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Il protocollo descritto in questo studio delinea un metodo per indurre rmTBI attraverso una finestra cranica assottigliata, che offre una soluzione alla lesione cerebrale causata dalla preparazione della craniotomia durante la modellazione convenzionale del trauma cranico a percussione. Utilizzando questa procedura di percussione fluida modificata con il dispositivo modificato, sono state ottenute una maggiore precisione e riproducibilità dell'impatto FPI13. L'impattatore modificato ha la versatilità di essere utilizzato sia per la modellazione CHI che FPI, con o senza craniotomia cranica. Inoltre, la gravità della lesione viene modulata regolando i parametri della lesione, come l'angolo di caduta del pendolo d'impatto, o aggiungendo ulteriori cuscinetti in schiuma di etilene-vinil acetato a celle chiuse di varia durezza alla piastra terminale dell'asta del pistone.
Il modello rmTBI modificato offre vantaggi significativi, come la produzione di patologia focale e diffusa senza esporre il durale corticale, che riduce al minimo l'infiammazione dovuta all'esposizione meningea e/o all'FPI diretto sul parenchima. Inoltre, questo modello riduce le variazioni nello spessore e nella forma delle ossa del cranio per produrre esiti affidabili delle lesioni. Pertanto, il modello rmTBI modificato è efficace e affidabile nella simulazione di deficit neuropatologici e comportamentali correlati a sintomi post-commozione cerebrale (PCS) clinicamente rilevanti in diversi gradi di lesione. In particolare, questo modello è utile per studiare i meccanismi patologici del trauma cranico che si basano sull'accuratezza e la riproducibilità dei modelli di trauma cranico animale, in particolare per studiare i meccanismi correlati al trauma cranico lieve.
Il ramo laterale frontale dell'arteria cerebrale media del topo e la vena renale caudale19, situata sotto il cranio assottigliato, hanno permesso una chiara visualizzazione sotto la telecamera. Dopo due percussioni rmTBI, ciascuna a una pressione di circa 2,0 atm, tutti i topi hanno mostrato ematomi subdurali a 0 DPI. Sebbene l'integrità del cranio assottigliato non sembrasse essere compromessa; tuttavia, è stata osservata una riduzione del numero di microvasi insieme a cambiamenti nella morfologia della microvascolarizzazione (Figura 2H), come precedentemente riportato15. Entro 2 DPI, gli ematomi si sono in gran parte risolti. La mortalità deriva principalmente dall'impatto mentre il topo è in anestesia profonda, che può prolungare significativamente l'apnea. Valutare regolarmente la profondità dell'anestesia prima dell'impatto attraverso i riflessi di ritiro palpebrale e della zampa può ridurre sostanzialmente la mortalità. Ulteriori fattori che possono influire sui tassi di mortalità dopo la percussione di fluidi includono l'affaticamento del topo, la durezza del cranio, il sesso e l'età. In uno studio precedente che utilizzava lo stesso protocollo rmTBI, un topo C57BL/6J era morto15 volte. In questo protocollo, sono stati utilizzati solo topi ICR maschi per introdurre tutte le procedure.
Sia gli studi sull'uomo che quelli sugli animali hanno dimostrato che anche impatti ripetitivi della testa subconcussivi possono causare diffuse lesioni microstrutturali della sostanza bianca 20,21,22, che sono associate a prestazioni cognitive peggiori 21,22. A 7-12 DPI, rmTBI può produrre disturbi nell'apprendimento spaziale e nella memoria, che sono stati esaminati utilizzando il paradigma MWM. La Figura 4 illustra i risultati ottenuti da questa valutazione.
L'analisi dell'ultimo studio di acquisizione nel MWM ha dimostrato un aumento significativo (p< 0,05) della latenza da parte dei topi rmTBI per raggiungere la piattaforma sommersa, rispetto al gruppo di controllo. Nella prova della sonda, l'analisi della percentuale di tempo trascorso nel quadrante originale della piattaforma ha dimostrato una riduzione significativa (p<0,01) nel gruppo rmTBI rispetto al gruppo di controllo, indicando un declino delle capacità di apprendimento e memoria di riferimento spaziale nei topi con rmTBI.
Il metodo qui descritto è stato utilizzato in una precedente pubblicazione15 utilizzando i topi C57BL/6J. Oltre al MWM, sono state condotte tre analisi aggiuntive, come descritto di seguito.
