폐쇄 머리 경미한 외상성 손상의 쥐 모델 및 그 검증

경미한 외상성 뇌손상(mTBI) 또는 뇌진탕은 가장 흔한 유형의 손상이며 다양한 단기 및 만성 증상을 유발할 수 있습니다¹. 이러한 증상에는 현기증, 두통, 우울증 및 무쾌감증 등이 포함될 수 있으며, 이는 mTBI²의 영향을 받는 개인에게 상당한 고통을 초래할 수 있습니다. 대부분의 mTBI는 둔기에 의한 외상에 의해 발생하기 때문에³ 이러한 부상을 정확하게 모방하는 동물 모델을 개발하는 것이 필수적이다. 이러한 모델은 부상과 그 근본적인 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 필수적이며, 인간 연구에 비해 변동성과 이질성이 감소된 통제된 환경을 제공합니다.

외상성 뇌손상(Traumatic Brain Injury, TBI)에 대한 수많은 잘 정립된 설치류 모델이 개발되었는데, 여기에는 유체 타악기 손상(fluid percussion injury, FPI)⁴, 통제된 피질 충격(controlled cortical impact, CCI)⁵, 체중 감소 손상(weight-drop injury⁾⁶, 폭발 외상성 뇌 손상(blast traumatic brain injury⁾⁷ 등이 포함된다. 그러나 이러한 모델은 주로 중등도에서 중증의 TBI 시나리오를 복제하는 데 중점을 둡니다. 대조적으로, mTBI를 시뮬레이션하기 위해 특별히 설계된 실험 모델은 상대적으로 덜 주목을 받았으며 아직 연구가 덜 된 상태로 남아 있다⁸. 따라서 mTBI를 정확하게 나타내는 안정적이고 재현 가능한 동물 모델을 확립하는 것이 중요합니다. 이러한 모델은 mTBI와 관련된 신경생물학적, 행동적 결과에 대한 우리의 이해를 크게 향상시킬 것입니다.

마취 효과가 사라진 후 우연한 관찰을 통해 정상 쥐와 비교한 mTBI 쥐의 기능적 결함을 구별할 수 없습니다. 따라서 특정 테스트를 시행해야 합니다. 인간의 경우, 환자를 평가하기 위해 광범위한 임상적 평가가 사용된다 ^9,10,11. 마찬가지로, 쥐 모델에서 성공적인 모델을 확립하려면 신속한 평가 도구를 사용하여 타당성을 결정해야 합니다.

이 연구에서는 인간의 조건과 매우 유사한 방식으로 mTBI를 조사할 수 있는 폐쇄형 머리 mTBI 쥐 모델을 제시합니다. 모델 및 검증 절차에 대한 자세한 설명은 mTBI 연구에 사용되는 실험적 접근 방식에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다.

동물 실험은 Central South University Animal Care and Use Committee의 승인을 받았습니다. 모든 연구는 실험동물의 복지 및 윤리 원칙에 따라 수행되었습니다.

1. 동물 사료 급여 및 마취 절차

1. 그룹 하우스 280-320g Sprague-Dawley 수컷 쥐 및 음식과 물 adlibitum에 접근할 수 있는 12시간/12시간 밝은/어두운 주기로 유지합니다. 쥐가 6일 동안 적응한 후 연구를 수행합니다.
2. 쥐가 발이나 꼬리 꼬집기에 반응하지 않을 때까지 유도 상자에서 0.6L/min 공기 흐름으로 3% 이소플루란으로 쥐를 마취합니다. 30초 동안 유속을 유지합니다.
   참고: 진통제는 신경 행동 평가에서 쥐의 반응을 방해하므로 사용하지 않았습니다.

