Sportowcy każdego roku doświadczają kilkuset łagodnych urazowych urazów mózgu (mTBI)/wstrząśnień mózgu; jednak ich konsekwencje dla mózgu są słabo poznane. W związku z tym zwierzęcy model pojedynczego i powtarzalnego mTBI, który konsekwentnie replikuje klinicznie istotne objawy, zapewnia środki do postępu w badaniach nad mTBI i wstrząsem mózgu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Mysi model pojedynczego i powtarzalnego łagodnego urazowego uszkodzenia mózgu
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Łagodne urazowe uszkodzenie mózgu (mTBI) może spowodować ostrą utratę funkcji mózgu, w tym okres dezorientacji, utratę przytomności (LOC), ogniskowe deficyty neurologiczne, a nawet amnezję. Sportowcy uprawiający sporty kontaktowe są narażeni na wysokie ryzyko narażenia na dużą liczbę mTBI. Jeśli chodzi o poziom urazu u sportowca, mTBI definiuje się jako łagodny uraz, który nie powoduje poważnych zmian patologicznych, ale powoduje krótkotrwałe deficyty neurologiczne, które ustępują samoistnie. Pomimo wcześniejszych prób modelowania mTBI u myszy i szczurów, wiele z nich zgłosiło poważne działania niepożądane, w tym złamania czaszki, krwawienie śródmózgowe, uszkodzenie aksonów i śmierć komórek neuronalnych. W niniejszym artykule opisujemy nasz wysoce powtarzalny model zwierzęcy mTBI, który odtwarza klinicznie istotne objawy. Ten model wykorzystuje specjalnie wykonany pneumatyczny impaktor do dostarczania urazu zamkniętej głowy. Uderzenie to odbywa się przy precyzyjnych parametrach prędkości i deformacji, tworząc wiarygodny i powtarzalny model do badania mechanizmów, które przyczyniają się do skutków pojedynczego lub powtarzającego się wstrząsu mózgu.
Wprowadzenie
Urazowe uszkodzenie mózgu (TBI) definiuje się jako uraz głowy spowodowany zewnętrzną siłą fizyczną, powodujący zakłócenie normalnego funkcjonowania mózgu. Stanowi to znaczne obciążenie społeczno-ekonomiczne i dla zdrowia publicznego, a raport Centrum Kontroli i Prewencji Chorób z 2015 r. dla Kongresu szacuje, że każdego roku 2,5 miliona Amerykanów cierpi na TBI. Wpływa to nie tylko na jakość życia pacjenta, ale także na niezwykle wysokie koszty ekonomiczne dla społeczności, które obecnie szacuje się na 76,5 miliarda dolarów rocznie. Ilość rzeczywistych uszkodzeń mózgu i symptomologie ostrej fazy są tym, co definiuje łagodne, umiarkowane i ciężkie TBI.
Łagodne urazowe uszkodzenie mózgu (mTBI), zwane również wstrząśnieniem mózgu, stanowi ponad 70% TBI zgłaszanych każdego roku1. Najczęściej występuje wśród sportowców, którzy uprawiają sporty kontaktowe wysokiego ryzyka, w tym boks i piłkę nożną2. W przeciwieństwie do umiarkowanych lub ciężkich postaci TBI, bezpośrednie uszkodzenia i objawy związane z mTBI czasami nie są tak wyraźne3. W przeciwieństwie do tego, długoterminowe skutki mTBI mogą być tak samo wyniszczające, jak te obserwowane w umiarkowanych i ciężkich postaciach. Wykazano, że u osób, które cierpią na powtarzające się mTBI, rozwija się przewlekła encefalopatia pourazowa (CTE), a także inne choroby poznawcze i zwyrodnieniowe4. Dlatego ważne jest, aby lepiej zrozumieć mechanizmy, które przyczyniają się do krótkoterminowych objawów i ogólnych długoterminowych uszkodzeń, które powstają po mTBI.
U ludzi, definicja wstrząsu mózgu zdefiniowana przez Czwartą Międzynarodową Konferencję na temat Wstrząsu Mózgu w Sporcie (Zurych 2012)5 stwierdza, że poziom urazu w przypadku wstrząśnienia mózgu w sporcie jest łagodny, nie powoduje poważnych zmian patologicznych, ale powoduje krótkotrwałe deficyty neurologiczne, które ustępują spontanicznie. Rzeczywiście, w niedawnym badaniu zbadano wpływ mTBI na upośledzenie funkcji poznawczych u piłkarzy ze szkół średnich, przy użyciu systemów telemetrii uderzeń głową. To badanie wykazało, ile razy gracze doznali uderzeń kaskiem >20 g w jednym sezonie, wahało się od najniższego poziomu 226 (średnio 4,7 na sesję) do wysokiego 1855 (średnio 38,6 na sesję)6. Większość z tych uderzeń nie doprowadziła do klinicznego rozpoznania wstrząsu mózgu; ale dowody funkcjonalnych zmian w funkcjonowaniu mózgu można było zaobserwować za pomocą fMRI6. Zmiany w mózgu, które powodują te zmiany funkcjonalne, są nieznane, dlatego istnieje pilna potrzeba posiadania wiarygodnego i powtarzalnego modelu, aby ułatwić badania nad skutkami wstrząsu mózgu i podwstrząsowego mTBI.
