Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Blast Wave-model met lage intensiteit voor preklinische beoordeling van licht traumatisch hersenletsel met gesloten hoofd bij knaagdieren

2.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/61244

⸱

6 november 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Geriatrics Research Education and Clinical Center, Veterans Affairs, 2Division of Gerontology and Geriatric Medicine, University of Washington, 3Department of Neurosurgery, University of Florida, 4Department of Neurosurgery, West Virginia University, 5Division of Pharmaceutical Sciences, University of Cincinnati, 6Central Illinois Neuro Health Sciences, Bloomington, IL, 7Neuro-research, Dallas, TX

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

We presenteren hier een protocol van een explosiegolfmodel voor knaagdieren om neurobiologische en pathofysiologische effecten van mild tot matig traumatisch hersenletsel te onderzoeken. We hebben een gasgestuurde, bench-top opstelling opgezet die is uitgerust met druksensoren die een betrouwbare en reproduceerbare generatie van door ontploffing geïnduceerd mild tot matig traumatisch hersenletsel mogelijk maken.

Samenvatting

Traumatisch hersenletsel (TBI) is een grootschalig probleem voor de volksgezondheid. Milde TBI is de meest voorkomende vorm van neurotrauma en is goed voor een groot aantal medische bezoeken in de Verenigde Staten. Er zijn momenteel geen door de FDA goedgekeurde behandelingen beschikbaar voor TBI. De toegenomen incidentie van militair gerelateerde, door ontploffingen geïnduceerde TBI accentueert de dringende behoefte aan effectieve TBI-behandelingen verder. Daarom zullen nieuwe preklinische TBI-diermodellen die aspecten van human blast-gerelateerde TBI samenvatten, de onderzoeksinspanningen naar de neurobiologische en pathofysiologische processen die ten grondslag liggen aan milde tot matige TBI aanzienlijk bevorderen, evenals de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën voor TBI.

Hier presenteren we een betrouwbaar, reproduceerbaar model voor het onderzoek naar de moleculaire, cellulaire en gedragseffecten van milde tot matige blast-geïnduceerde TBI. We beschrijven een stapsgewijs protocol voor gesloten hoofd, blast-geïnduceerde milde TBI bij knaagdieren met behulp van een bench-top opstelling bestaande uit een gasaangedreven schokbuis uitgerust met piëzo-elektrische druksensoren om consistente testomstandigheden te garanderen. De voordelen van de installatie die we hebben vastgesteld, zijn de relatief lage kosten, het installatiegemak, het gebruiksgemak en de hoge doorvoercapaciteit. Verdere voordelen van dit niet-invasieve TBI-model zijn de schaalbaarheid van de blast peak overdruk en het genereren van gecontroleerde reproduceerbare uitkomsten. De reproduceerbaarheid en relevantie van dit TBI-model is geëvalueerd in een aantal downstream-toepassingen, waaronder neurobiologische, neuropathologische, neurofysiologische en gedragsanalyses, ter ondersteuning van het gebruik van dit model voor de karakterisering van processen die ten grondslag liggen aan de etiologie van milde tot matige TBI.

Inleiding

Traumatisch hersenletsel (TBI) is goed voor meer dan twee miljoen ziekenhuisbezoeken per jaar in de Verenigde Staten alleen. Milde TBI vaak als gevolg van auto-ongelukken, sportevenementen of vallen vertegenwoordigen ongeveer 80% van alle TBI-gevallen1. Milde TBI wordt beschouwd als de 'stille ziekte' omdat patiënten vaak geen openlijke symptomen ervaren in de dagen en maanden na de eerste belediging, maar later in het leven ernstige TBI-gerelateerde complicaties kunnen ontwikkelen2. Bovendien komt blast-geïnduceerde milde TBI veel voor bij leden van de militaire dienst en is het in verband gebracht met chronische CZS-disfunctie3,4,5,6. Vanwege de stijgende incidentie van blastaire milde TBI7,8 is preklinische modellering van neurobiologische en pathofysiologische processen geassocieerd met milde TBI dus een focus geworden in de ontwikkeling van nieuwe therapeutische interventies voor TBI.

Historisch gezien heeft TBI-onderzoek zich voornamelijk gericht op ernstige vormen van neurotrauma, ondanks het relatief lagere aantal ernstige menselijke TBI-gevallen. Preklinische knaagdiermodellen voor ernstige menselijke TBI zijn ontwikkeld, waaronder de controlled cortical impact (CCI)9,10 en fluid percussion injury (FPI)11 modellen, die beide goed ingeburgerd zijn om betrouwbare pathofysiologische effecten te produceren12,13. Deze modellen hebben de basis gelegd voor wat vandaag bekend is over neuro-inflammatie, neurodegeneratie en neuronale reparatie in TBI. Hoewel er aanzienlijke kennis van de pathofysiologie van TBI is ontwikkeld, zijn er momenteel geen effectieve, door de FDA goedgekeurde behandelingen beschikbaar voor TBI.

