Ocena funkcjonalnego przywrócenia aktywności eupeicznej przepony po jednostronnej hemisekcji rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym u szczurów
14 czerwca 2024
Powikłania oddechowe są główną przyczyną zgonów u osób z uszkodzeniem rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym (cSCI). Modele zwierzęce cSCI są niezbędne do oceny mechanistycznej i badań przedklinicznych. W tym miejscu wprowadzamy powtarzalną metodę oceny funkcjonalnego przywrócenia aktywności mięśnia przepony (DIAm) po jednostronnej hemisekcji rdzenia kręgowego C2 (C2SH) u szczurów.
Nasze badania koncentrują się na neuromotorycznej kontroli mięśnia przepony podczas oddychania. Freniczne neurony ruchowe unerwiające włókna mięśniowe przepony otrzymują zstępujący bodźce pobudzające z pnia mózgu, który jest głównie ipsilateralny, a zatem zakłócony przez hemisekcję górnego odcinka rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym lub C2SH. Po C2SH następuje spontaniczne odzyskanie aktywności przepony ipsilateralnej, co odzwierciedla neuroplastyczność.
Ważnym osiągnięciem jest wykazanie roli neurotropowego czynnika pochodzenia mózgowego lub sygnalizacji BDNF poprzez receptor TrkB o wysokim powinowactwie w odzyskiwaniu aktywności przepony po C2SH. Drugim osiągnięciem jest wykorzystanie metod uczenia maszynowego w celu ułatwienia wysokoprzepustowych analiz aktywności przepony podczas wielu cykli oddechowych. Brak wiarygodnych, bezstronnych, wysokoprzepustowych technik oceny podstawowych elementów kontroli neuromotorycznej przepony jest wyzwaniem w zdefiniowaniu odzyskiwania funkcji.
Staje się to szczególnie ważne, gdy masz do czynienia z nagraniami zwierząt, które nie są znieczulone. Nasza hemisekcja kręgosłupa szyjnego celowo pozostawia ipsilateralną grzbietową funiculus nienaruszoną, minimalizując deficyty mięśni kończyn, ale nadal powodując utratę aktywności przepony. Protokół ten kładzie nacisk na walidację utraty aktywności przepony w czasie operacji, ustanawiając w ten sposób wyraźny punkt wyjścia do odzyskania funkcji mięśni przepony.
Dalsze badania nad rolą sygnalizacji BDNF TrkB w neuroplastyczności i odzyskiwaniu kontroli neuromotorycznej przepony po urazie rdzenia kręgowego w odcinku szyjnym. Aby rozpocząć, ułóż sterylny sprzęt chirurgiczny na platformie chirurgicznej. Około 72 godziny po elektromiograficznym lub implantacji elektrody EMG mięśnia przepony zważ szczura.
Przed znieczuleniem szczura umieść go w klatce w stylu Bowmana. Ostrożnie podłącz przewody wychodzące z grzbietu szczura do przedwzmacniacza, aby zarejestrować obustronne EMG mięśnia przepony. Następnie umieść znieczulonego szczura w pozycji leżącej.
Ogol włosy od szyi mniej więcej na poziomie uszu i w dół do łopatek. Podłącz odsłonięte przewody elektrod od grzbietu szczura do amplifier. Zdezynfekuj skórę, trzykrotnie naprzemiennie z 4% glukonianem chlorheksydyny i alkoholem izopropylowym.
Przykryj szczura sterylnymi osłonami chirurgicznymi, z wyjątkiem górnej części grzbietu. Za pomocą skalpela wykonaj czterocentymetrowe nacięcie ostrocaudalne. Cofnij skórę i przetnij mięsień barkowo-mięśniowy.
Następnie wypreparuj mięsień romboidalny, aby odsłonić mięśnie kręgosłupa. Pod mikroskopem chirurgicznym usuń mięśnie kręgosłupa od C1 do C3. Następnie użyj rongeur, aby ostrożnie wykonać laminektomię w C2 bez uszkadzania głównych tętnic lub nerwów. Wytnij i usuń oponę twardą w C2. Monitorując EMG mięśnia przepony, włóż nóż do preparowania kątowego tuż poniżej punktu, w którym korzeń grzbietowy wchodzi do rdzenia kręgowego i przekrój aż do środka powierzchni brzusznej.
