$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Celem tej metody jest dostarczenie badaczom niezawodnego narzędzia, które wiernie odtwarza biomechanikę ludzkiego urazu czaszkowo-mózgowego, umożliwiając jednocześnie długotrwałą charakterystykę molekularnych skutków wstrząsów mózgu/łagodnych urazów mózgu (mTBI). Metoda ta łączy mikrodializę mózgową z modelem spadku masy ciała stanu Wayne'a w celu udokumentowania, u lekko znieczulonych i nieskrępowanych dorosłych szczurów, ostrych zmian poziomów neuroprzekaźników zewnątrzkomórkowych po wstrząśnieniu mózgu. Dzięki tej minimalnie inwazyjnej metodzie, neuroprzekaźniki, takie jak glutaminian, GABA, tauryna, glicyna i seryna, mogą być szybko i w sposób ciągły oznaczane ilościowo po urazie, in vivo, bez konieczności poświęcania zwierzęcia.
Wstrząs mózgu/mTBI to patofizjologiczne zaburzenie, które wpływa na funkcjonowanie mózgu, spowodowane mechanizmem siły zewnętrznej. Wstrząśnienie mózgu/mTBI jest najczęstszą formą urazowego uszkodzenia mózgu, stanowiącą 70-90% przypadków1. Większość ostrych zaburzeń funkcjonalnych po wstrząśnieniu mózgu można przypisać pierwotnemu i wtórnemu uszkodzeniu mózgu2,3: (1) pierwotne uszkodzenie mózgu jest wywoływane przez gwałtowne przyspieszanie i zwalnianie głowy i tułowia, które uszkadza tkanki mózgowe poprzez kompresję, a następnie rozciąganie i ścinanie aksonów podczas luzu4, 5,6 i (2) wtórne uszkodzenie mózgu jest pośrednią reakcją komórkową na uraz. Ma miejsce kilka godzin i dni po pierwotnym uszkodzeniu mózgu i odgrywa ważną rolę w obserwowanym z czasem upośledzeniu motorycznym i poznawczym. Wiele objawów można przypisać zmienionemu przekaźnictwu nerwowemu, takim jak wcześniej wykazane nadmierne uwalnianie glutaminianu zewnątrzkomórkowego w ciągu pierwszych 10 minut po urazie7,8,9. Ze względu na duże zagęszczenie zakończeń i receptorów, hipokamp jest strukturą mózgu szczególnie podatną na tę ekscytotoksyczną reakcję po urazie. Będąc mocno zaangażowanym w funkcje poznawcze10,11, badania na gryzoniach wykazały, że uszkodzenie hipokampa związane ze wstrząsem mózgu może prowadzić do upośledzenia w warunkowaniu strachu i uczeniu się pamięci przestrzennej12,13. Głównym celem tej metodologii było opracowanie szczurzego modelu wstrząśnienia mózgu/mTBI, przy użyciu procedury obniżania masy ciała w stanie Wayne w celu wiernego odtworzenia mechanizmów pierwotnego uszkodzenia mózgu oraz włączenie mikrodializy mózgowej do badania in vivo, ostrych zmian neuroprzekaźnika zewnątrzkomórkowego spowodowanych wtórnym uszkodzeniem mózgu po wstrząśnieniu mózgu. Stężenia zewnątrzkomórkowego glutaminianu i GABA zostały zmierzone w hipokampie, aby działały jako reprezentatywne wyniki naszej metody.
Poprzednie badania na gryzoniach łączyły mikrodializę z innymi modelami urazów, takimi jak spadek masy ciała przy otwartej czaszce i kontrolowane uderzenie w korę mózgową, aby wykazać ostre zmiany w poziomach neuroprzekaźników zewnątrzkomórkowych po urazie o różnym stopniu ciężkości14,15,16,17. Jednak oprócz wysokiego stopnia zmienności, wartość translacyjna modeli, takich jak spadek masy ciała przy otwartej czaszce i kontrolowane uderzenie w korę mózgową, jest utrudniona przez nieodłączny brak ważności ekologicznej z powodu 2 czynników: (1) modele te wywołują urazy znacznie poważniejsze niż wstrząsy mózgu związane ze sportem u ludzi, związane z bezpośrednim obciążeniem mózgu oraz (2) modele te wymagają kraniektomii lub kraniotomii. Głowa gryzonia jest całkowicie unieruchomiona w stereotaktycznym kadrze, co utrudnia gwałtowne przyspieszanie i zwalnianie głowy i tułowia, a tym samym słabo odtwarza biomechanikę wstrząsu mózgu.
