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Research Article
Rita Campos-Pires1,2, Amina Yonis1, Warren Macdonald2,3, Katie Harris1, Christopher J. Edge4,5, Peter F. Mahoney6, Robert Dickinson1,2
1Anaesthetics, Pain Medicine and Intensive Care Section, Department of Surgery and Cancer,Imperial College London, 2Royal British Legion Centre for Blast Injury Studies, Department of Bioengineering,Imperial College London, 3Department of Bioengineering,Imperial College London, 4Department of Life Sciences,Imperial College London, 5Department of Anaesthetics,Royal Berkshire Hospital NHS Foundation Trust, 6Royal Centre for Defence Medicine,Medical Directorate Joint Force Command
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Este artigo descreve um novo modelo de traumatismo crânio-encefálico explosão primária. Um tubo de choque conduzido de ar comprimido é usado para expor em vitro culturas hippocampal fatia de rato a uma única onda de choque. Este é um protocolo simples e rápido, gerando uma lesão de tecidos do cérebro podem ser reproduzidos com um alto throughput.
Lesão cerebral traumática é das principais causas de morte e de invalidez em populações civis e militares. Resultados de lesão cerebral traumática explosão de detonação de explosivos, no entanto, os mecanismos que fundamentam o dano cerebral resultante da exposição de sobrepressão de explosão não são totalmente compreendidos e são acreditados para ser exclusivo para este tipo de lesão cerebral. Modelos pré-clínicos são ferramentas cruciais que contribuem para entender melhor a lesão cerebral induzida por explosão. Foi desenvolvido um modelo TBI romance em vitro explosão usando um tubo de choque em aberto para simular ondas de explosão de campo aberto de vida real, modeladas pela forma de onda de Friedlander. Culturas de fatias hippocampal do rato C57Bl/6N organotypic foram expostas a ondas de choque única e o desenvolvimento de lesões caracterizou-se até 72 h usar iodeto de propidium, um marcador fluorescente bem estabelecido de danos celulares que somente penetra as células com comprometida com membranas celulares. Fluorescência de iodeto de propidium foi significativamente maior nas fatias expostas a uma onda de choque quando comparado com fatias de Souza durante toda a duração do protocolo. A lesão do tecido cerebral é muito reprodutíveis e proporcional a sobrepressão de pico da onda de choque aplicada.
Explosão traumatismo cranioencefálico (TCE) é um tipo complexo de lesão cerebral que resulta da detonação de explosivos,1,2. Explosão TBI tem emergido como um importante problema de saúde nos últimos 15 anos com os recentes conflitos militares no Iraque e Afeganistão2,3. No geral, estima-se que entre 4,4% e 22,8% dos soldados que voltam do Iraque e Afeganistão sofreram TCE leve, uma grande proporção destes sendo relacionado a explosão, com uma maior taxa relatada de explosão TBI nas forças dos EUA em comparação com as forças britânicas4 ,5.
O uso de dispositivos explosivos improvisados tem sido responsável pela maioria do trauma associado a explosão, incluindo a explosão TBI, suportado por forças militares6. A detonação de uma carga explosiva que resulta em um muito rápida — mas transitória — aumento da pressão, ocorrendo em milissegundos. A onda de sobrepressão resultante de uma explosão de campo livre de vida real é modelada pela função Friedlander, com um aumento súbito da sobrepressão de pico seguido de um decaimento exponencial7,8. A gama de forças extremas e seu curso rápido tempo visto em um evento de explosão não geralmente são experientes em traumas não-explosão1,9. A sobrepressão de pico, que é a pressão máxima da forma de onda e a duração da onda positiva são acreditados para ser importantes contribuintes para a lesão cerebral de explosão e estas dependem da carga explosiva e a distância entre a detonação10, 11.
