre, è difficile raggiungere la precisione meccanica per garantire l'accuratezza dello strumento e la ripetibilità del modello di produzione. Gli impattatori dell'orizzonte infinito causano contusioni controllando la forza applicata al midollo spinale piuttosto che pesanti cadute10. Utilizza un computer collegato a un sensore per misurare direttamente la forza d'impatto tra l'impattatore e il midollo spinale. Quando viene raggiunta la soglia, il dispositivo d'urto viene immediatamente retratto, evitando così il rimbalzo del peso e migliorando la precisione10,11. Tuttavia, l'uso di questa modalità motoria fine per infliggere danni può causare danni incoerenti e deficit funzionali6. Il dispositivo dell'Ohio State University (OSU) comprime la superficie dorsale del midollo spinale a una velocità transitoria mediante un driver elettromagnetico12,13. Questo dispositivo è simile agli impatti a orizzonte infinito, in quanto utilizza compressioni a breve distanza per causare lesioni al midollo spinale. Tuttavia, presenta vari limiti in quanto la determinazione iniziale del punto zero causerà errori dovuti alla presenza del liquido cerebrospinale 6,14. In sintesi, ci sono molti strumenti che possono essere utilizzati per sviluppare modelli animali di contusione da lesione del midollo spinale, ma tutti hanno alcune limitazioni che portano a un'insufficiente accuratezza e riproducibilità dei modelli animali. Pertanto, al fine di creare in modo più accurato, conveniente e riproducibile modelli di contusione murina di lesione del midollo spinale, è necessario un impattatore di lesioni del midollo spinale automatizzato e intelligente.
Presentiamo un nuovo impattatore per lesioni del midollo spinale, il sistema intelligente per lesioni del midollo spinale dell'Università di Guangzhou Jinan (sistema SCI intelligente G; Figura 1), per la produzione di modelli di contusione con lesione del midollo spinale. Il dispositivo utilizza un telemetro laser come dispositivo di posizionamento, combinato con una piattaforma mobile automatizzata per automatizzare i colpi in base ai parametri di sciopero impostati, tra cui la velocità di colpo, la profondità di colpo e il tempo di permanenza. Il funzionamento automatizzato riduce i fattori umani e migliora l'accuratezza e la riproducibilità dei modelli animali.
Gli studi sugli animali sono stati esaminati e approvati dal Comitato Etico dell'Università di Jinan.
1. Anestetizzazione degli animali e laminectomia spinale T10
2. Contusione del midollo spinale T10 utilizzando il sistema G smart SCI
3. Cure post-operatorie
4. Testare gli effetti della lesione spinale
La laminectomia è stata eseguita su 24 topi femmina (8 settimane di età) come descritto sopra. I topi del gruppo sham (n = 6) non sono stati sottoposti a lesioni del midollo spinale, mentre il resto dei topi, compreso il gruppo da 0,5 mm (n = 6), il gruppo da 0,8 mm (n = 6) e il gruppo da 1,1 mm (n = 6) sono stati sottoposti a diverse profondità di conflitto del midollo spinale. I punteggi BMS sono stati regolarmente registrati fino a 1 mese dopo l'intervento (Figura 4). Ci sono state differenze significative nei punteggi BMS postoperatori dei topi in diversi gruppi. Dopo 1 mese, i topi nel gruppo di 0,5 mm hanno avuto da 4 a 6 punteggi postoperatori e si sono ripresi a un livello simile a quello del gruppo sham. I topi nei gruppi di 0,8 mm e 1,1 mm hanno avuto da 1 a 2 punteggi postoperatori. Dopo 1 mese, il gruppo da 0,8 mm ha recuperato da 4 a 6 punti, mentre i topi nel gruppo da 1,1 mm si sono ripresi a malapena.