Następnie zapisz aktywność EMG eupeicznego ipsilateralnego przepony u znieczulonego szczura z wykonaną hemisekcją rdzeniową C2. Zszyj mięśnie rdzenia kręgowego szwami 3-0, a następnie zamknij nacięcie skóry. Aby utrzymać nawodnienie, wstrzyknij podskórnie jeden mililitr soli fizjologicznej na 50 gramów masy zwierzęcej.
Umieść szczura w czystej klatce z poduszką grzewczą w celu odzyskania zdrowia. Ustaw filtr górnoprzepustowy przedwzmacniacza na 100 herców, a filtr dolnoprzepustowy na 1 000 herców. Po zebraniu jednej do dwóch minut eufneicznego zapisu EMG lewej i prawej półmembrany, zapisz datę w odpowiednim formacie do dalszej analizy.
Udany przykład hemisekcji rdzenia kręgowego C2 wykazał brak eufneicznej aktywności EMG przepony ipsilateralnej w znieczuleniu w trzecim dniu po urazie. Aktywność EMG mięśni przepony w warunkach czuwania wykazała zmniejszenie eufneicznej przepony ipsilateralnej w porównaniu z wartością wyjściową sprzed urazu. Aktywność EMG mięśnia przepony po drugiej stronie zwiększyła się zarówno w stanie znieczulenia, jak i czuwania.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje powikłania oddechowe występujące po urazie szyjnego odcinka rdzenia kręgowego (cSCI), który jest główną przyczyną śmiertelności. Wykorzystując model szczura z jednostronnym przecięciem połowicznym rdzenia na poziomie C2 (C2SH), badanie ma na celu analizę regeneracji aktywności mięśnia przepony (DIAm). Podkreślono w nim rolę sygnalizacji BDNF w neuroplastyczności oraz przedstawiono metodę oceny powrotu funkcji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Fizjologia układu oddechowego
- Neuroplastyczność
Wstęp
- Uraz rdzenia kręgowego na poziomie szyjnym znacząco wpływa na funkcje oddechowe.
- Neurony ruchowe nerwu przeponowego kontrolują aktywność przepony, lecz ich działanie zostaje zaburzone w wyniku C2SH.
- Neuroplastyczność umożliwia częściową regenerację funkcji przepony po urazie.
- Techniki analizy wysokoprzepustowej są niezbędne do zrozumienia kontroli neuromotorycznej.
Cel badania
- Ocena powrotu aktywności mięśnia przeponowego po C2SH.
- Wyjaśnienie roli sygnałowania BDNF w procesie regeneracji.
- Opracowanie powtarzalnej metody oceny aktywności DIAm u szczurów.
Użyte metody
- Wykonano zapisy elektromiograficzne (EMG) z mięśnia przepony.
- W modelu szczurzym przeprowadzono procedurę jednostronnej hemisekcji rdzenia kręgowego na poziomie C2.
- Przedoperacyjne i pooperacyjne oceny służyły monitorowaniu aktywności EMG przepony.
- Zastosowano specyficzne techniki chirurgiczne w celu uzyskania dostępu do struktur rdzenia kręgowego przy jednoczesnym zachowaniu okolicznych tkanek.
- Ustanowiono protokoły nawadniania i rekonwalescencji w ramach opieki pooperacyjnej.
Główne wyniki
- Odnotowano powrót aktywności przepony po stronie ipsilateralnej, co podkreśla zjawisko neuroplastyczności.
- Sygnalizacja BDNF poprzez receptory TrkB była zaangażowana w mechanizmy powrotu do sprawności.
- Aktywność EMG wykazała różnice między stanem znieczulenia a stanem czuwania.
- Metoda ta zapewniła powtarzalność i wiarygodność w ocenie funkcji przepony.
Wnioski
- Badanie ustanawia podstawową metodę badania powrotu aktywności przepony po cSCI.
- Wglądy w plastyczność zapośredniczoną przez BDNF stanowią podstawę dla przyszłych badań neurologicznych.