O trauma que os resultados de uma explosão explosiva é classificado como quatro componentes discretos, designados como primário, secundário, terciário e quaternário explosão lesão10,12,13,14. Cada um desses componentes está associado com mecanismos específicos de lesão. Lesão de impacto resulta da ação direta da onda de sobrepressão em órgãos e tecidos de2,13. Resultados de lesão de explosão secundária do impacto dos fragmentos do projétil, causando penetrante e não-penetrante feridas2,15. Lesão terciária explosão ocorre quando o corpo da vítima é deslocado contra o solo ou objetos circundantes e está associado a forças de aceleração/desaceleração1,10,13. Lesão de explosão quaternária descreve um grupo heterogêneo de lesões relacionadas diretamente à explosão não abrangidos pela primeira três lesão mecanismos descritos12,13. Isso inclui (mas não limitado a) lesões térmicas, inalação de fumaça, radiação, ondas eletromagnéticas e efeitos psicológicos adversos13,15. Mais TBI associada a explosão resultante diretamente os três primeiros mecanismos de lesão, enquanto os quaternários mecanismos de lesão de explosão são normalmente associados com lesões sistêmicas13. Os efeitos das forças de aceleração/desaceleração (por exemplo, whiplash), sem corte e penetrante traumatismo crânio-encefálico têm sido muito estudados em relação a outros tipos de TCE (por exemplo, acidentes de automóvel, quedas, ferimentos balísticos). No entanto, a onda de sobrepressão de explosão primária é exclusiva para lesão de explosão e seus efeitos no tecido cerebral são muito menos bem compreendido16. Os mecanismos de lesão de impacto, associados a uma onda de sobrepressão, são a primeira das forças mecânicas para interagir com o cérebro.
Numerosos modelos TBI pré-clínicos foram desenvolvidos nas últimas décadas que tem sido inestimável para entender explosão TBI mecanismos de lesão e fisiopatologia e investigar potenciais novos tratamentos, que caso contrário seria impossíveis fazer exclusivamente na clínica a definição17,18,19. Embora nenhum único modelo pré-clínico pode reproduzir a complexidade de um trauma cerebral clínico explosão, normalmente, diferentes modelos pré-clínicos de TBI replicam aspectos distintos do humano TBI. A ação prejudicial das forças associadas com uma explosão de explosão pode ser estudada de forma isolada ou em combinação em modelos TBI explosão tanto in vitro e in vivo . In vitro os modelos têm a vantagem de permitir um controlo apertado do ambiente experimental (tecido condições fisiológica e biomecânica da lesão), que reduz a variabilidade biológica e melhora a reprodutibilidade, permitindo o estudo de molecular específico cascatas sem os confundidores presentes no animal modelos20. Nosso objetivo foi desenvolver um modelo in vitro para investigar os efeitos de impacto no tecido cerebral. Visamos desenvolver um modelo com uma onda de choque supersônica, com um representante de forma de onda de Friedlander de uma explosão de campo livre como a produzida por um dispositivo explosivo improvisado (IED).
Os experimentos descritos neste manuscrito foram feitos em conformidade com o Reino Unido animais (procedimentos científicos) Act de 1986 e tenham sido aprovados pelo Animal Welfare & ética revisão corpo do Imperial College de Londres. Cuidados com animais foi em conformidade com as diretrizes institucionais do Imperial College de Londres.
1. cultura e preparação hippocampal Organotypic fatia
Nota: Este protocolo permite a produção de fatias hippocampal organotypic de acordo com o método de interface descrita por Stoppini e colegas com pequenas modificações21,22,23. Idealmente, não mais que três animais devem ser sacrificados e dissecados em uma sessão para garantir que cada passo é feito rapidamente e para evitar comprometer a qualidade das fatias. Utilize técnica asséptica ao longo.
2. preparação das fatias Hippocampal Organotypic para o protocolo TBI explosão Experimental
Nota: Todas as etapas desta seção, exceto a imagem latente, realizam-se em uma capa de cultura de tecidos de fluxo laminar.
3. submersão e transporte de cultura de tecido insere-se com as fatias Hippocampal Organotypic
4. preparação do tubo de choque e exposição de ondas de choque Hippocampal Organotypic fatia
5. hippocampal Organotypic fatia lesão quantificação
O tubo de choque usado neste método permite a geração de transientes de sobrepressão que simulam explosões de vida real de campo aberto, modeladas pela função Friedlander7,8. Ondas de choque supersônicas, com velocidade de 440 m/s (Mach 1.3) foram obtidas (Figura 2A). Os dados de forma de onda relatados são do sensor 2, posicionada radialmente no final da seção de tubo de choque conduzida.
Usando o protocolo descrito acima, organotypic fatias hippocampal culturas expostas a uma única onda de choque (Figura 2A) desenvolvem lesão significativa quantificado usando iodeto de propidium, uma tintura fluorescente altamente polar que só penetra as células com comprometida com membranas celulares24,25 (Figura 2B, C).