Meer recent is de focus van TBI-onderzoek verbreed naar een breder spectrum van TBI-gerelateerde pathologieën met als uiteindelijk doel effectieve therapeutische interventies te ontwikkelen. Niettemin zijn er weinig preklinische modellen voor milde TBI vastgesteld die meetbare effecten hebben aangetoond, en slechts een klein aantal studies heeft het milde TBI-spectrum2,14,15 onderzocht. Aangezien milde TBI verantwoordelijk is voor de grote meerderheid van alle TBI-gevallen, zijn betrouwbare modellen van milde TBI dringend nodig om onderzoek naar de etiologie en neuropathofysiologie van de menselijke conditie te vergemakkelijken, om nieuwe therapeutische strategieën te ontwikkelen.

In samenwerking met biomedische ingenieurs en lucht- en ruimtevaartfysici hebben we een schaalbaar, gesloten-head blast wave-model opgezet voor milde tot matige TBI. Dit preklinische knaagdiermodel is speciaal ontwikkeld om de effecten van krachtdynamiek te onderzoeken, waaronder explosiegolven en versnellings- / vertragingsbewegingen, die geassocieerd zijn met menselijke milde TBI verkregen in militaire gevechten, sportevenementen, auto-ongelukken en vallen. Omdat explosiegolven correleren met de krachtdynamiek die milde TBI bij mensen veroorzaakt, is dit model ontworpen om een consistente Friedlander-golfvorm te produceren met een impuls, die wordt gemeten als ponden per vierkante inch (psi) * milliseconde (ms). Het impulsniveau wordt geschaald om onder de gedefinieerde longhindercurven voor muizen en ratten te vallen om preklinisch onderzoek uit te voeren16,17,18. Bovendien maakt dit model onderzoek mogelijk naar coup- en contrecoup-letsel als gevolg van snelle rotatiekrachten van het hoofd van het dier. Dit soort letsel is inherent aan verschillende soorten klinische TBI-presentaties, waaronder die waargenomen bij zowel militaire als civiele populaties. Daarom past dit veelzijdige model in een behoefte die meerdere klinische presentaties van TBI omvat.

Het hier gepresenteerde preklinische model produceert betrouwbare en reproduceerbare pathofysiologische veranderingen geassocieerd met klinisch milde TBI zoals aangetoond door een aantal eerdere studies17,19,20,21,22,23. Studies met dit model toonden aan dat ratten die werden onderworpen aan een ontploffingsgolf met lage intensiteit neuro-inflammatie, axonaal letsel, microvasculaire schade, biochemische veranderingen gerelateerd aan neuronale schade en tekorten in plasticiteit op korte termijn en synaptische prikkelbaarheid vertoonden19. Dit milde TBI-model induceerde echter geen macroscopische neuropathologische veranderingen, waaronder weefselbeschadiging, bloeding, hematoom en kneuzing19 die vaak zijn waargenomen in studies met matige tot ernstige invasieve TBI-modellen10,24. Eerder onderzoek19,21,22,23 heeft aangetoond dat dit preklinische model kan worden gebruikt om neurobiologische en pathofysiologische processen te karakteriseren die ten grondslag liggen aan de etiologie van milde en matige TBI17,19,20,21,22,23. Dit model maakt het ook mogelijk om nieuwe therapeutische verbindingen en strategieën te testen, evenals de identificatie van nieuwe, geschikte doelen voor de ontwikkeling van effectieve TBI-interventies19,21,22,23.

Dit model is ontwikkeld om effecten te onderzoeken die worden veroorzaakt door explosiegolven en snelle rotatiekrachten op moleculaire, cellulaire en gedragsmatige uitkomsten bij knaagdieren. Analoog aan het hier gepresenteerde explosiegolfmodel is een aantal preklinische modellen ontwikkeld die proberen milde tot matige TBI samen te vatten met behulp van gasgestuurde overdrukgolven2,14,17,25,26,27,28. Enkele van de beperkingen van andere modellen zijn: het dier is bevestigd aan een gaasgurney en het hoofd wordt geïmmobiliseerd bij impact; de perifere organen worden naast de hersenen blootgesteld aan de golf, waardoor de verstorende variabelen van polytrauma ontstaan; en de modellen zijn groot en stationair, wat het veranderen en aanpassen van kritische parameters beperkt tot betere modelomstandigheden die doen denken aan menselijke TBI.