2. 수술 전 설정

1. 경도 값이 35D(스폰지 무게 35kg/m3)이고 길이와 너비는 동일하지만 두께가 12cm인 스폰지를 상단 덮개가 없는 아크릴 상자(15cm x 22cm x 43cm) 안에 놓습니다.
2. 은박지(두께 20μm)를 다듬고 접착 테이프를 사용하여 아크릴 상자에 부착하여 쥐의 무게를 지탱할 수 있는 파괴 가능한 표면을 만듭니다. 또한 약 10cm 크기의 절단선을 쥐의 머리를 배치하기 위한 지정된 위치로 표시하십시오.
3. 철제 스탠드를 사용하여 PVC 튜브를 제자리에 단단히 고정합니다. 직경 18mm의 550g 무게의 천공 추를 준비합니다. 폴리염화비닐 또는 PVC 튜브 내부 1m 높이의 낚싯줄에 추를 부착합니다. 은박지에서 3cm 위로 가이드 튜브의 위치를 조정합니다.
4. 헬멧과 베개를 준비합니다. 직경 10mm, 두께 3mm의 스테인리스 스틸 디스크를 사용하여 헬멧을 만드십시오. 쐐기 모양의 스폰지 베개를 준비하여 쥐의 머리 아래에 놓고 중력 방향과 수직이 되도록 합니다.
   알림: 충격 장치의 개략도는 그림 1에 나와 있습니다. 헬멧은 충격 위치를 식별하고 외력의 분포를 향상시키는 목적으로 사용됩니다. 베개는 균일하고 안정적인 손상을 보장하는 데 사용됩니다.

3. mTBI 유도

1. 마취된 쥐를 가슴에 있는 은박지 위에 재빨리 놓습니다.
   알림: mTBI 유도에는 두 명의 작업자가 필요하며, 하나는 준비용이고 다른 하나는 검증용입니다.
2. 준비: 쥐 아래에 베개를 놓고 머리가 호일 종이와 평행이 되도록 합니다. 헬멧을 쥐의 귀에 맞추고 제자리에 고정합니다.
3. 확인: PVC 파이프가 헬멧 바로 위에 있는지 확인합니다. 두 운영자가 올바른 설정을 확인하면 다음 단계로 진행합니다.
4. 머리 회전 유도: 무게를 풀어 쥐가 떨어지고 쥐의 머리를 때리도록 하여 스펀지에 떨어지고 180° 회전하도록 유도합니다.
5. 깨끗한 새장에 쥐를 눕히십시오.

4. 가짜 감응작용

1. 쥐를 이전 mTBI 유도 설명과 동일한 방식으로 치료하되 머리에 충격을 가하지 마십시오.

5. 검증 절차: 급성 신경행동 평가

참고: 다음 평가는 신경학적 심각도 점수⁹ 및 Flierl et ^al.10의 프로토콜을 기반으로 수정되었습니다. 이 모든 평가는 쥐가 오른쪽 반사를 회복한 후 10분 후에 수행되었습니다.

1. 의식 상실 시간: 쥐가 마취된 시점부터 오른쪽 반사가 회복될 때까지의 시간을 기록합니다.
   알림: 오른쪽 반사는 쥐가 등을 대고 있을 때 뒤집히는 과정입니다. 직정 반사의 상실은 인도적인 종점으로 간주되어야 하며, 동물은 기관 지침에 따라 안락사되어야 한다.
2. 첫 번째 탐색 행동 시간: 쥐가 마취된 시점부터 처음으로 탐색 행동을 보일 때까지의 시간을 기록합니다.
   알림: 추구하는 행동은 환경에 대한 관심의 표시이며 생리적 반응입니다.
3. 탈출 능력
   1. 출구(길이 0.5cm, 너비 9cm)가 있는 원형 장치(직경 0.5m, 높이 0.3m)의 중간에 쥐를 놓습니다.
   2. 쥐가 원을 벗어나는 데 걸리는 시간을 기록하십시오.
      알림: 쥐가 180초 이내에 원을 벗어나지 않으면 시간을 180초로 기록합니다.
4. 빔 밸런스 능력 시험
   1. 그에 따라 쥐를 3cm, 2cm, 1.5cm 너비의 빔에 1분 동안 놓습니다.
   2. 쥐가 빔에서 안정된 자세로 균형을 유지하면 0으로 점수를 매깁니다.
   3. 쥐가 들보의 측면을 잡으면 1점을 줍니다. 쥐가 빔을 껴안고 한쪽 팔다리가 떨어지면 2점으로 점수를 매깁니다.
   4. 쥐가 빔을 껴안고 두 팔다리가 빔에서 떨어지거나 회전하면(>60초) 3점으로 점수가 매겨집니다.
   5. 쥐가 빔에서 균형을 잡으려고 시도하지만 떨어지면(> 40초) 4점으로 점수를 매깁니다.
   6. 쥐가 빔에서 균형을 잡으려고 시도하지만 떨어지면(>20초) 5점으로 점수를 매깁니다.
   7. 쥐가 균형을 잡거나 빔에 매달리려고 시도하지 않고 20초 이내에 떨어지면 6점으로 점수를 매깁니다.
      알림: 빔 밸런스 테스트에는 사전 시험이 필요하지 않습니다.