Dopo 1 mese, sono stati eseguiti test comportamentali sugli animali, tra cui il difetto del piede, il rotarod e la passerella. Nel test del difetto del piede (Figura 5A), non sono state riscontrate differenze significative nel difetto del piede degli arti posteriori tra i gruppi da 0,5 mm e sham. Tuttavia, il difetto del piede degli arti posteriori per il gruppo di 0,8 mm era significativamente diverso da tutti gli altri gruppi. Il tasso di guasto del piede dei topi nel gruppo di 1,1 mm era del 100% perché gli arti posteriori non potevano sostenere l'animale a terra ed era significativamente diverso dagli altri gruppi. Nel test rotarod (Figura 5B), abbiamo registrato il tempo di latenza per cadere in diversi gruppi di topi. Entrambi i gruppi da 0,8 mm e 1,1 mm erano significativamente diversi dagli altri gruppi, ma il gruppo sham ha avuto risultati simili al gruppo da 0,5 mm. Nel test della passerella (Figura 6), abbiamo registrato e analizzato l'indice di regolarità e l'area di contatto massima posteriore in diversi gruppi di topi. C'erano differenze significative nell'indice di regolarità e nelle aree di contatto massime posteriori tra i topi in gruppi diversi, il che implica differenze significative nelle funzioni di deambulazione tra topi con diverse profondità di lesione del midollo spinale. Pertanto, è possibile creare modelli murini con diverse profondità di lesione del midollo spinale e con differenze significative nelle funzioni degli arti posteriori utilizzando il dispositivo sviluppato.
Infine, abbiamo resecato il midollo spinale dei topi (Figura 7A) e realizzato sezioni per la colorazione dell'ematossilina e dell'eosina (HE) (Figura 7C). Ci sono stati vari gradi di danno sia nelle immagini del midollo spinale che nelle sezioni colorate con HE. In sintesi, abbiamo sviluppato accuratamente diversi gradi di modelli murini con lesione del midollo spinale utilizzando lo strumento proposto.

Figura 1: Sistema intelligente per lesioni del midollo spinale dell'Università di Guangzhou Jinan (sistema G smart SCI). Fissare l'immobilizzatore spinale per immobilizzare il mouse sul tavolo portante. Impostare i parametri di impatto tramite touch screen. Utilizzare il microdriver laterale per regolare le posizioni laterali del supporto e utilizzare il touch screen per regolare le posizioni frontali. Il telemetro laser conferma la posizione dell'impatto e misura l'altezza dell'impatto in modo che la testa dell'impatto possa colpire con precisione in base alla posizione e alla profondità del colpo impostate. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Il touch screen operativo. (A) Nella pagina dei parametri è possibile impostare i parametri di danno, tra cui la velocità di impatto (0,5 -2,0 m/s), la profondità di impatto (0 -3 mm) e il tempo di permanenza (500 -2 ms). (B) Nella pagina in movimento, è possibile impostare l'altezza della testa d'impatto e la posizione del fissatore spinale. (C) Nella pagina di preparazione, facendo clic sul pulsante Pronto , si otterrà la regolazione automatica della testa d'impatto e del tavolo portante in una posizione specifica in base ai parametri impostati. Facendo clic sul pulsante Start , la testa d'impatto colpirà il midollo spinale in base ai parametri impostati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Midollo spinale dopo una lesione. (A) Gruppo fittizio. L'immobilizzatore spinale ha immobilizzato le vertebre T10 e il midollo spinale è esposto dopo la laminectomia senza danni. (B) Gruppo da 0,5 mm. Il midollo spinale è stato leggermente danneggiato dopo essere stato colpito a una profondità di 0,5 mm e c'era una piccola quantità di congestione. (C) Gruppo da 0,8 mm. Il midollo spinale era moderatamente danneggiato e presentava un'evidente congestione dopo essere stato colpito ad una profondità di 0,8 mm. (D) gruppo 1,1 mm. Il midollo spinale è stato gravemente danneggiato dopo essere stato colpito a una profondità di 1,1 mm e c'era molta congestione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: I punteggi BMS. I punteggi BMS dei topi sono stati registrati dal primo giorno postoperatorio a un mese dopo l'intervento (n = 6 /gruppo). *p< 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001 rispetto all'ANOVA unidirezionale. La data è espressa come media ± errore standard della media (SEM). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Test di calpestio e test di rotarod. (A) Difetti del piede degli arti posteriori in topi con diversi gradi di lesioni del midollo spinale (n = 6 /gruppo). p <0,001 rispetto all'utilizzo di ANOVA unidirezionale. (B) La latenza alla caduta durante l'accelerazione del rotarod è stata confrontata tra topi con diversi gradi di lesioni del midollo spinale (n = 6 /gruppo). * p < 0,05, *** p < 0,001 rispetto all'utilizzo dell'ANOVA unidirezionale. La data è espressa come media ± errore standard della media (SEM). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Test della passerella. (A, C) Indici di regolarità in topi con diversi gradi di lesioni del midollo spinale (n = 6 /gruppo). * p < 0,05, *** p < 0,001 rispetto all'utilizzo dell'ANOVA unidirezionale. (B, D) Le aree di contatto massime posteriori sono state analizzate automaticamente utilizzando il software (n = 6 /gruppo). ** p < 0,01, *** p < 0,001 rispetto all'ANOVA unidirezionale. La data è espressa come media ± errore standard della media (SEM). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Colorazione del midollo spinale e H&E. (A) Midollo spinale di topi con diversi gradi di lesione 1 mese dopo l'intervento chirurgico. (B) Cifre ingrandite. (C) Colorazione H&E dei siti di lesione del midollo spinale in topi con diversi gradi di lesione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La lesione del midollo spinale può portare a deficit sensoriali e motori, che possono provocare gravi menomazioni fisiche e mentali. In Cina, l'incidenza di lesioni del midollo spinale nelle diverse province varia da 14,6 a 60,6 per milione18. L'aumento della prevalenza della lesione midollare eserciterà una maggiore pressione sul sistema sanitario. Attualmente, le opzioni terapeutiche efficaci per le lesioni del midollo spinale e le lesioni sono limitate, perché i suoi meccanismi patologici e i processi di riparazione devono ancora essere pienamente compresi19. È necessario creare modelli animali accurati e riproducibili di lesioni del midollo spinale per studiare i meccanismi patogenetici e i processi di riparazione delle lesioni del midollo spinale. A tal fine, abbiamo sviluppato uno strumento accurato, ripetibile e semplice per le lesioni del midollo spinale.
Molti dispositivi, tra cui l'impattatore NYU-MASCIS, l'impattatore a orizzonte infinito e l'impattatore OSU, vengono utilizzati per creare modelli di contusione delle lesioni del midollo spinale 8,9,12,13,20. Questi dispositivi sono complessi da utilizzare e possono produrre grandi errori a causa delle diverse competenze del personale. Inoltre, ci sono vari difetti nella progettazione di questi dispositivi che li rendono meno accurati e riproducibili6. La posizione specifica della lesione del midollo spinale ne determina la gravità, quindi durante la creazione di modelli di lesione del midollo spinale, il metodo di posizionamento determina l'accuratezza della modellazione21. Il sistema G smart SCI utilizza un telemetro laser per localizzare il sito della lesione del midollo spinale e regola l'altezza della testa d'impatto in base ai dati del telemetro per impostare la profondità del colpo. Un altro dispositivo a percussione che utilizza il posizionamento laser è l'impattatore del Louisville Injury System Apparatus (LISA) della Indiana University Schoolof Medicine 15. Sebbene LISA utilizzi il posizionamento laser, richiede la determinazione e la regolazione manuale dell'altezza della testa d'impatto per ottenere una profondità di battuta controllata, che aumenta l'intervento umano. Nel frattempo, LISA utilizza i riscontri pneumatici e il controllo del laptop, che richiedono più spazio sperimentale e aumentano i costi operativi10. Il sistema G smart SCI riduce gli errori umani semi-automatizzando il processo operativo ed è facile da spostare grazie al suo design leggero.
Sulla base dei parametri impostati, il dispositivo può avere un impatto accurato sul midollo spinale dei topi, creando così modelli con diversi gradi di lesioni del midollo spinale. In questo studio, i topi con diversi gradi di lesioni del midollo spinale hanno mostrato differenze significative nelle funzioni degli arti posteriori. È importante sottolineare che i saggi sono riproducibili e possono generare costantemente modelli di lesione midollare.
