Artigo de método

Impactor Automatizado para Modelo de Lesão Medular Contusão em Camundongos

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DOI:

10.3791/65656

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19 de janeiro de 2024

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1Department of Orthopedics, The First Affiliated Hospital, Jinan University

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

Apresentamos aqui um novo dispositivo de contusão de lesão medular automatizada para camundongos, que pode produzir com precisão modelos de contusão de lesão medular com diferentes graus.

Resumo

A lesão medular (LM) decorrente de lesões traumáticas, como acidentes automobilísticos e quedas, está associada à disfunção permanente da medula espinhal. A criação de modelos de contusão de lesão medular por impacto na medula espinhal resulta em patologias semelhantes à maioria das lesões medulares na prática clínica. Modelos animais precisos, reprodutíveis e convenientes de lesão medular são essenciais para o estudo da lesão medular. Apresentamos um novo dispositivo automatizado de contusão de lesão medular para camundongos, o sistema inteligente de lesão medular da Universidade de Guangzhou Jinan, que pode produzir modelos de contusão de lesão medular com precisão, reprodutibilidade e conveniência. O sistema produz com precisão modelos de diferentes graus de lesão medular por meio de sensores de distância a laser combinados com uma plataforma móvel automatizada e software avançado. Usamos esse sistema para criar três níveis de modelos de camundongos com lesão medular, determinamos seus escores na escala Basso de camundongos (BMS) e realizamos ensaios comportamentais e de coloração para demonstrar sua precisão e reprodutibilidade. Mostramos cada etapa do desenvolvimento dos modelos de lesão utilizando este dispositivo, formando um procedimento padronizado. Este método produz modelos reprodutíveis de contusão de lesão medular em camundongos e reduz os fatores de manipulação humana por meio de procedimentos convenientes de manuseio. O modelo animal desenvolvido é confiável para estudar os mecanismos de lesão medular e as abordagens de tratamento associadas.

Introdução

A lesão medular geralmente resulta em disfunção permanente da medula espinhal abaixo do segmento lesado. É causada principalmente por objetos que atingem a coluna vertebral e hiperextensão da coluna vertebral, como acidentes de trânsito e quedas1. Devido à disponibilidade limitada de opções de tratamento eficazes para a lesão medular, a elucidação da patogênese das lesões medulares usando modelos animais será informativa para o desenvolvimento de abordagens de tratamento adequadas. O modelo de contusão da lesão medular causada por impacto na medula espinhal resulta no desenvolvimento de modelos animais com patologias semelhantes à maioriados casos clínicos de lesão medular2,3. Portanto, é importante produzir modelos animais precisos, reprodutíveis e convenientes para a contusão da lesão medular.

Desde a invenção de Allen do primeiro modelo animal de lesão medular em 1911, houve grandes avanços no desenvolvimento de instrumentos para o estabelecimento de modelos animais de lesão medular 4,5. Com base nos mecanismos de lesão, os modelos de lesão medular são classificados em contusão, compressão, distração, luxação, transecção ouquímica6. Dentre eles, os modelos de contusão, que utilizam forças externas para deslocar e lesar a medula espinhal, estão mais próximos da etiologia clínica da maioria dos pacientes com lesão medular. Portanto, o modelo de contusão tem sido utilizado por muitos investigadoresem estudos de lesão medular3,7. Vários instrumentos são utilizados para desenvolver modelos de contusão de lesão medular. O impactor MASCIS (Spinal Cord Injury Studies) multicêntrico da New York University (NYU) produz contusões de lesão medular por dispositivo de queda de peso8. Após várias versões atualizadas, o impactor MASCIS é amplamente utilizado no desenvolvimentode modelos animais de contusão de lesão medular9. No entanto, quando a haste de impacto do MASCIS cai e atinge a medula espinhal, podem ocorrer múltiplas lesões, o que afeta o grau de lesão em modelos de lesão medular. Além disso, alcançar a precisão mecânica para garantir a precisão do instrumento e a repetibilidade do modelo de fabricação também é um desafio. Os impactores de horizonte infinito causam contusões controlando a força aplicada à medula espinhal ao invés de quedas pesadas10. Ele usa um computador conectado a um sensor para medir diretamente a força de impacto entre o pêndulo e a medula espinhal. Quando o limiar é atingido, o pêndulo é imediatamente retraído, evitando o rebote do peso e melhorando a acurácia10,11. No entanto, o uso dessa modalidade motora fina para causar danos pode resultar em danos inconsistentes e déficits funcionais6. O dispositivo da Ohio State University (OSU) comprime a superfície dorsal da medula espinhal a uma taxa transitória por um driver eletromagnético12,13. Este dispositivo é semelhante aos impactores de horizonte infinito, pois utiliza compressões de curta distância para causar lesões medulares. No entanto, apresenta várias limitações, pois a determinação inicial do ponto zero causará erros devido à presença do líquido cefalorraquidiano6,14. Em resumo, existem muitos instrumentos que podem ser usados para desenvolver modelos animais de contusão de lesão medular, mas todos eles têm algumas limitações que levam à acurácia e reprodutibilidade insuficientes dos modelos animais. Portanto, para criar modelos de contusão medular em camundongos de forma mais precisa, conveniente e reprodutível, é necessário um impactor de lesão medular automatizado e inteligente.