De voordelen van deze bench-top, gasgestuurde schokbuisopstelling zijn de relatief lage kosten voor aanschaf- en bedrijfskosten, evenals het gemak van installatie en gebruik. Bovendien maakt de opstelling een hoge doorvoer en het genereren van gecontroleerde reproduceerbare explosiegolven en in vivo resultaten bij zowel muizen als ratten mogelijk. Om te kunnen controleren op consistente testomstandigheden (d.w.z. constante straalgolf en overdruk) is de opstelling uitgerust met druksensoren. De voordelen van dit model voor TBI zijn onder meer de schaalbaarheid van de ernst van het letsel en dat milde TBI wordt geïnduceerd met behulp van een niet-invasieve, gesloten hoofdprocedure. Piekoverdruk en daaropvolgende hersenletsel nemen toe met dikkere polyester membranen op een consistente schaalbare manier17. De mogelijkheid om de ernst van TBI te schalen door middel van membraandikte is een nuttig hulpmiddel om het niveau te bepalen waarop specifieke uitkomstmaten (bijv. Neuro-inflammatie) duidelijk worden. Het bieden van beschermende afscherming voor de perifere organen maakt ook gericht onderzoek naar milde TBI-mechanismen mogelijk door verstorende variabelen van systemisch letsel, zoals long- of thoracale schade, te vermijden of te verminderen. Bovendien maakt deze opstelling het mogelijk om de richting te selecteren, waardoor de ontploffingsgolf het hoofd raakt / binnendringt (d.w.z. frontaal, zijkant, boven of onder) en daarom kunnen verschillende soorten TBI-inducerende beledigingen worden onderzocht. De hier beschreven standaardprocedure voor het induceren van milde tot matige TBI maakt gebruik van zijdelingse blootstelling om de effecten van explosiegolfletsel in combinatie met coup- en contrecoupletsel als gevolg van snelle rotatiekrachten te evalueren. Bovendien kan, om uitsluitend door explosie geïnduceerd letsel te onderzoeken, top-down explosiegolfblootstelling worden gebruikt in dit model.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Het protocol volgt de richtlijnen voor dierverzorging van de Universiteit van Cincinnati en de West Virginia University. Alle procedures met betrekking tot dieren werden goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) en werden uitgevoerd volgens de principes van de Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.

1. Installatie van de blast TBI setup

  1. Verkrijg alle werkende onderdelen die nodig zijn voor de installatie, waaronder: schokbuis bestaande uit stalen aangedreven- en driversectie, polyestermembraan, bevestigingsbouten, druksensoren, polyvinylchloride (PVC) buisschild om perifere organen te beschermen, 9,53 mm hogedrukhydraulische leiding en snelkoppeling van mannelijke en vrouwelijke hulpstukken, gasregelaar met hoog debiet en een gasfles met muurbevestigingsbeugel (zie figuur 1A, B en tabel met materialen).
    OPMERKING: De specificaties van de hier gebruikte aangedreven en driversectie (zie figuur 2 en materiaaltabel) zijn vastgesteld om een consistente kortdurende geschaalde ontploffingsgolf te produceren (zie figuur 3C,D) om milde tot matige TBI bij muizen te induceren. Hiervoor is gekozen voor een taps toelopend ontworpen (6° taps toelopend) kort bestuurdersgedeelte. De lengte en diameter van de aangedreven en driversecties kunnen worden aangepast om specifiek explosiegolf29,30,31,32, compressiegolf18 of schokgolfdynamica te onderzoeken33. Voor experimenten met ratten moeten de afmetingen van de schokbuis worden aangepast om vergelijkbare krachten te leveren volgens de relevante parameters voor lichaamsschilfers17 (zie Materiaaltabel).
  2. Installeer de afzonderlijke werkende delen van de opstelling op machineschuiftafels die zijn bevestigd op een stabiel, gemakkelijk te reinigen oppervlak (bij voorkeur roestvrij staal voor gebruik bij knaagdieren) in laboratoriumruimte die is goedgekeurd voor dierproeven.
    OPMERKING: De explosiegolfexperimenten produceren een aanzienlijk geluidsniveau; kies daarom een locatie binnen de geluidsabsorberende laboratoriumruimte, waar geluid andere experimenten/laboratoriumgroepen niet zal verstoren.
    1. Bevestig het PVC-buisschild loodrecht op de opstelling van de schokbuis, zodat het lichaam van het knaagdier volledig bedekt is en alleen het hoofd uitsteekt.
      OPMERKING: Voor de standaardprocedure om milde tot matige TBI te induceren die hier wordt beschreven, bevindt het midden van het hoofd zich op 5 cm van het einde van het aangedreven gedeelte voor muizen.
    2. Wandmontage gasfles in de nabijheid van installatie in overeenstemming met OSHA en alle andere relevante veiligheidsvoorschriften.
      OPMERKING: Perslucht, helium of stikstofgas worden vaak gebruikt om de explosiegolven te genereren in knaagdierschokbuismodellen. Alle hier gepresenteerde gegevens zijn gegenereerd met behulp van helium, omdat dit gas een hogere overdruk produceert over een kortere duur34, waardoor een geschikte schaalvergroting voor muizen mogelijk is.