6. 검증 절차: 신경 행동 평가

참고: 행동 실험에 앞서, 스트레스와 신기성 파괴를 최소화하기 위해 쥐를 3일 연속 매일 2분씩 다루었습니다. 모든 행동 실험은 실험 시작 전 60분 동안 동물을 실험 환경에 두어 수행하였다.

1. 운동 협응 능력(빔 작업)
   1. 실험 설정
      1. 균형 빔의 한쪽 끝(길이 1.5m, 바닥 위 75cm)에 쥐를 놓습니다. 다른 쪽 끝에 탈출 상자(기울어진 침구 홈 케이지)를 놓습니다.
      2. 테스트 중 낙상 시 쥐가 부상을 입을 수 있는 잠재적 위험을 완화하기 위해 빔 아래에 폼 패딩을 배치합니다.
      3. 비디오 카메라를 켭니다.
      4. 부상 후 또는 가짜 치료 후 특정 시점(예: 1일차, 3일차 및 7일차)에 테스트 날짜를 예약합니다.
   2. 교육 단계(2일)
      1. 쥐가 4cm 너비의 빔을 3회 연속으로 교차하도록 훈련시킨 다음 2cm 너비의 빔을 두 번 시도합니다.
      2. 훈련하는 동안 쥐가 간섭 없이 쉽게 건널 수 있을 때까지 빔을 가로질러 부드럽게 안내합니다.
   3. 밸런스 빔 실험
      1. 2cm 너비의 빔에 쥐를 놓고 5회 연속 시행합니다.
      2. 쥐의 코가 각각 시작선과 종료선을 넘을 때 각 시도의 시작과 끝을 기록합니다.
      3. 실험이 끝나면 쥐를 우리로 돌려보냅니다.
   4. 기준 테스트
      1. 부상이나 치료 전에 밸런스 빔 실험을 수행하십시오.
      2. 이 5번의 연속 시행의 평균값을 계산하여 각 쥐에 대한 기준선을 설정합니다.
   5. 데이터 분석
      1. 빔을 통과하는 시간과 뒷발 미끄러짐의 총 횟수를 실험 조건에 눈이 먼 연구원의 비디오 분석을 사용하여 분석합니다.
2. 불안 (오픈 필드 테스트)
   1. 실험 설정
      1. 오픈 필드 경기장을 준비하여 깨끗하고 이전 냄새 신호가 없는지 확인하십시오. 경기장을 중앙 내부 구역(33cm x 33cm), 중간 구역(66cm x 66cm) 및 외부 구역의 세 구역으로 나눕니다.
   2. 테스트 단계
      1. 오픈 필드 경기장 중앙에 쥐를 놓고 타이머를 시작하세요. 쥐가 5분 동안 경기장을 자유롭게 탐험할 수 있도록 합니다. 5분 후 조심스럽게 부드럽게 쥐를 집 우리로 돌려보냅니다.
   3. 데이터 수집
      1. 5분의 탐색 시간 동안 쥐가 이동한 총 거리를 측정합니다. 쥐가 중앙 내부, 중간 및 외부 영역에서 보내는 시간을 결정합니다.
   4. 데이터 분석
      1. 전체 탐색 행동과 운동 능력의 척도로 총 이동 거리를 사용합니다. 불안과 같은 반응의 지표로 중앙 내부 영역에서 보낸 시간을 계산합니다.
3. 학습 및 기억 능력(Morris water maze 테스트)
   1. 물 미로 장치가 적절한 상태인지 확인하십시오. 물을 검은색으로 염색하고 네 가지 기본 방향으로 큐를 배치합니다. 플랫폼을 수면에서 2.5cm 아래에 배치합니다.
   2. 쥐의 행동을 기록하고 관찰하기 위해 모니터링 시스템을 설정합니다.
   3. 트레일 데이
      1. 재빨리 쥐를 물 미로에 넣으세요. 쥐가 2분 이내에 플랫폼에 도달하지 못하면 나무 막대기를 사용하여 부드럽게 안내합니다.
      2. 쥐가 플랫폼에 20초 동안 서 있는 동안 미로 환경에 익숙해지도록 한 다음 제거합니다. 쥐가 플랫폼에 있으면 20초 동안 그대로 두었다가 제거합니다.
   4. 매일 반복
      1. 훈련일 절차를 반복하여 쥐를 다른 사분면의 물에 넣습니다. 6.3.3단계를 반복합니다. 연속 5일 동안 훈련을 계속합니다.
   5. 프로브 테스트 일: 6^일 째 되는 날에 플랫폼을 제거하고 쥐를 같은 사분면에 2분 동안 놓습니다.
   6. 관찰 및 기록: 모니터링 시스템을 활용하여 시험 및 프로브 테스트 날짜에 쥐의 행동을 모니터링합니다.
   7. 청소: 물 미로에서 쥐를 제거한 후 수건을 사용하여 완전히 말리십시오.