Pomimo wcześniejszych prób modelowania mTBI u myszy i szczurów7, wiele osób zgłasza działania niepożądane. W szczególności większość modeli gryzoni ma ograniczoną powtarzalną naturę, wykorzystując mniej niż pięć uderzeń mTBI, a także doświadcza niepożądanych zdarzeń patologicznych, w tym krwawienia śródmózgowego, złamań czaszki, poważnych uszkodzeń aksonów, śmierci komórek neuronalnych i zwiększonej śmiertelności8,9,10,11,12. W tym artykule opisujemy mysi model mTBI, który jest bliższy prawdziwej definicji wstrząsu mózgu u ludzi. Model ten podsumowuje wiele objawów obserwowanych w ludzkim mTBI, takich jak siła mechaniczna, która powoduje przejściową utratę przytomności bez jawnej patologii mózgu. Co więcej, korzystne jest to, że może być używany zarówno do paradygmatów pojedynczego uderzenia, jak i powtarzających się uderzeń w długich okresach czasu, jak opisano wcześniej13.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Te badania zostały przeprowadzone zgodnie z zaleceniami zawartymi w Przewodniku dla Opieki i Użytkowania Zwierząt Laboratoryjnych National Institutes Health. Protokół został zatwierdzony przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt na Uniwersytecie Georgetown. Myszy trzymano w pomieszczeniu dla zwierząt o kontrolowanej temperaturze i utrzymywano w cyklu 12 godzin światła/12 godzin ciemności. Jedzenie i woda były dostępne ad libitum.
1. Przygotowanie aparatu mTBI
UWAGA: Aparat mTBI zawiera skrzynkę do zbierania danych (DAQ) do kontroli parametrów uderzenia, pneumatyczny impaktor o dużej prędkości do wykonywania uderzenia oraz formowaną żelową podstawę do spowalniania głowy po uderzeniu.
- Włączyć sprężone powietrze i uruchomić udar pneumatyczny o dużej prędkości na ustawienie ciśnienia 861,85 kPa.
- Skalibruj system sterowania DAQ do następujących parametrów: prędkość tłoka 2,35 m/s, czas przebywania na powierzchni 31,5 ms.
- Uformowaną podstawę wypełnioną żelem (ściśliwość 64 kPa/mm) należy umieścić tak, aby linia środkowa była prostopadła do trajektorii końcówki impaktora.
2. Blokada mTBI
- Zapisz wagę wszystkich myszy, które mają być użyte.
- Znieczulaj myszy 3% izofluranem w tlenie przez 120 s w komorze indukcyjnej.
- Przenieś myszy do aparatu mTBI, kontynuując znieczulenie przez giętki, niezamocowany stożek nosowy.
- Będąc w stożku nosowym, umieść głowę myszy na podkładce żelowej tak, aby płaska powierzchnia czaszki była ustawiona prostopadle do końcówki impaktora.
- Umieść taśmę na głowie myszy, aby utworzyć płaską powierzchnię i trzymaj uszy z dala od miejsca uderzenia.
- Opuść końcówkę impaktora z politetrafluoroetylenu, aby wyrównać się ze strzałkową linią środkową pośrodku głowy. Zastosowana końcówka impaktora ma średnicę 10 mm i obejmuje obszar skóry głowy od tuż za oczami do linii środkowej uszu. Dostosuj impaktor tak, aby dotykał tylko powierzchni główki myszy.
- Wsunąć końcówkę impaktora i ręcznie ustawić wymaganą głębokość ugięcia (7,5 mm).
- Uzbrój system sterowania DAQ i naciśnij przycisk spustu, aby uderzyć w głowę myszy, pojedyncze lub powtarzające się uderzenia. Powtarzające się uderzenia są wykonywane jeden po drugim, bez opóźnień między każdym uderzeniem.
- Natychmiast po ostatecznym uderzeniu należy wyjąć mysz ze znieczulenia oraz aparatu mTBI i ułożyć w pozycji leżącej.
- Za pomocą stopera zmierz opóźnienie powrotu odruchu prostego (na wznak do leżącego), aby określić czas utraty przytomności, a także czas do poruszania się (niezakłócony chód).
- Monitoruj mysz, a po powrocie do normalnego zachowania wróć do jej klatki domowej.