2. Evaluatie van de opstelling en explosiegolfeigenschappen met behulp van druksensoropnamen.

  1. Bereid de schokbuis voor.
    1. Snijd het polyestermembraan zorgvuldig door zonder te buigen en scheuren te produceren, om een consistente breuk te garanderen.
    2. Plaats het membraan tussen het aangedreven en het bestuurdersgedeelte. Zet de secties vast door verbindingsbouten aan te draaien.
    3. Controleer of het systeem luchtdicht is en of het membraan stevig is bevestigd tussen de driver en de aangedreven secties.
    4. Sluit de gastank aan via een 9,53 mm hogedruk hydraulische slang en sluit snel hulpstukken aan op de schokbuis
      OPMERKING: Driver en aangedreven secties worden bewerkt tot nauwkeurige toleranties om een volledige afdichting van het membraan tussen secties mogelijk te maken. Dit zorgt voor geen gaslekkage en sluit het gebruik van elke vorm van pakking/ o-ringmateriaal uit en zorgt voor een grotere consistentie in de gegenereerde golfvorm.
  2. Installeer de druksensoren voor het bewaken van de straalgolven (zie figuur 1C).
    1. Plaats één druksensor in het hoofdplaatsingsgebied en drie sensoren aan de uitgang van de schokbuis (zie figuur 1C en 2).
    2. Start de opname van druksensoren, net voordat de ontploffingsgolf wordt uitgevoerd. Registreer de drukgolfgegevens met 500.000 frames per seconde met behulp van een sensorsignaalconditioner en een data-acquisitiebord (zie Tabel met materialen).
      OPMERKING: Draag OHSA-goedgekeurde oorkappen om voldoende gehoorbescherming te garanderen.
    3. Open de hoofdklep van de gecomprimeerde gastank volledig om de gasstroom een plotselinge, snelle drukpiek te laten produceren.
      OPMERKING: De gasoverdruk scheurt het polyestermembraan om een schokgolf vrij te geven die overgaat in een compressiegolf binnen het aangedreven gedeelte en de buis verlaat in de richting van het hoofdplaatsingsgebied.
    4. Schakel de gasstroom onmiddellijk na de procedure uit.
      OPMERKING: De opstelling kan worden uitgerust met een veerterugslagklep om de gasstroom automatisch en snel te stoppen.
    5. Analyseer de drukgolfopnamen met behulp van een op maat geschreven computerprogramma om piekoverdruk en grafiekgegevens te bepalen. Gegevens kunnen met elke sensor afzonderlijk in een grafiek worden weergegeven of over elkaar heen worden gelegd om de planariteit van de gegenereerde golf aan te tonen (zie figuur 3C,D).
      OPMERKING: De analyse kan technisch worden uitgevoerd met behulp van gemakkelijker beschikbare software, maar vanwege de grote datasets hebben deze programma's lange vertragingen bij het genereren van plots.
  3. Stel experimentele omstandigheden vast die geschikt zijn voor het doel van de aangewezen TBI-studie en bevestig dat het model een consistente explosiegolf produceert met een piekoverdruk, duur en impulsmeting vergelijkbaar met een Friedlander-golf (zie figuur 3). Controleer deze parameters met behulp van de bovengenoemde computersoftware.
    1. Kalibreer de installatie door stap 2.1.1 te herhalen. tot 2.2.5. en gebruik de drukgolfopnamen om te bepalen of de opstelling moet worden aangepast (zie figuur 3 voor representatieve gegevens).
    2. Wijzig de instellingen (indien nodig).
      OPMERKING: De eigenschappen van de straalgolf kunnen worden aangepast door kleine wijzigingen in de opstelling. De afstand van de kop tot het einde van het aangedreven gedeelte heeft bijvoorbeeld invloed op de straalgolfkracht ter hoogte van de kop. De dikte van het polyestermembraan bepaalt het niveau van piekoverdruk, waarbij dikkere membranen de piekniveaus verhogen (zie figuur 3A,B). Bovendien maakt de opstelling het mogelijk om de richting te selecteren waarmee de ontploffingsgolf de kop raakt / binnendringt (d.w.z. frontaal, zijkant, boven of onder) en daarom kunnen verschillende aspecten worden onderzocht, zoals explosiegolfletsel alleen of in combinatie met coup- en contrecoupletsel als gevolg van snelle rotatiekrachten.
    3. Herhaal stap 2.1.1 tot en met 2.2.4 om de gewenste explosiegolfeigenschappen vast te stellen (indien nodig) en controle voor reproduceerbaarheid.
    4. Herhaal stap 2.1.1 tot en met 2.2.4 met polyester membranen van verschillende dikte om de schaalbaarheid van de opstelling te evalueren (zie figuur 3A,B voor representatieve gegevens).

3. Voorbereiding van experimentele opstelling en inductie van milde TBI bij knaagdieren

OPMERKING: Breng knaagdieren 30 minuten tot 1 uur voor aanvang van TBI-experimenten over naar het houdgebied om te acclimatiseren. Selecteer het houdergebied dat minimaal wordt beïnvloed door het geluid van de procedure.