이 작업에 사용 된 장치는 Kane 모델과 Richelle Mychasiuk의 소아 모델11,12의 수정 된 버전이었습니다. 이 연구에서 SD 쥐는 가짜 및 mTBI 그룹에 할당되었습니다. 이 모델의 재현성을 입증하기 위해 급성 신경 행동 평가와 함께 이 모델의 세 가지 독립적인 반복을 수행했으며 각 실험에는 8-12마리의 쥐가 포함되었습니다. 이 연구에서는 30마리 이상의 mTBI 쥐를 사용했으며, 2마리의 쥐는 마취로 인한 폐사를 경험했습니다. 그러나 실험 중에 뇌 손상으로 쓰러진 쥐는 없었다. 이러한 실험의 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 또한 신경 행동 평가는 급성 및 아급성 단계에서 수행되었습니다(그림 3, 그림 4 및 그림 5).

급성 신경 행동 평가 결과

이 모든 평가는 각각 마취/충격 0분(의식 상실 시간 및 첫 번째 탐색 행동 시간) 또는 10분(원 탈출 및 빔 균형) 후에 수행되었습니다.

그림 2A에서 볼 수 있듯이 mTBI 쥐는 무의식에서 회복하는 데 훨씬 더 많은 시간을 보냈으며, 이는 이전 연구에서 얻은 결과와 일치합니다12,13. 정상적인 생리적 활동으로 간주되는 쥐의 탐색 행동은 mTBI 그룹 내에서 회복 기간에 통계적으로 유의한 증가를 보였습니다(그림 2B). 이 발견은 mTBI 쥐가 운동, 후각, 촉각 탐색 및 환경 스캔 능력을 회복하는 데 더 오랜 시간이 필요했음을 시사합니다.