- Myszy pozorowane są traktowane identycznie i znieczulone, ale nie otrzymują żadnego wpływu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Zastosowanie tego nowatorskiego urządzenia do wywoływania mTBI pozwala na zadawanie pojedynczych i powtarzalnych łagodnych urazów głowy bez ryzyka złamania czaszki lub strukturalnego uszkodzenia mózgu. Model wykorzystuje wykonany na zamówienie pneumatyczny impaktor teflonowy do dostarczenia mechanicznej energii uderzenia w zamkniętej czaszce. Uderzenie jest zadawane przy precyzyjnie określonych parametrach prędkości i odkształcenia, co tworzy niezawodny i powtarzalny model do badania mech...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
U ludzi mTBI charakteryzuje się upośledzeniem funkcjonalnym przy braku urazu strukturalnego. Może to wystąpić z utratą przytomności lub bez niej1. Obecnie uważa się, że narażenie na powtarzające się wstrząsy mózgu leży u podstaw rozwoju i/lub progresji chorób neurodegeneracyjnych, takich jak CTE4. Jest dobrze udokumentowane, że CTE jest powszechnie spotykane u bokserów i piłkarzy i chociaż wiadomo, że narażenie na powtarzające się wstrząsy mózgu (w tym te, które nie powoduj...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca była wspierana przez R01 NS067417 z National Institute for Neurological Disorders and Stroke (MPB).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Skrzynka kontrolna Powerlab 8SP do akwizycji danych (DAQ) | (AD instruments) | ||
| VIP 3000 kalibrowany waporyzator | Matrx | ||
| Isoflurane | Henry Schein Animal Health | 29405 | |
| Tlen | dostępny w handlu | ||
| Sprężone powietrze | Dostępny w handlu | ||
| Taśma | Dostępny w handlu | ||
| Stop Zegarek | Fisher Scientific | 02-261-840 | |
| C57 Bl/6 Myszy | Jackson Laboratories | ||
| Cyfrowa waga i pojemnik do ważenia | Przeciwciało | 20031 | |
| Wako | 019-19741 | ||
| HRP oznaczone wtórnie | Jackson Immunoresearch | 111-035-003 |
Bibliografia
- McMahon, P., et al. Symptomatology and functional outcome in mild traumatic brain injury: results from the prospective TRACK-TBI study. J Neurotrauma. 31 (1), 26-33 (2014).
- Barkhoudarian, G., Hovda, D. A., Giza, C. C. The molecular pathophysiology of concussive brain injury. Clin Sports Med. 30 (1), 33-48 (2011).
- Blennow, K., Hardy, J., Zetterberg, H. The neuropathology and neurobiology of traumatic brain injury. Neuron. 76 (5), 886-899 (2012).
- Levin, H. S., Diaz-Arrastia, R. R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. Lancet Neurol. 14 (5), 506-517 (2015).
- McCrory, P., et al. Consensus statement on concussion in sport: the 4th International Conference on Concussion in Sport, Zurich, November 2012. J Athl Train. 48 (4), 554-575 (2012).
- Talavage, T. M., et al. Functionally-detected cognitive impairment in high school football players without clinically-diagnosed concussion. J Neurotrauma. 31 (4), 327-338 (2014).
- Angoa-Perez, M., et al. Animal models of sports-related head injury: bridging the gap between pre-clinical research and clinical reality. J Neurochem. 129 (6), 916-931 (2014).
- Creed, J. A., et al. Concussive brain trauma in the mouse results in acute cognitive deficits and sustained impairment of axonal function. J Neurotrauma. 28 (4), 547-563 (2011).
- Hamberger, A., et al. Concussion in professional football: morphology of brain injuries in the NFL concussion model--part 16. Neurosurgery. 64 (6), 1174-1182 (2009).
- Kane, M. J., et al. A mouse model of human repetitive mild traumatic brain injury. J Neurosci Methods. 203 (1), 41-49 (2012).
- Prins, M. L., et al. Repeat traumatic brain injury in the juvenile rat is associated with increased axonal injury and cognitive impairments. Dev Neurosci. 32 (5-6), 510-518 (2010).
- Tang, Y. P., et al. A concussive-like brain injury model in mice (II): selective neuronal loss in the cortex and hippocampus. J Neurotrauma. 14 (11), 863-873 (1997).
- Winston, C. N., et al. Dendritic Spine Loss and Chronic White Matter Inflammation in a Mouse Model of Highly Repetitive Head Trauma. Am J Pathol. 186 (3), 552-567 (2016).
- Johnson, V. E., et al. Inflammation and white matter degeneration persist for years after a single traumatic brain injury. Brain. 136, Pt 1 28-42 (2013).
- Barrio, J. R., et al. In vivo characterization of chronic traumatic encephalopathy using [F-18]FDDNP PET brain imaging. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (16), 2039-2047 (2015).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