  1. Bereid alle materialen voor die nodig zijn voor het experiment voor en controleer de installatie op de juiste installatie (pas bijvoorbeeld parameters aan op basis van het doel van het onderzoek) (~ 5 - 10 minuten).
    OPMERKING: De ernst van het letsel kan worden aangepast door de dikte van het polyestermembraan te selecteren. Op basis van onze studies wordt een membraandikte van 25,4 tot 102 μm gebruikt voor milde tot matige TBI bij muizen35. We hebben eerder membranen met een dikte van 76,2 tot 127 μm gebruikt om milde tot matige TBI bij ratten te produceren19.
    1. Knip het polyester membraan voorzichtig af, plaats het tussen de aangedreven en driversecties en zet het vast door de verbindingsbouten aan te draaien.
    2. Sluit de gastank aan op de schokbuis door het gebruik van quick-release fittingen. Zorg ervoor dat het membraan stevig is bevestigd tussen de bestuurder en de aangedreven secties.
    3. Plaats drie druksensoren aan de uitgang van de schokbuis, 120° uit elkaar, om de explosiegolfeigenschappen tijdens de TBI-inductie te bewaken, zoals beschreven in stap 2.2.2 en 2.2.5.
    4. Zorg ervoor dat de afstand tot het uiteinde van het schokbuisapparaat correct is voor elk afzonderlijk onderwerp met behulp van de geïnstalleerde micrometer. Houd de positionering van het hoofd van het knaagdier (d.w.z. positie, afstand) constant binnen studies om een consistente evaluatie van het letsel mogelijk te maken.
      OPMERKING: Zoals vermeld in punt 1.2.1. kunnen verschillende soorten letsel worden veroorzaakt door de richting te selecteren waarin de ontploffingsgolf het hoofd raakt. Voor de hier beschreven procedure om milde tot matige TBI te induceren, wordt het lichaam loodrecht op de schokbuis geplaatst die de explosiegolf de zijkant van het hoofd raakt. In deze omgeving wordt het hoofd vrije mobiliteit toegestaan en wordt daarom blootgesteld aan de explosiegolf en snelle rotatiekrachten die het genereren van coup- en contrecoup-effecten mogelijk maken.
    5. Start de opname van de druksensoren met behulp van de grafische gebruikersinterface (GUI) van de software.
  2. Anesthesie en positionering van knaagdieren in opstelling
    1. Breng knaagdieren over uit de wachtkamer en induceer anesthesie met 4% isofluraan in zuurstof en onderhoud met 2% isofluraan in zuurstof om angst en pijn te verminderen.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat het dier niet reageert op teen- of staartknijpen voordat u doorgaat. Zorg ervoor dat de inductie van anesthesie consistent is voor alle proefdieren, inclusief schijncontroles. Deze procedure vereist een lage en korte duur van anesthesie.
    2. Plaats het volledig verdoofde knaagdier in het PVC-buisschild met demping om perifere organen te beschermen tegen de ontploffingsgolf.
      OPMERKING: Controlepersonen worden verdoofd en in de buurt van de opstelling geplaatst, maar worden niet direct blootgesteld aan de explosiegolf. Zorg ervoor dat de bedieningselementen worden blootgesteld aan het geluid dat door de schokbuis wordt gegenereerd.
    3. Plaats het hoofd van het knaagdier in het hoofdplaatsingsgebied en ondersteun het van onderaf, hetzij door een ondersteuning die rechtstreeks in het afschermingsapparaat is ingebouwd of een gaasje. Bepaal de uitlijning van het hoofd volgens de anatomie van elk individueel knaagdier, waarbij de occipitale condylus is uitgelijnd met de rand van de beschermende afscherming.
      OPMERKING: Vermijd het richten van de drukgolf rechtstreeks naar de hersenstam om de mortaliteit te verminderen. Van letsel aan het ademhalingscentrum van de hersenstam en het cervicale ruggenmerg is bekend dat het bijdraagt aan ademhalingsafwijkingen en zelfs de dood in knaagdiermodellen van TBI36,37,38.
  3. Blootstelling van knaagdieren aan explosiegolven.
    1. Open snel de hoofdklep van de gecomprimeerde gastank om een drukpiek te produceren die het membraan scheurt en een luide explosie produceert die het genereren van een drukgolf bevestigt. Het membraan zal visueel worden gescheurd wanneer het na het experiment wordt verwijderd.
      OPMERKING: Een hogesnelheidscamera kan worden gebruikt om de coup- en contrecoup-effecten van de rotatieversnelling die het knaagdier ervaart voor verdere analyse vast te leggen.
    2. Schakel de gasstroom onmiddellijk na het horen van de explosie uit.
  4. Herstel van blootstelling aan ontploffingsgolven
    1. Verwijder na blootstelling aan explosiegolven het knaagdier uit het apparaat en plaats het op een plat oppervlak direct naast de schokbuis op zijn kant.
    2. Monitor proefpersonen om de rechtreflextijd (RRT) te bepalen. Gebruik een stopwatch om de tijd te registreren vanaf blootstelling aan explosiegolven totdat ze de inherente rechtzettingsreflex terugkrijgen. (zie figuur 4A).
    3. Zodra proefpersonen hun rechtreflex terugkrijgen, plaatst u ze in hun respectieve thuiskooi waar ze worden gecontroleerd op bijwerkingen (d.w.z. epileptische aanvallen, ademhalingsmoeilijkheden, bloedingen uit een lichaamsopening) gedurende de volgende 24 uur.
    4. Na de eerste monitoringperiode kunnen proefpersonen worden geanalyseerd met behulp van verschillende biochemische, neuropathologische, neurofysiologische en gedragstests naar keuze van de onderzoeker (zie hieronder).
  5. Bereid de installatie en ruimte voor het volgende experiment voor.
    1. Reinig de installatie met afwasmiddel om geur te verwijderen.