- Model ten może mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia dysfunkcji oddechowych w kontekście urazów rdzenia kręgowego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niezawodna ocena powrotu funkcji w oddechowych obwodach ruchowych jest kluczowa dla minimalizacji ryzyka w programach neuroregeneracyjnych i neuroplastycznych we wczesnych fazach, ukierunkowanych na urazy rdzenia kręgowego. Opisany model szczura z hemisekcją na poziomie C2, z rygorystycznym ilościowym pomiarem aktywności przepony w oparciu o EMG, umożliwia wysoką pewność walidacji celów oraz ocenę mechanistyczną interwencji terapeutycznych. Platforma ta wspiera podejmowanie decyzji prognostycznych na styku biologii odkrywczej i badań translacyjnych nad dysfunkcjami oddechowymi.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biopharmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie mechanizmów neuroplastyczności oraz regeneracji specyficznej dla danych szlaków po urazie szyjnego odcinka rdzenia kręgowego.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów dla cząsteczek modulujących sygnalizację BDNF-TrkB w obwodach oddechowych.
- Zapewnia ilościowe ramy dla mechanistycznego ograniczania ryzyka w przypadku potencjalnych interwencji.
Przesiew i opracowanie testu
- Ustanawia powtarzalny, zwalidowany test EMG dla aktywności motorycznej przepony w stanach czuwania i znieczulenia.
- Umożliwia standaryzację stopnia ciężkości urazu oraz progów powrotu do sprawności w celu zapewnienia porównywalności między badaniami.
- Umożliwia wysokoprzepustową, obiektywną analizę funkcji neuromotorycznej z wykorzystaniem metod uczenia maszynowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne z istotnymi dla choroby punktami końcowymi w zakresie upośledzenia oddychania w modelach uszkodzenia rdzenia kręgowego.
- Wspiera ciągłość przejścia od odkryć mechanistycznych do przedklinicznej oceny skuteczności strategii neuroregeneracyjnych.
- Zapewnia translacyjne odczyty biomarkerów dla funkcjonalnego powrotu do zdrowia i kompensacyjnej neuroplastyczności.
Integracja potoku i przepływu pracy
Model ten łączy wczesny etap odkryć, walidację celu oraz ewaluację przedkliniczną w zakresie neuroplastyczności oddechowej i regeneracji po urazie rdzenia kręgowego.
- Biologia odkrywcza: Ilościowo określa utratę i powrót aktywności przepony w celu przetestowania hipotez dotyczących neuroplastyczności i wyjaśnienia roli szlaku BDNF-TrkB.
- Przesiewanie: Dostarcza zestandaryzowane, ilościowe wyniki EMG dla powtarzalnej oceny efektów interwencji.
- Analityka: Umożliwia wysokoprzepustowe, obiektywne porównanie obustronnej aktywności przepony w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Dostarcza funkcjonalne punkty końcowe istotne dla regeneracji oddechowej i mechanizmów kompensacyjnych w modelach przedklinicznych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako solidna, wielokrotnego użytku platforma do oceny różnorodnych strategii terapeutycznych ukierunkowanych na deficyty oddechowe wywołane urazem rdzenia kręgowego.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie angażowania celu oraz mechanizmów powrotu funkcji.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje ocenę opartą na EMG w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności w różnych badaniach.
- Wartość strategiczna: Ułatwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez dostarczanie ilościowych, istotnych dla choroby odczytów funkcjonalnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację programów neuroregeneracyjnych i neuroplastyczności nakierowanych na dysfunkcje oddechowe z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Kwestie związane z wdrożeniem
- Wymaga doświadczenia w zakresie neurochirurgii gryzoni oraz technik rejestracji EMG.
- Wymaga dostępu do wysokiej klasy aparatury elektrofizjologicznej oraz infrastruktury analitycznej danych.
- Konieczna jest rygorystyczna standaryzacja protokołów wywoływania urazu i analizy EMG pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do innych układów nerwowo-mięśniowych może wymagać optymalizacji protokołu.
- Należy kontrolować potencjalną zmienność procesu rekonwalescencji oraz jakości sygnału EMG u zwierząt w stanie czuwania.