Mesmo sob condições ideais e consistentes para outro OHSC publicaram modelos21,22, há um baixo nível de fluorescência de iodeto de propidium fundo devido, em parte, para pequenos danos resultantes o tecido inerente manipulações ( tais como alterações de mídia durante o período de cultura ou remoção da incubadora para a imagem latente). Esta explosão protocolo TBI envolve manipulação substancial que inclui a submersão das fatias em média dentro de sacos estéreis e um considerável grau de manipulação durante o protocolo de exposição de ondas de choque (EG., aperto os sacos estéreis para o chassis de suporte). No entanto, se todas as etapas são executadas com cuidado, esta manipulação adicional não tem um impacto sobre a saúde subjacente da OHSC como viam-se não há diferenças significativas entre um grupo de controle de fatias mantidos nas placas de 6-poços em todos os momentos (i. e., as inserções não eram submersos ou tratadas) e o grupo de Souza, que incluía as fatias que foram submergidas dentro de sacos estéreis fixados ao tubo de choque (Figura 2B).
As duas ondas de choque, escolhidas, em 50 kPa e pressão de pico de 55 kPa, produziu significativa (p < 0,05 e p < 0,0001, respectivamente) e lesões podem ser reproduzidos quando comparado com a farsa ileso fatias em todos os pontos de tempo após a exposição de explosão protocolo (Figura 2B) sem causar qualquer dano para as inserções de cultura de tecido ou de sacos estéreis. A fim de determinar a sensibilidade do modelo às pequenas diferenças de pico-sobrepressão, decidimos selecionar valores que eram diferentes de ~ 10%. Esses resultados mostram também que, como esperado, o prejuízo resultante de 55 kPa é maior do que após uma onda de choque de 50 kPa.
Os dados são expressos como média ± erro padrão da média. Significância foi avaliada por meio de uma análise de variância 2 vias medidas repetidas usando teste post hoc de Holm-Sidak. Fator 1 foi o grupo (controle, farsa, explosão) e fator 2 foi tempo após a lesão (h-1, 24 h, 48 h e 72 h), onde o fator 1 foi o fator repetido. Utilizou-se o ajuste do valor de p para comparações múltiplas. Valores de P de menos de 0.05 foram levados para indicar uma diferença significativa entre os grupos. Testes estatísticos foram implementados usando um pacote de software de gráficos e estatísticas.

Figura 1: esquemático do dispositivo de tubo de choque com o chassis de suporte do saco estéril. (A). O tubo de choque é um tubo de aço inoxidável longo de 3,8 m, composto de três seções longas de 1,22 m, ligadas por gaxetas e flanges, com diâmetro interno de 59 mm. Inset (B) mostra a montagem duplo culatra. Um ou dois diafragmas de Mylar podem ser pinçados no assembly com o selo fornecido por anéis de borracha. (C) chassis de suporte do saco estéril. O corpo do quadro consiste de duas placas de metal com um orifício circular centrado (59 mm de diâmetro) que se alinha com a saída do tubo de choque. Duas folhas finas (4 mm) de elastómero de silicone contam-se entre as duas placas de metal. O objetivo dessas folhas é fornecer uma superfície uniforme e não-escorregadia para fixar os sacos estéreis. A distância entre o saco e a saída do tubo de choque é 7 cm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: shockwave típico e lesão resultante em organotypic hippocampal fatia culturas. (A) exemplo representativo da onda de choque obtido usando 23 µm de espessura película de poliéster, 2.16 bar pressão de ruptura, 55 kPa sobrepressão de pico, duração de onda positiva de 0,4 ms, 10,1 kPa·ms impulso. Obtiveram-se dados de forma de onda do sensor 2 montado radialmente na falange distal do tubo de choque conduzido seção. A velocidade das ondas de choque foi 440 m/s (Mach 1.3). (B) o desenvolvimento da lesão é proporcional à intensidade da onda de choque. Tanto kPa 50 e 55 kPa pico sobrepressão ondas de choque causado prejuízo significativo que se desenvolveu em todo o protocolo de 72 h quando comparado com o grupo farsa. O prejuízo resultante de uma exposição de onda de sobrepressão de pico de 55 kPa foi significativamente maior do que após 50 kPa a 48 h e fatias de Souza 72 h. foram tratadas de forma idêntica para fatias de explosão mas tubo de choque não foi demitido. Fatias de controle foram mantidas em 6 pratos bem na incubadora sem qualquer manipulação. Barras representam valores médios e as barras de erro são erros-padrão (n = 7, controles; n = 48, farsa; n = 30, explosão 50 kPa; n = 51, explosão 55 kPa; n = número de fatias, 6 experimentos separados). * p < 0,05, *p < 0,0001 comparado com a farsa. # p < 0,05, #p < 0,01 comparado com explosão 55 kPa. (C) representante propidium imagens de fluorescência iodeto de organotypic fatias de Souza (eu), (ii) explosão 50 kPa e (iii) explosão 55 kPa grupos a 72 h após a lesão. A fatia de Souza mostra baixos níveis de fluorescência, i. e., lesão e a explosão fatias expostas apresentam altos níveis de lesão difusa, mais pronunciada na fatia de sobrepressão exposto de pico de 55 kPa (barra de escala = 500 µm). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores têm sem interesses financeiros concorrentes.