4. Downstream-toepassingen voor knaagdieren die worden blootgesteld aan explosiegolf-/rotatiekrachten en -regelaars

OPMERKING: In eerdere studies werden de effecten van milde tot matige TBI op verschillende tijdstippen na blootstelling aan een explosiegolf en rotatiekrachten beoordeeld bij knaagdieren met behulp van downstream-toepassingen, waaronder biochemische, neuropathologische, neurofysiologische en gedragsanalyses19.

  1. Biochemische analyse
    1. Op gedefinieerde experimentele tijdstippen (uren tot dagen na milde TBI), oogst weefsel (bijv. Hersenen, bloed) voor biochemische analyse met behulp van standaardprotocollen zoals beschreven19.
    2. Gebruik weefsel voor biochemische analyse (d.w.z. immunoblotting, ELISA, enz.) om het effect van milde TBI op neurobiologische en pathofysiologische processen te beoordelen.
  2. Neuropathologische analyse
    1. Op gedefinieerde experimentele tijdstippen (uren tot dagen na milde TBI), perfuseer knaagdieren transcardiaal met zoutoplossing gevolgd door 4% paraformaldehyde-oplossing om weefsel te fixeren zoals beschreven19.
      OPMERKING: Sommige toepassingen zijn niet compatibel met paraformaldehydefixatie (bijv. Zilverkleuring, sommige antilichamen voor immunohistochemie).
    2. Gebruik geperfundeerd, vast weefsel voor anatomische, histologische en moleculaire analyses om neuropathologische veranderingen geassocieerd met milde TBI te beoordelen, waaronder neuro-inflammatie, neurodegeneratie en neurochemische veranderingen zoals beschreven19.
  3. Neurofysiologische analyse in hersenschijfjes
    1. Offer op gedefinieerde experimentele tijdstippen (uren tot dagen na milde TBI) knaagdieren door onthoofding, verwijder hersenen en bereid hersenplakken voor zoals beschreven19.
    2. Voer elektrofysiologische opnames uit zoals beschreven19 om het effect van milde TBI op basale synaptische eigenschappen en synaptische plasticiteit te beoordelen.
  4. Gedragsanalyse
    1. Evalueer op gedefinieerde experimentele tijdstippen (uren tot dagen na milde TBI) gedragsprestaties, inclusief motorische functie (bijv. Open veld, rotarod, locomotorische activiteit; zie figuur 4D) en leren en geheugen (bijv. Angstconditionering, Barnes doolhof, Morris waterdoolhof).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De schaalbaarheid van de blast wave setup werd getest met behulp van drie verschillende membraandiktes, 25,4, 50,8 en 76,2 μm. Piekdrukniveaus werden beoordeeld op het hoofdplaatsingsgebied en de uitgang van het schokbuisapparaat met behulp van piëzo-elektrische druksensoren (zie figuur 1 en figuur 2). Piekdrukken nemen toe in overeenstemming met de membraandikte op beide sensorlocaties (figuur 3A,B), wat aantoont d...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

We presenteren hier een preklinisch mild TBI-model dat kosteneffectief is, eenvoudig in te stellen en uit te voeren, en zorgt voor high-throughput, betrouwbare en reproduceerbare experimentele resultaten. Dit model biedt beschermende afscherming aan perifere organen om gericht onderzoek naar milde TBI-mechanismen mogelijk te maken en tegelijkertijd de verstorende variabelen van systemisch letsel te beperken. Van andere blastaire modellen is daarentegen bekend dat ze schade toebrengen aan perifere organen2,39,40.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat ze geen tegenstrijdige belangen hebben.

