$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Każdego roku miliony dzieci w USA otrzymują znieczulenie ogólne, wiele z nich poniżej 4 roku życia1. Neurotoksyczność rozwojowa wywołana znieczuleniem (AIDN) stała się przedmiotem badań nad anestezjologią dziecięcą, ponieważ konieczne stało się zrozumienie wpływu znieczulenia na niedojrzałe mózgi. Wcześniejsze badania wykazały, że powszechnie stosowane środki znieczulające, takie jak izofluran, mogą powodować zwiększoną apoptozę neuronów w mózgach młodych zwierząt. Badania na dzieciach przyniosły niejednoznaczne wyniki2. Zrozumienie patogenezy AIDN, identyfikacja potencjalnych celów terapeutycznych w celu jej zapobiegania lub poprawy oraz opisanie najbezpieczniejszych dostępnych schematów znieczulenia stały się pilnymi celami społeczności anestezjologicznej dziecięcej. Głównym celem tego badania było opracowanie optymalnego modelu zwierzęcego i metody ilościowego określania wpływu środków znieczulających na rozwijający się mózg oraz stymulowanie starannie zaprojektowanych badań nad bezpieczeństwem obecnie powszechnie stosowanych środków znieczulających.
W niedawnym systematycznym przeglądzie aktualnej literatury przedklinicznej na temat AIDN, autorzy zauważyli znaczącą niejednorodność metodologiczną w ponad 900 badaniach3. Wielu uznało to za wezwanie do stworzenia klinicznie istotnego, dobrze zaprojektowanego modelu przedklinicznego, który jeszcze nie istnieje pomimo kilku lat badań na ten temat. Większość modeli gryzoni, z konieczności, stosuje podejście, które nie pozwala na rygorystyczne monitorowanie fizjologiczne, pobieranie próbek krwi lub wentylację mechaniczną. Ponieważ mózg jest wyjątkowo wrażliwy na zaburzenia fizjologiczne, trudno jest polegać na wynikach takich modeli. Podstawowym celem opracowania tego modelu było zaprojektowanie go w taki sposób, aby wszystkie zmienne fizjologiczne, takie jak parametry gazometryczne krwi, temperatura ciała, parametry oddechowe itp. są monitorowane i korygowane w razie potrzeby.
Dodatkowo, ponieważ neurotoksyczność znieczulenia prawdopodobnie zależy od postępu rozwojowego mózgu w momencie ekspozycji, powinien zostać wybrany model zwierzęcy, który najlepiej naśladuje rozwój i strukturę ludzkiego mózgu noworodka, aby zmaksymalizować translacyjne znaczenie wyników4. Translacyjny model prosiąt zapewnia poziom znaczenia klinicznego poszukiwany w tych przeglądach i artykułach redakcyjnych, ponieważ został zaprojektowany w celu zaspokojenia zapotrzebowania na odpowiednie dane przedkliniczne, które mogą stanowić podstawę przyszłych badań klinicznych.
Izofluran, agonista receptora GABA typu A (GABAA) i słaby antagonista receptora NMDA, jest powszechnie stosowanym wziewnym środkiem znieczulającym w praktyce klinicznej na całym świecie. Środki znieczulające, takie jak izofluran, zostały uznane za bezpieczne, o ile nie wywołują niedociśnienia lub niedotlenienia; Mogą jednak wystąpić bardziej subtelne efekty. Kiedy mózg jest wystawiony na znieczulenie ogólne, równowaga agonizmu GABA i antagonizmu NMDA zostaje zakłócona, co powoduje zmiany w architekturze komórkowej, łączności i funkcji. Ponadto, podczas gdy GABA jest na ogół neuroprzekaźnikiem hamującym, wiadomo, że jest pobudzający w niedojrzałych mózgach5. Dokładnie to, kiedy następuje przejście GABA od pobudzającego do hamującego, nie jest dobrze poznane i prawdopodobnie zależy od gatunku.
Gdy podczas tak zwanego "zrywu wzrostu mózgu" dochodzi do braku równowagi między bodźcem pobudzającym i hamującym w mózgu, wynikająca z tego ekscytotoksyczna dysregulacja krytycznych szlaków molekularnych może prowadzić do nieprawidłowego rozwoju neurologicznego, takiego jak neurodegeneracja apoptozy. Oprócz zwiększonej apoptozy może być również wywołany stres oksydacyjny i stan zapalny, podczas gdy proliferacja komórek neuronalnych, migracja neuronów i arboryzacja aksonów zostają stłumione lub rozregulowane6. Wynikiem netto są zaburzenia neurokognitywne, które mogą utrzymywać się do wieku dorosłego2.
Do bezpośredniego pomiaru neurotoksycznego wpływu izofluranu na młode ssaki, wykorzystuje się nowonarodzone prosięta. Prosięta mają więcej podobieństw do OUN z ludźmi niż jakikolwiek inny ssak, a zatem ich podobieństwa neurorozwojowe i neuroanatomiczne sprawiają, że są idealnym zwierzęciem dla klinicznie istotnego ssaczego modelu AIDN. Zarówno ludzie, jak i prosięta posiadają mózgi gyrencefaliczne, dzielące podobieństwa w charakterze i rozmieszczeniu zakrętów mózgowych, istoty szarej i istoty białej. Hipokamp prosiąt, zwoje podstawy i pień mózgu są również topograficznie podobne do ludzkich7. Pod względem rozwojowym prosięta są jednymi z niewielu ssaków innych niż ludzie, które przechodzą okołoporodowy wzrost mózgu i mielinizację8. W życiu płodowym zarówno mózgi ludzkie, jak i prosięcia ulegają znacznemu wzrostowi w późnym trymestrze ciąży. W korelacji, po urodzeniu, mózgi ludzi i prosiąt stanowią odpowiednio 27% i 25% mózgów dorosłych. Rezonans magnetyczny wykazał, że mózg tygodniowego prosiąt jest w przybliżeniu równoważny miesięcznemu mózgowi ludzkiemu pod względem dojrzewania neuronów i arboryzacji dendrytycznej9. Ponadto prosięt i ludzki mózg mają wiele podobieństw pod względem wzorców rozwoju neurologicznego. Na przykład ekspresja i sekwencja mRNA reelin10, topograficzna dystrybucja neuronów 5-HT 11 i zamknięcie cewy nerwowej 12 są równoległe do tego, co obserwuje się u ludzi. Ponadto istnieje rozległa homologia między genomami prosiąt i ludzi13.