Este artigo descreve um novo modelo de traumatismo crânio-encefálico explosão primária. Um tubo de choque conduzido de ar comprimido é usado para expor em vitro culturas hippocampal fatia de rato a uma única onda de choque. Este é um protocolo simples e rápido, gerando uma lesão de tecidos do cérebro podem ser reproduzidos com um alto throughput.
Apoiado por: real centro de medicina de defesa, Birmingham, Reino Unido, Royal centro Legião britânico para estudos de lesão de explosão, Imperial College de Londres, Reino Unido. Conselho de pesquisa médica, Londres, Reino Unido (MC_PC_13064; MR/N027736/1). A segurança de gás Trust, Londres, Reino Unido. Rita Campos-Pires foi o destinatário de um prêmio de formação doutoral da Fundação para uma Ciência e uma Tecnologia, Lisboa, Portugal. Katie Harris foi o destinatário de uma bolsa de estudo de doutorado do Westminster Medical School pesquisa Trust, Londres, Reino Unido.
Este modelo foi desenvolvido com o apoio do centro de Legião real britânica para explosão lesão estudos (RBLCBIS) no Imperial College. Gostaríamos de agradecer o apoio financeiro da Legião real britânica. Pesquisadores interessados em colaborações ou um detalhe mais adicional podem contactar os autores ou RBLCBIS.
Agradecemos Dr Amarjit Samra, diretor de pesquisa, centro de defesa medicina, Birmingham, Reino Unido, para apoiar este trabalho, Scott Armstrong, departamento de cirurgia & câncer, Imperial College London, para obter assistência com experimentos preliminares , Theofano Eftaxiopolou, Hari Arora & Luz Ngoc Nguyen, departamento de bioengenharia Imperial College London e William Proud, departamento de física Imperial College London, para aconselhamento sobre o tubo de choque, Raquel Yustos, técnica, departamento de investigação de Ciências da vida, Imperial College London, para suporte técnico, Paul Brown MBE, gerente de oficina e Steve Nelson, técnico de oficina, departamento de física, Imperial College London, para fazer o metal anéis, Neal Powell do departamento de física, Imperial College London, para obras de arte.
| Geys solução salina balanceada | Sigma UK | G9779 | |
| D-glicose | Sigma UK | G8270 | |
| Antibiótico / antimicótico | Sigma UK | A5955 | |
| Meio essencial mínimo Eagle | Sigma UK | M4655 | |
| Hanks solução salina balanceada | Sigma UK | H9269 | |
| Soro de cavalo | Sigma UK | H1138 | |
| L-glutamina | Sigma UK | G7513 | |
| HEPES | VWR Prolabo, Bélgica | 441476L | |
| Hidróxido de sódio | Sigma UK | S-0945 | |
| Insertos de cultura de tecidos | Millicell CM 30 mm de baixa altura Millipore | PICM ORG 50 | |
| placas de 6 poços | NUNC, Dinamarca | 140675 | |
| Iodeto de propídio | Sigma UK | P4864 | |
| Sacos de polietileno estéreis - Sacos de amostra estéreis Twirl'em | Fisherbrand | 01-002-30 | |
| Tubo de enchimento Portex Avon Kwill 5" (127 mm) | Smiths Medical Supplies | E910 | |
| Microscópio de epifluorescência | NIKON Eclipse 80i, UK | ||
| Objetiva de microscópio | Nikon Plan UW magn. 2x, NA 0.06, WC 7.5 mm | ||
| Filtro de microscópio | Nikon G-2B (emissão de passagem longa) | ||
| Filme isolante elétrico Mylar, 304 mm x 200 mm x 0,023 mm | RSComponents UK | 785-0782 | |
| Transdutor de pressão | Dytran Instruments Inc. | 2300V1 | |
| Picador de tecidos | Mickle Laboratory Engineering Co., Guildford, Surrey, Reino Unido. | Picadorde tecidos Mcllwain | |
| Elastômero de silicone | Dow Corning, EUA | Sylgard 184 | |
| Software gráfico e estatístico | GraphPad Software, EUA | Prism 7.0 |