Dankbetuigingen

Wij danken R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet en J. Robson voor hun bijdragen aan de ontwikkeling van het TBI-model. NARSAD Young Investigator Grants van de Brain & Behavior Research Foundation (F.P. en M.J.R.), een Research Grant van het Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer's Disease (F.P.) en een PhRMA Foundation Award (M.J.R.) ondersteunden dit onderzoek. Dit werk werd ondersteund door predoctorale beurzen van de American Foundation for Pharmaceutical Education (A.F.L en B.P.L.).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3/8 SAE High Pressure Hydraulic HoseEaton AeroquipR2-6-6-36MBeschikbaar bij Grainger
3/8'' Quick Connect Female PlugsKarcherKAR 86410440
3/8'' Quick Connect Male PlugsKarcherKAR 86410440
ANY-maze video tracking softwareStoelting Co.ANY-maze software
Clear Mylar membraneePlastics.comPOLYCLR0.003http://www.eplastics.com/Plastic/Clear_Polyester_Film/POLYCLR0-003; Clear Mylar membrane wordt verkocht in verschillende diktes. Alle worden verkocht door bovenstaande leverancier.
Compound Slide Table (X2)Grizzly IndustrialG5757
Deadman Gas Control Ball ValveConeraco Inc.71-502-01"Apollo", Beschikbaar bij Grainger
Driver and driven section (murine)eigen ontwerp/productien/aVoor meer informatie kunt u contact opnemen met de auteurs
Driver and driven section (rat)eigen ontwerp/productien/aVoor meer informatie kunt u contact opnemen met de auteurs
Ear Muffs3M37274Beschikbaar bij Grainger
Gas Regulator - Hi Flow 3500-600-580Harris3003539
Helium GasAirGasHE 300Tanks zijn verkrijgbaar in verschillende maten
Inhalation Anesthesia SystemVetEquip901806
Input ModuleNational InstrumentsNI 9223
IsofluraneBaxterNDC 10019-360-40Besteld door dierenarts
Laboratory Timer/StopwatchFisher Scientific50-550-352
Labview versie 12.0National InstrumentsData Acquistion Software
Magnetic Dial Indicator/MicrometerGrizzly IndustrialG9849
MATLABMathWorksSoftware voor drukregistratieanalyse
Oxygen RegulatorMedlineHCS8725M
PC voor dataverwerkingDell
Polyvinylchloride buis - 25.4 mmFORMUFITP001FGP-WH-40x3
DruksensorenPCB Piezotronics102A05
Receiver USB ChassisNational InstrumentsDAQ-9171
Sensor Signal ConditionerPCB Piezotronics482C series
Stainless NSF-Rated MontagetafelGridmannGR06-WT2448
T Handle Allen Wrench - 3/16''S&K73310