Mikrodializa to minimalnie inwazyjna metoda, która oferuje wyraźną zaletę pobierania próbek neuroprzekaźników, takich jak glutaminian, GABA, tauryna, glicyna i seryna, in vivo i ciągle po traumie, bez konieczności poświęcania zwierzęcia. Oprócz zalet oferowanych przez mikrodializę, Uniwersytet Stanowy Wayne opracował model spadku masy ciała z zamkniętą czaszką (w przeciwieństwie do otwartej czaszki z innych modeli), który umożliwia indukcję mTBI u lekko znieczulonego i nieskrępowanego gryzonia, umożliwiając w ten sposób szybkie przyspieszanie i zwalnianie głowy i tułowia18. Jak wspomniano wcześniej, przyspieszanie i zwalnianie głowy i tułowia jest podstawową cechą biomechaniczną wstrząsów mózgu związanych ze sportem obserwowanych u ludzi, której poprzednie modele mTBI gryzoni nie rozwiązały. Zabieg odchudzania można wykonać bardzo szybko i nie wymaga żadnej wcześniejszej operacji ani nacięcia skóry głowy. Po wywołaniu wstrząsu gryzonie odzyskują odruch prostowania niemal spontanicznie i nie doświadczają paraliżu, drgawek ani niewydolności oddechowej po pojedynczym uderzeniu. Krwawienia wewnątrzczaszkowe i złamania czaszki są rzadkie, a u gryzoni zgłaszano tylko niewielkie deficyty w koordynacji ruchowej. Ten model szczura jest łatwy w użyciu, niedrogi i ułatwia ilościowe określenie neuroprzekaźników uwalnianych w ostrej fazie po wstrząśnieniu mózgu bez konieczności wyjmowania sondy do mikrodializy podczas uderzenia.
Nasz szczurzy model łączący mikrodializę i wstrząs mózgu jest odpowiedni dla badaczy chcących scharakteryzować podłużnie molekularne skutki wstrząsu mózgu i może być wykorzystany w szerokiej gamie badań terapeutycznych. Rzeczywiście, pomimo kilku lat badań i ogromnej potrzeby, żaden lek zapobiegający długotrwałym skutkom wstrząsów mózgu nie przeszedł fazy badań klinicznych19. Jedną z potencjalnych przyczyn tych niepowodzeń może być wykorzystanie modeli zwierzęcych, które nie odtwarzają wiernie traumatycznych sił biomechanicznych wstrząsów mózgu, jakich doświadczają ludzie. Przedstawiona tutaj metoda spełnia definicję wstrząśnienia mózgu u człowieka, która określa, że pierwotne uszkodzenie mózgu jest wywołane uderzeniem, a także gwałtownym przyspieszaniem i zwalnianiem głowy i tułowia2,3.
Ponadto, nasz połączony model jest odpowiedni dla badaczy badających skutki powtarzającego się łagodnego urazowego uszkodzenia mózgu (rmTBI), ponieważ jedną z jego kluczowych cech, która odróżnia go od innych zwierzęcych modeli wstrząsu mózgu, jest to, że umożliwia wywoływanie powtarzających się, łagodnych urazów w tym samym przypadku18. U ludzi rmTBI wiąże się z poważniejszymi objawami pourazowymi, dłuższym czasem rekonwalescencji oraz nasilonymi zaburzeniami motorycznymi i poznawczymi, które mają tendencję do rozprzestrzeniania się w czasie20,21. Inne istotne modele zwierzęce umożliwiły również lepsze zrozumienie patofizjologii pourazowej rmTBI22,23,24,25,26,27. Wykazano zwiększoną wrażliwość mózgu u gryzoni po podaniu minimum 5 mTBI w odstępach 24 godzin. Zapalenie nerwów nasila się wraz z liczbą doświadczanych mTBI i pojawiają się markery neurodegeneracji28. Powtarzające się mTBI zapobiegłoby przejściu mikrogleju z trybu prozapalnego do normalnego trybu regeneracji, co spowodowałoby przedłużoną aktywność ekscytotoksyczną i aktywację mechanizmów neurodegeneracyjnych 29. Dzięki naszemu modelowi szczury mogą być narażone na 1 uderzenie dziennie przez okres 1 tygodnia, co daje w sumie 5 ekspozycji. Biorąc pod uwagę prostotę tego modelu zwierzęcego, może to ułatwić scharakteryzowanie skumulowanych skutków ostrego, masowego uwalniania neuroprzekaźnika powstającego natychmiast po mTBI.
Ten model pozwala również zwierzętom na łatwe narażenie na 2 uderzenia dziennie, co umożliwia badanie jeszcze cięższych warunków, takich jak sytuacja, gdy sportowiec otrzymuje kolejny traumatyczny cios w krótkim czasie od pierwszego uderzenia30. Jak wykazano w poprzednim badaniu31, czas drugiego uderzenia w głowę może dramatycznie wpłynąć na uszkodzenie naczyń krwionośnych i aksonów. Im bardziej drugi cios jest bliższy pierwszemu, tym bardziej szkodliwe są konsekwencje. Ten model jest odpowiedni do zbadania, w jaki sposób ten konkretny stan wpływa na uwalnianie neuroprzekaźników zewnątrzkomórkowych.
W tej metodzie, hipokamp był używany jako obszar zainteresowania ze względu na jego znaczenie w badaniach nad wstrząsem mózgu, ale próbki mikrodializy mogą być również pobierane z innych interesujących regionów. Jednak każdy inny obszar mózgu musi być brany pod uwagę ze względu na przestrzeń pozostawioną przez miejsce uderzenia z kaniuli prowadzącej, w tym otaczający ją cement dentystyczny, może zajmować znaczną ilość miejsca na głowie szczura. Ponadto parametry mikrodializy przedstawione w tej metodzie, takie jak odcięcie masy cząsteczkowej membrany i długość aktywna, odstępy czasu pobierania próbek i natężenie przepływu, można dostosować w zależności od rodzaju badanej cząsteczki. Na przykład skuteczne gromadzenie cytokin prozapalnych zaangażowanych w wstrząsy mózgu wymagałoby błony o znacznie większym rozmiarze porów.