기존 원형 검사는 이전에 배치 및 고유 수용성 검사와 같은 검사자의 주관적 관찰에 의존했던 신경학적 중증도 점수의 원래 감각 검사를 대체했습니다. mTBI 쥐는 가짜 쥐에 비해 원을 벗어나는 데 훨씬 더 오랜 시간을 보냈습니다(그림 2C). 순환 이탈 시간에 대해 이원 분산 분석(two-way ANOVA)을 이용한 통계 분석에서는 손상의 유의한 주효과(F [1, 36] = 21.29, p < 0.0001)를 보였으며, 이는 mTBI 그룹과 가짜 그룹 간의 차이를 나타냅니다. 그러나 시행 횟수에 따라 유의한 효과는 없었다(F [2, 36]=0.1396, p=0.87).

빔 균형 테스트의 결과는 양원 분산 분석을 사용하여 분석한 후 그룹 평균 간의 차이에 대한 Bonferroni의 다중 비교를 수행했습니다(그림 2D). 모든 광폭 빔 작업에서 부상의 전반적인 영향이 유의했으며(3cm: F=13.89, p < 0.001; 2cm: F=42.7, p < 0.001; 1.5cm: F=27.25, p < 0.001), 이는 충격 후 10분 후 mTBI 쥐가 가짜 쥐에 비해 균형 장애를 나타냈음을 나타냅니다. 3개의 독립적인 반복 실험에 따르면, 2cm 및 1.5cm 너비의 밸런스 빔은 3cm 너비의 빔보다 가짜와 mTBI 그룹 간에 더 나은 구별을 보여주었습니다.

신경행동 평가 결과

운동 협응 능력은 마취 전/부상 1일과 마취/부상 후 1일, 3일, 7일에 빔 작업을 사용하여 평가되었습니다(그림 3). 뒷다리 미끄러짐의 총 수(그림 3A)는 반복 측정된 양방향 분산 분석으로 분석되었으며, Bonferroni의 다중 비교를 통해 mTBI 쥐는 가짜 쥐에 비해 부상 후 1일차에 훨씬 더 많은 뒷다리 미끄러짐을 보였다(그림 3A; p < 0.01). 그러나 2일 회복 후 뒷실수에는 변화가 없었으며 총 전표 수는 7일 후 가짜 수준으로 다시 해결되었습니다. 특히, 6마리의 mTBI 쥐 모두 충격 후 뒷다리 미끄러짐이 기준선 성능보다 더 많았습니다. 가짜 쥐에서 뒷다리 미끄러짐이 약간 증가한 것은 연습 균형 빔의 부족과 관련이 있을 수 있습니다. 부상 후 1일과 3일째, mTBI 쥐는 150cm 빔을 가로지르는 데 더 많은 시간을 보냈지만(39.8초 ± 3.79초 대 28.68초 ± 0.82초, 37.06초 ± 4.06초 대 29.28초 ± 3.42초), 모든 시점에서 빔을 가로지르는 데 걸리는 시간에는 차이가 없었습니다(그림 3B).

가짜 그룹과 mTBI 그룹 간의 이동 거리에는 유의한 차이가 없었습니다(그림 4A). 불안과 유사한 행동은 오픈 필드 테스트 동안 중앙 구역에서 보낸 시간을 측정하여 평가되었습니다. 부상 후 3일과 7일 모두에서 mTBI 쥐는 가짜 쥐에 비해 중앙 영역에서 보내는 시간이 크게 감소했습니다. 이 결과는 mTBI 쥐가 7일 이내에 충격 후 더 높은 수준의 불안과 유사한 행동을 보였다는 것을 나타냅니다(그림 4B,C).

Morris water maze learning days 결과에 따르면 mTBI 쥐는 가짜 쥐보다 숨겨진 플랫폼을 찾는 데 더 많은 시간이 필요하며, 이는 mTBI 그룹의 공간 학습 및 기억 장애를 나타냅니다(그림 5). 그 후, 탐사 실험에서 mTBI 쥐는 공간 기억 유지에 결함이 있는 것으로 나타났는데, 이는 제거된 플랫폼을 찾는 데 더 적은 시간을 소비하는 것으로 입증되었습니다. 특히, 가짜 그룹과 mTBI 그룹 간의 수영 속도에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았으며, 이는 오픈 필드 테스트에서 수행된 이동 거리 분석에서 관찰된 일관된 결과를 뒷받침합니다. 이러한 결과는 충격이 자발적 운동 기능에 뚜렷한 영향을 미치지 않았음을 시사한다.