Referenties

  1. Bazarian, J. J., et al. Mild traumatic brain injury in the United States, 1998--2000. Brain Injury. 19 (2), 85-91 (2005).
  2. Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Science Translational Medicine. 8 (321), (2016).
  3. Mac Donald, C. L., et al. Detection of blast-related traumatic brain injury in U.S. military personnel. New England Journal of Medicine. 364 (22), 2091-2100 (2011).
  4. Fischer, B. L., et al. Neural activation during response inhibition differentiates blast from mechanical causes of mild to moderate traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (2), 169-179 (2014).
  5. Peskind, E. R., et al. Cerebrocerebellar hypometabolism associated with repetitive blast exposure mild traumatic brain injury in 12 Iraq war Veterans with persistent post-concussive symptoms. Neuroimage. 54, Suppl 1 76-82 (2011).
  6. Jorge, R. E., et al. White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. American Journal of Psychiatry. 169 (12), 1284-1291 (2012).
  7. Hoge, C. W., et al. Mild traumatic brain injury in U.S. Soldiers returning from Iraq. New England Journal of Medicine. 358 (5), 453-463 (2008).
  8. Eskridge, S. L., et al. Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity. Injury. 43 (10), 1678-1682 (2012).
  9. Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
  10. Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
  11. McIntosh, T. K., et al. Traumatic brain injury in the rat: characterization of a lateral fluid-percussion model. Neuroscience. 28 (1), 233-244 (1989).
  12. Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
  13. Osier, N., Dixon, C. E. Mini Review of Controlled Cortical Impact: A Well-Suited Device for Concussion Research. Brain Sciences. 7 (7), (2017).
  14. Goldstein, L. E., et al. Chronic traumatic encephalopathy in blast-exposed military veterans and a blast neurotrauma mouse model. Science Translational Medicine. 4 (134), (2012).
  15. Rodriguez-Grande, B., et al. Gliovascular changes precede white matter damage and long-term disorders in juvenile mild closed head injury. Glia. 66 (8), 1663-1677 (2018).
  16. Bowen, I. G., Fletcher, E. R., Richmond, D. R., Hirsch, F. G., White, C. S. Biophysical mechanisms and scaling procedures applicable in assessing responses of the thorax energized by air-blast overpressures or by nonpenetrating missiles. Annals of the New York Academy of Sciences. 152 (1), 122-146 (1968).
  17. Turner, R. C., et al. Modeling clinically relevant blast parameters based on scaling principles produces functional & histological deficits in rats. Experimental Neurology. , 520-529 (2013).
  18. Lucke-Wold, B. P., et al. Elucidating the role of compression waves and impact duration for generating mild traumatic brain injury in rats. Brain Injury. 31 (1), 98-105 (2017).
  19. Hernandez, A., et al. Exposure to mild blast forces induces neuropathological effects, neurophysiological deficits and biochemical changes. Molecular Brain. 11 (1), 64(2018).
  20. Bittar, A., et al. Neurotoxic tau oligomers after single versus repetitive mild traumatic brain injury. Brain Communications. 1 (1), (2019).
  21. Logsdon, A. F., et al. Salubrinal reduces oxidative stress, neuroinflammation and impulsive-like behavior in a rodent model of traumatic brain injury. Brain Research. 1643, 140-151 (2016).
  22. Lucke-Wold, B. P., et al. Bryostatin-1 Restores Blood Brain Barrier Integrity following Blast-Induced Traumatic Brain Injury. Molecular Neurobiology. 52 (3), 1119-1134 (2015).
  23. Logsdon, A. F., et al. Altering endoplasmic reticulum stress in a model of blast-induced traumatic brain injury controls cellular fate and ameliorates neuropsychiatric symptoms. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 421(2014).
  24. Dixon, C. E., et al. A fluid percussion model of experimental brain injury in the rat. Journal of Neurosurgery. 67 (1), 110-119 (1987).
  25. Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. Journal of Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
  26. Budde, M. D., et al. Primary blast traumatic brain injury in the rat: relating diffusion tensor imaging and behavior. Frontiers in Neurology. 4, 154(2013).
  27. Genovese, R. F., et al. Effects of mild TBI from repeated blast overpressure on the expression and extinction of conditioned fear in rats. Neuroscience. 254, 120-129 (2013).
  28. Kuriakose, M., Rama Rao, K. V., Younger, D., Chandra, N. Temporal and Spatial Effects of Blast Overpressure on Blood-Brain Barrier Permeability in Traumatic Brain Injury. Scientific Reports. 8 (1), 8681(2018).
  29. Cernak, I., et al. The pathobiology of blast injuries and blast-induced neurotrauma as identified using a new experimental model of injury in mice. Neurobiology of Disease. 41 (2), 538-551 (2011).
  30. Prima, V., Serebruany, V. L., Svetlov, A., Hayes, R. L., Svetlov, S. I. Impact of moderate blast exposures on thrombin biomarkers assessed by calibrated automated thrombography in rats. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1881-1887 (2013).
  31. Mishra, V., et al. Primary blast causes mild, moderate, severe and lethal TBI with increasing blast overpressures: Experimental rat injury model. Scientific Reports. 6, 26992(2016).
  32. Tompkins, P., et al. Brain injury: neuro-inflammation, cognitive deficit, and magnetic resonance imaging in a model of blast induced traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1888-1897 (2013).
  33. Kuriakose, M., et al. Tailoring the Blast Exposure Conditions in the Shock Tube for Generating Pure, Primary Shock Waves: The End Plate Facilitates Elimination of Secondary Loading of the Specimen. Public Library of Science One. 11 (9), 0161597(2016).
  34. Panzer, M. B., et al. A Multiscale Approach to Blast Neurotrauma Modeling: Part I - Development of Novel Test Devices for in vivo and in vitro Blast Injury Models. Frontiers in Neurology. 3, 46(2012).
  35. Logsdon, A. F., et al. A mouse Model of Focal Vascular Injury Induces Astrocyte Reactivity, Tau Oligomers, and Aberrant Behavior. Archives of Neuroscience. 4 (2), (2017).
  36. Lee, M. C., Klassen, A. C., Heaney, L. M., Resch, J. A. Respiratory rate and pattern disturbances in acute brain stem infarction. Stroke. 7 (4), 382-385 (1976).
  37. Ikeda, K., et al. The respiratory control mechanisms in the brainstem and spinal cord: integrative views of the neuroanatomy and neurophysiology. Journal of Physiological Sciences. 67 (1), 45-62 (2017).
  38. Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475 (7355), 196-200 (2011).
  39. Logsdon, A. F., et al. Blast exposure elicits blood-brain barrier disruption and repair mediated by tight junction integrity and nitric oxide dependent processes. Scientific Reports. 8 (1), 11344(2018).
  40. Logsdon, A. F., et al. Nitric oxide synthase mediates cerebellar dysfunction in mice exposed to repetitive blast-induced mild traumatic brain injury. Scientific Reports. 10 (1), 9420(2020).
  41. Huber, B. R., et al. Blast exposure causes dynamic microglial/macrophage responses and microdomains of brain microvessel dysfunction. Neuroscience. 319, 206-220 (2016).
  42. Gama Sosa, M. A., et al. Low-level blast exposure disrupts gliovascular and neurovascular connections and induces a chronic vascular pathology in rat brain. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 6(2019).
  43. Abutarboush, R., et al. Exposure to Blast Overpressure Impairs Cerebral Microvascular Responses and Alters Vascular and Astrocytic Structure. Journal of Neurotrauma. 36 (22), 3138-3157 (2019).
  44. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews: Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  45. Petraglia, A. L., et al. Concussion in the absence of head impact: a case in a collegiate hammer thrower. Current Sports Medicine Reports. 14 (1), 11-15 (2015).
  46. Viano, D. C., Casson, I. R., Pellman, E. J. Concussion in professional football: biomechanics of the struck player--part 14. Neurosurgery. 61 (2), 313-327 (2007).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Gesloten hoofdtraumarodent model voor TBIopstelling schokbuisbewaking met druksensorschaalbaarheid van piekdrukbeoordeling van de rightingreflexanalyse van neuro inflammatieprotocol voor gedragsbeoordeling
Blast Wave-model met lage intensiteit voor preklinische beoordeling van licht traumatisch hersenletsel met gesloten hoofd bij knaagdieren
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.