Nel protocollo, i passaggi più critici includono l'esecuzione accurata della laminectomia, la stabilizzazione delle spine dei topi e l'utilizzo del laser per un posizionamento accurato per garantire l'accuratezza e la ripetibilità dell'esperimento. Durante il processo di progettazione, abbiamo apportato alcuni miglioramenti al dispositivo. Abbiamo scoperto che dopo il colpo, il livello non poteva tornare facilmente al punto di distanza, quindi abbiamo aggiunto un pulsante per tornare al punto di distanza. Inoltre, i parametri desiderati non potevano essere regolati rapidamente, quindi abbiamo aggiunto una tastiera numerica per l'input. Anche l'azionamento elettromagnetico a carica lenta nella prima versione è stato migliorato. Questo dispositivo è attualmente limitato alla creazione di modelli murini con contusione da lesione del midollo spinale toracico. Devono essere condotti studi a sostegno dell'uso di questo strumento nella creazione di modelli di lesione del midollo spinale di ratto o modelli di lesione del midollo spinale cervicale.
Inoltre, il dottor Bilgen della University of Kansas Medical School ha descritto un dispositivo di impatto controllato da computer, che può indurre lesioni al sistema nervoso centrale (SNC), tra cui lesioni cerebrali traumatiche (TBI) e lesioni del midollo spinale (SCI)22. Simile al nostro dispositivo, anche questo dispositivo utilizza una varietà di apparecchiature e sistemi commercializzati, quindi è stato commercializzato e utilizzato con successo23. L'apparecchiatura che descriviamo ha le caratteristiche di automazione, precisione e convenienza e si prevede che sarà commercializzata in futuro e andrà a beneficio di un maggior numero di ricercatori sulle lesioni del midollo spinale.
In sintesi, abbiamo progettato un impattatore automatizzato del midollo spinale del topo per creare modelli di contusione midollare. Il dispositivo migliora la precisione con un telemetro laser e riduce gli errori umani grazie a un processo operativo automatizzato. Inoltre, il sistema G smart SCI è più facile da usare e trasportare rispetto ad altri dispositivi, offrendo comodità alla ricerca sulle lesioni del midollo spinale. È importante sottolineare che il dispositivo è in grado di creare in modo accurato e riproducibile diverse classi di modelli murini SCI a seconda delle esigenze dell'esperimento.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China, n. 82102314 (a ZSJ) e 32170977 (a HSL) e dalla Natural Science Foundation della provincia del Guangdong, n. 2022A1515010438 (a ZSJ) e 2022A1515012306 (a HSL). Questo studio è stato supportato dal Clinical Frontier Technology Program del First Affiliated Hospital dell'Università di Jinan, Cina, n. JNU1AF- CFTP- 2022- a01206 (a HSL). Questo studio è stato supportato dal Guangzhou Science and Technology Plan Project, Nos. 202201020018 (to HSL), 2023A04J1284 (to ZSJ) e 2023A03J1024 (to HSL).
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 0,01 M PBS (polvere, pH7,2-7,4) | Solarbio Life Sciences | P1010 | |
| 2,2,2-Tribromoetanolo | Macklin | 75-80-9 | |
| 4% paraformaldeide fissativo tissutale | Biosharp life science | BL539A | |
| Biomicroscopio | Leica | LCC50 HD | |
| CatWalk | Noldus Information Technology | CatWalk XT 9.1 | |
| Vetro di copertura | CITOTEST Scientific | 10212432C | |
| Macchina per l'inclusione | Changzhou Zhongwei Strumento elettronico | BMJ-A | |
| Etanolo assoluto | DAMAO | 64-17-5 | |
| FootFaultScan | Clever Sys Inc. | - | |
| Vetrino | CITOTEST Scientific | 80302-2104 | |
| Kit di colorazione ematossilina ed eosina | Beyotime Biotechnology | C0105S | |
| trapano per micromolazione | FEIYUBIO | 19-7010 | |
| Fissatore spinale di topo | RWD Life Science | 68094 | |
| Microtomo di paraffina | Thermo | shandon finesse 325 | |
| RotaRod per topi | Ugo Basile | 47600 | |
| Stereomicroscopio | KUY NICE | SZM-7045 | |
| Alcool terz-amilico | Macklin | 75-85-4 | |
| Xilene | Cina Nazionale Farmaceutica | #10023418 |