그림 1: 쥐의 mTBI에 대한 충격 장치. (A) 쥐 머리의 상대적 위치에 있는 베개와 헬멧의 평면도와 측면도. 빨간색 점선은 헬멧 위치를 나타냅니다. (B) 쥐 단계 위에 위치한 낙하된 추에 대한 수직 가이드 튜브와 수집 스폰지를 보여주는 전체 어셈블리의 이미지. (C) 머리에 충돌한 후 쥐가 180° 회전하는 모습과 그에 따른 가속/회전을 묘사한 충격 비디오에서 캡처한 스틸. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: mTBI 쥐를 독립적으로 3회 반복한 가짜 mTBI 쥐에 따른 급성 신경 행동 평가 결과. (A) mTBI를 받은 쥐에서 마취 중단 후 의식 상실 시간이 가짜 쥐에 비해 유의하게 증가했습니다. 유의한 그룹 효과(P < 0.0001, two-way ANOVA)는 있었지만 유의한 시간(P=0.6226) 효과나 그룹 x 시간(P=0.5803) 교호작용은 없었습니다. (B) mTBI 쥐는 마취 후 첫 번째 탐색 행동을 보였다. (C) 가짜 쥐는 60cm 원을 벗어나는 데 더 적은 시간을 소비했습니다(*p < 0.01, **p < 0.001, 짝을 이루지 않은 t-검정). (D) 3cm, 2cm 및 1.5cm 너비 빔의 빔 밸런스 점수의 성능. 각 그룹에 대한 Bonferroni의 다중 비교 결과가 그림에 나와 있습니다. 평균± 평균의 표준 오차로 표시되는 데이터입니다. 실험당 N = 8-12마리의 쥐를 사용하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 충격 전과 충격 후 1일차, 3일차, 7일차의 빔 작업 성능. (A) mTBI 쥐는 부상 후 1일차에 더 많은 뒷다리 미끄러짐을 했습니다(*p < 0.001, 2방향 분산 분석 반복 측정). (B) 가짜 쥐의 평균 이동 시간은 mTBI 쥐보다 짧습니다. 평균± 평균의 표준 오차로 표시되는 데이터(N = 6/그룹). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 부상 전 1일차와 부상 후 1일차, 3일차, 7일차, 14일차의 야외 테스트 성능. (A) 가짜 쥐와 mTBI 쥐 사이에는 이동 거리에 차이가 없었다. (B) mTBI 쥐는 3일째와 7일째에 가짜 쥐보다 중심에서 더 적은 시간을 보냈으며(*p < 0.01, **p < 0.001, 반복 측정된 2방향 분산 분석), 부상 전 1일차와 부상 후 1일차, 14일차에 뚜렷한 차이가 없었습니다. (C) mTBI 이후 1일, 3일, 7일 및 14일째에 mTBI 쥐의 추적 지도. 평균± 평균의 표준 오차로 표시되는 데이터(N = 6-10/그룹). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: Morris water maze의 성능. (A) 수영 능력 테스트에서 가짜 쥐와 mTBI 쥐 사이의 속도에는 차이가 없었습니다. (B) 평가판 날짜에 참조 메모리 작업의 숨겨진 플랫폼에 대한 대기 시간. (C) 쥐는 5일 시험 후 2분 프로브 시험 시험에서 플랫폼을 더 많이 건넜습니다. Sham (5.14 ± 0.65) vs. mTBI (3.56 ± 0.6), (*p < 0.01, 짝을 이루지 않은 t-검정). 평균± 평균의 표준 오차로 표시되는 데이터(N = 9/그룹). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

저자는 공개할 재정적 이해관계가 없습니다.