Znaczenie modelu zwierzęcego musi być rozumiane w kontekście ludzkiej patologii, szczególnie w odniesieniu do dojrzałości mózgu i patobiologii ludzkiego niemowlęcia. Większość istniejących badań toksyczności anestezjologicznej wykorzystuje model gryzonia, a kilka z nich wykorzystuje modele naczelnych innych niż ludzie. Jednak gryzonie i naczelne mogą nie być idealnymi zwierzętami do badania AIDN.
Chociaż powszechnie stosowane, mózgi gryzoni bardzo różnią się od mózgów ludzi na przestrzeni całego rozwoju. Przede wszystkim gryzonie posiadają mózgi lissencefaliczne (lub gładkie). W mózgu gryzonia brakuje zakrętów i bruzd, które są charakterystyczne dla bardziej złożonych neurologicznie organizmów. Mózg gryzonia również przechodzi poporodowy gwałtowny wzrost mózgu14, w przeciwieństwie do ludzi i prosiąt. Zaobserwowano, że istnieją różnice w podatności różnych obszarów mózgu na wziewne znieczulenie15. Dlatego ważne jest, aby model zwierzęcy do badania AIDN posiadał mózg, który jest neurorozwojowo i neuroanatomicznie podobny do ludzkiego, tak aby jak najlepiej modelować zmiany w mózgu wywołane znieczuleniem, które mogą być obserwowane u pacjentów pediatrycznych. Jak opisano wcześniej, prosięta posiadają mózg, który znacznie lepiej nadaje się do tej roli. Co więcej, powszechne formy testów neurokognitywnych gryzoni, takie jak uczenie się przestrzenne i pamięć oceniane w labiryncie wodnym Morrisa, nie są bezpośrednio istotne ani porównywalne z ocenami neurokognitywnymi u małych dzieci16. Jedną z zalet wykorzystywania prosiąt do neuronauki rozwojowej jest to, że są one niezwykle podatne na testy neurokognitywne, nawet w młodym wieku. Liczne testy neurokognitywne, które są uważane za przydatne dla innych gatunków ssaków, zostały z powodzeniem wykorzystane i zatwierdzone u świń. Chociaż wciąż jest to rozwijająca się dziedzina, ocena neurokognitywna u prosiąt obejmuje bardziej złożone testy, które lepiej naśladują ludzkie deficyty, takie jak test motoryczny pochylonej wiązki17,18 i lustrzany test świadomości przestrzennej19. Badanie motoryczne z nachyloną belką, w ramach badania urazowego uszkodzenia mózgu u prosiąt, wykazuje wysoką wiarygodność w ocenie funkcji motorycznych. Test lustra demonstruje pamięć otaczającego środowiska oraz rozpoznawanie i wykorzystanie odbitego obrazu w celu poszukiwania nagrody w postaci jedzenia.
Z drugiej strony, naczelne mogą być bardziej odpowiednim modelem do badań anestezjologicznych u dzieci, ale istnieje wiele czynników utrudniających, w tym koszt i trudność użycia. Ponadto są niezwykle wrażliwe na warunki wczesnego odchowu, szczególnie stres i separację matki20. Czynniki ważne dla badania AIDN, takie jak modulatory allosteryczne, powinowactwo receptor-ligand, modyfikacje potranslacyjne, skład podjednostek receptora i alternatywne warianty splicingu, są nieznane w przypadku naczelnych. Dzieje się tak dlatego, że geny istotne dla takich koncepcji nie zostały sklonowane. W przeciwieństwie do tego, zostały sklonowane u świń. W związku z tym przeprowadzono tylko ograniczoną pracę na naczelnych innych niż ludzie21,22.
Model prosiąt wykorzystuje zalety modeli gryzoni i naczelnych innych niż ludzie: jest opłacalny, łatwy w użyciu w porównaniu do badań na naczelnych innych niż ludzie, i jest neuroanatomicznie i neurofizjologicznie podobny do ludzkiego mózgu pediatrycznego. Zastosowanie prosiąt w badaniach neurobiologicznych wzrosło w ostatnich latach, w tym w wielu badaniach, które dotyczyły dziecięcych stanów neurozapalnych. Wpływ wirusowej infekcji układu oddechowego na hipokamp i uczenie się przestrzenne23, zmniejszenie śmierci komórek mózgowych po udarze24, neurogeneza po urazowym uszkodzeniu mózgu25 oraz aktywność enzymów podczas napadów26 to tylko niektóre z badań, w których wykorzystano nowonarodzone prosięta. Ta obszerna i stale rosnąca literatura potwierdza przydatność i trwałość klinicznie istotnego i wysoce odtwarzalnego modelu prosiąt do badania neurotoksyczności wywołanej znieczuleniem.