L'OFT è stato utilizzato per valutare le capacità di locomozione ed esplorazione misurando la velocità media di viaggio, la distanza totale percorsa e la percentuale di distanza percorsa nelle zone centrali. Condurre un test in campo aperto (OFT) a 6 DPI per valutare la locomozione, l'esplorazione e l'ansia nei topi. Il dispositivo di prova misurava 40 x 40 x 40 cm, che era diviso in 16 zone (ciascuna misurava 18 x 18 cm). Il mouse è stato posizionato al centro del dispositivo e gli è stato permesso di esplorare liberamente per 5 minuti. È stata effettuata la registrazione della distanza percorsa nelle 4 zone centrali, della distanza totale percorsa, della velocità media di spostamento e del tempo trascorso nelle zone di confine. I livelli di ansia sono stati valutati in base alla percentuale di distanza percorsa nelle zone centrali e al tempo trascorso dai roditori nelle zone limitrofe durante un periodo di osservazione di 5 minuti. A 6 DPI, l'rmTBI potrebbe non avere un impatto significativo sulle capacità locomotive generali dei topi, può indurre ansia significativa e alterare il comportamento esplorativo, come mostrato nella Figura 415. Inoltre, il modello rmTBI modificato induce lesioni assonali diffuse, che possono essere valutate attraverso ulteriori test comportamentali, come il test di capacità cognitiva descritto in questo protocollo.
È stato dimostrato che l'RmTBI compromette il funzionamento spaziale e la memoria di riferimento nei topi, come illustrato nella Figura 515. Queste funzioni cognitive sono state valutate utilizzando il test del labirinto a Y. Il test è stato eseguito a 8 DPI per misurare i deficit di memoria di lavoro a breve termine nei topi. Per il comportamento di alternanza spontanea: è stato utilizzato un dispositivo acrilico a labirinto a Y (20 cm di altezza, 50 cm di lunghezza e 10 cm di larghezza nella parte inferiore). Dopo aver posizionato il mouse al centro del dispositivo e averlo lasciato esplorare per 8 minuti, sono state registrate le voci del braccio. Il comportamento di alternanza spontanea è definito come l'ingresso successivo del topo nei tre bracci su insiemi di triplette. Calcolare il tasso di alternanza spontanea (%) come (serie di triplette successive / numero totale di ingressi nel braccio meno 2) x 100. Per la memoria di riferimento spaziale, durante gli 8 minuti di allenamento, chiudere in modo casuale un braccio del dispositivo Y-maze. Dopo 1 ora dall'esposizione iniziale, il topo viene reintrodotto nel labirinto con tutte e tre le braccia aperte e lasciarlo esplorare liberamente per 3 minuti. Viene registrato il tempo trascorso ad esplorare il nuovo braccio rispetto agli altri due bracci. Calcola l'indice di preferenza come il tempo trascorso nel nuovo braccio rispetto al tempo trascorso in tutti e tre i bracci.
Inoltre, suggeriamo di valutare le lesioni strutturali macroscopiche nel cervello utilizzando una semplice colorazione HE (Figura 6)15 dopo aver completato tutti i test comportamentali. Utilizzare la regione corticale sezionata coronalmente da 1 mm anteriormente al sito della lesione fino al margine posteriore della lesione e la regione ippocampale sezionata coronalmente nella tipica zona a forma di mezzaluna (Bregma: da -1,7 a -2,2 mm). Il conteggio dei neuroni in ogni vetrino da sei campi randomizzati utilizzando una griglia oculare (ingrandimento 400x) e la media del numero neuronale hanno fornito la densità numerica per campo visivo (densità numerica). È stato riscontrato che le regioni cerebrali colpite da rmTBI mostrano vari gradi di lesioni neuronali15. In particolare, la corteccia motoria ha dimostrato un'estensione più potente e varia di tali lesioni rispetto all'ippocampo. La colorazione dell'HE ha mostrato un notevole spostamento verso la morfologia picnotica dei neuroni normali (Figura 6A, B, E, F). Inoltre, è stato osservato che la matrice extracellulare si allenta specificamente nella regione della lesione (Figura 6F). Oltre alle aree allentate dalla matrice osservate, i topi rmTBI hanno anche mostrato un aumento significativo della colorazione ipercromica, vista come un colore rosso più scuro, in un numero significativo di neuroni subgranulari nel giro dentato e in alcuni neuroni corticali e CA1. Curiosamente, questi modelli di colorazione non presentavano alcun segno di restringimento citoplasmatico o nucleo picnotico (Figura 6C, D, G, H, K) 15. I metodi di colorazione comportamentale (ad eccezione del test WMM) e HE sopra menzionati sono stati dettagliati in una recente pubblicazione, che ha introdotto il modello rmTBI modificato15.

Figura 1: Il dispositivo FPI modificato e lo screenshot del software. (A) Il dispositivo FPI modificato. (B) Lo screenshot mostra la forma d'onda della pressione FPI e la misurazione e l'esportazione automatiche dei parametri della pressione di impatto in tempo reale come il tempo di salita, il tempo di caduta e la durata della mezza larghezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Il modello murino modificato di rmTBI nei topi ICR. (A) Viene praticata un'incisione sulla linea mediana per esporre l'area chirurgica. (B) Una finestra cranica assottigliata è stata fabbricata sulla corteccia motoria. La chiarezza dei microvasi corticali esposti viene utilizzata per determinare lo spessore del cranio. (C) Lo spessore del cranio può anche essere verificato sondando delicatamente il cranio assottigliato con la punta appiattita di un ago da siringa sottile e valutando la sua morbidezza. (D) La femmina di Luer Lock era incollata alla finestra del cranio assottigliato. (E) Il Luer Lock femmina attaccato è stato fissato applicando il cemento dentale. (F) La profondità dell'anestesia è stata monitorata controllando i riflessi palpebrale e di ritiro della zampa. (G) L'impatto FPI è stato erogato dopo il ritorno di un riflesso di ritiro a un pizzico della zampa. (H) Immagine post-rmTBI della finestra del cranio assottigliato a 0 DPI. (I) Il cuoio capelluto è stato suturato con adesivo tissutale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Gli effetti dell'rmTBI sull'apprendimento di riferimento spaziale e sulla memoria nei topi ICR. (A) La traccia di navigazione per i topi durante l'ultima prova di acquisizione registrata a 11 DPI, (B) il percorso della sonda spaziale nella prova con sonda registrata a 12 DPI e (C) il tempo di fuga impiegato dai topi per localizzare la piattaforma durante l'ultima prova di acquisizione. I risultati hanno rivelato che il gruppo rmTBI ha impiegato molto più tempo per raggiungere la piattaforma nascosta rispetto al gruppo di controllo (p<0,05). (D) La percentuale di tempo che i topi hanno trascorso nel quadrante originale della piattaforma rispetto al tempo totale di navigazione durante la prova della sonda era significativamente inferiore nel gruppo rmTBI rispetto al gruppo di controllo (p<0,01). n=8. *p<0,05, **p<0,01 rispetto al controllo mediante t-test non accoppiato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Gli effetti dell'rmTBI sulla locomozione, l'esplorazione e l'ansia nei topi C57BL/6J. (A) Tracce rappresentative del controllo e del movimento dei topi rmTBI durante 5 minuti di OFT. (B-E) I dati riepilogativi mostrano rispettivamente la distanza percorsa nelle zone centrali, la distanza totale percorsa, la velocità media di viaggio e il tempo trascorso nelle zone periferiche. Controllo, n=13; rmTBI, n =12. p<. 01 vs. controllo mediante test t non accoppiato. Questa cifra è stata modificata da15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Gli effetti dell'rmTBI sul lavoro spaziale e sulla memoria di riferimento nei topi C57BL/6J. (A, B) Tracce rappresentative del controllo e del movimento dei topi rmTBI durante il lavoro spaziale e le valutazioni della memoria di riferimento nel labirinto a Y. Il test di alternanza spontanea del labirinto a Y è un metodo comunemente usato per valutare la memoria a breve termine nei modelli di roditori15. (C) Riepilogo dei tassi di alternanza spontanea dei topi di controllo e rmTBI durante la valutazione del lavoro spaziale. I roditori di solito preferiscono esplorare un nuovo braccio del labirinto piuttosto che rivisitarne uno che hanno già esplorato. Un indice di preferenza viene calcolato in base al tempo che i roditori trascorrono nel nuovo braccio rispetto al tempo trascorso in tutti e tre i bracci, e questo indice viene quindi analizzato. (D) Riepilogo dell'indice di preferenza dei topi di controllo e rmTBI durante la valutazione del lavoro spaziale. Controllo, n=13; rmTBI, n=12. p<. 01 vs. controllo mediante test t non accoppiato. Questa cifra è stata modificata da15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Confronto della colorazione HE della corteccia motoria lesionata omolaterale e della sottoregione del giro dentato dell'ippocampo tra controllo e rmTBI nei topi C57BL/6J. (A, B) Corteccia motoria normale; e (C, D) la regione ippocampale dei topi di controllo in diversi ingrandimenti. (E, F) Corteccia motoria danneggiata e regioni ippocampali (G, H) di topi rmTBI. I neuroni ipercromici nella corteccia e nel CA1 possono essere stati leggermente influenzati dalla preparazione dell'intervento chirurgico o dal rmTBI sostenuto; tuttavia, neuroni ipocromici (possibilmente con lesioni intermedie) e picnotici (neuroni apoptotici) sono stati osservati nella corteccia motoria dei topi rmTBI rispetto ai neuroni normali nei topi di controllo. Queste caratteristiche dell'apoptosi neuronale includevano il restringimento del citoplasma neuronale e del nucleo, accompagnato da apparente vacuolizzazione. In particolare, la linea bianca di demarcazione in (E) rappresenta il confine tra la lesione e il tessuto circostante. Inoltre, i neuroni ipercromici nella sottoregione DG (H) si riferivano probabilmente a neuroni granulari immaturi e maturi di nuova generazione. I grafici a barre sottostanti mostrano la distribuzione dei neuroni normali e affetti da rmTBI nelle sottoregioni (I) della corteccia motoria e dell'ippocampo (J) CA1 e (K) DG. Controllo, n=13; rmTBI, n=12, ***p<. 001 vs. controllo mediante test t non accoppiato. Questa cifra è stata modificata da15. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.