Apresentamos um novo impacto de lesão medular, o sistema inteligente de lesão medular da Universidade de Guangzhou Jinan (sistema de SCI inteligente G; Figura 1), para a produção de modelos de contusão de lesão medular. O dispositivo usa um telêmetro a laser como um dispositivo de posicionamento, combinado com uma plataforma móvel automatizada para automatizar golpes de acordo com parâmetros de ataque definidos, incluindo velocidade de ataque, profundidade de ataque e tempo de permanência. A operação automatizada reduz os fatores humanos e melhora a precisão e a reprodutibilidade dos modelos animais.

Protocolo

Os estudos envolvendo animais foram revisados e aprovados pelo Comitê de Ética da Universidade de Jinan.

1. Anestesiização dos animais e laminectomia espinhal T10

  1. Use camundongos C57/6J fêmeas adultas jovens de 8 semanas de idade para este estudo. Anestesiar os camundongos por injeção intraperitoneal de cetamina (100 mg/kg) e diazepam (5 mg/kg). Verifique se há sucesso na anestesia indicada pela perda do reflexo da dor. Aplique pomada veterinária nos olhos para evitar o ressecamento sob anestesia.
  2. Raspe o cabelo na parte de trás dos ratos usando um barbeador para revelar a pele. Desinfete a pele com três rodadas alternadas de iodóforo e álcool.
  3. Realizar incisão longitudinal medial de 2,5 cm no dorso da pele com bisturi e expor a coluna vertebral no nível de T9-T11 com pinça.
  4. Fixar bilateralmente as facetas de T10 com fixador espinhal. Certifique-se de que a coluna esteja fixada de forma estável. Certifique-se de que os músculos paravertebrais sejam despojados e remova o processo espinhoso, bem como as lâminas usando broca de micro-retificação para expor a medula espinhal do segmento T10.

2. Contusão da medula espinhal T10 utilizando o sistema G smart SCI

  1. Ligue o interruptor e aguarde até que o dispositivo retorne automaticamente ao seu estado original. Coloque o fixador espinhal no sistema G smart SCI e fixe-o usando parafusos.
  2. Usando a tela sensível ao toque de operação (Figura 2A), defina parâmetros de dano, incluindo velocidade de impacto (1 m/s), profundidade de impacto (0,5 mm, 0,8 mm e 1,1 mm para três diferentes conjuntos de camundongos) e tempo de permanência (500 ms)15.
  3. Alinhe o telêmetro a laser no centro da medula espinhal exposta movendo a plataforma. (Figura 2B)
  4. Clique no botão Ready na tela sensível ao toque (Figura 2C). A cabeça de impacto se ajusta automaticamente a uma altura específica com base nos parâmetros de configuração. A mesa transportadora move automaticamente o local do impacto da medula espinhal abaixo da cabeça do impacto.
  5. Pressione manualmente a cabeça de impacto para determinar melhor o local do impacto. Clique no botão Iniciar , a cabeça de impacto atingirá a medula espinhal com base nos parâmetros definidos.
  6. Retirar os camundongos do aparelho e observar sob estereomicroscópio (20x) para determinar a lesão medular (Figura 3). Para determinar o sucesso do desenvolvimento do modelo, observe a congestão local, o colapso e a ruptura da membrana espinhal.
  7. Sutura do músculo, fáscia e pele camada por camada com pontos 3-0. Coloque os ratos em uma caixa quente e aguarde sua recuperação.

3. Cuidados pós-operatórios

  1. Injetar meloxicam (5 mg/kg) por via subcutânea diariamente durante 7 dias após a cirurgia. Esvazie manualmente a bexiga a cada 8 h até que as funções da bexiga sejam restauradas.
  2. Aos 14 dias após a operação, retirar os fios de sutura.

4. Testar os efeitos da lesão medular

  1. Calcular os escores de SNF para camundongos a partir do primeiro dia de pós-operatório16,17.
  2. No 30ºdia de pós-operatório, realizar experimentos comportamentais com animais, incluindo passarela, foot fault e rotarod 16,17. Passarela: Distância recorde de 45 cm; Duração máxima da corrida 8 s; Ganho de câmera 28,02; Limiar de intensidade 0,01. Falha no pé: Grave 60 passos para cada mouse. Rotarod: Velocidade 20 rpm. Registre o tempo para o mouse cair e registre-o como 120 s por mais de 120 s.
  3. No 31º dia de pós-operatório, anestesiar os camundongos por injeção intraperitoneal de cetamina (100 mg/kg) e diazepam (5 mg/kg) e, em seguida, sacrificar os camundongos por perfusão com PFA a 4%. Remova a medula espinhal cuidadosamente e intercepte 5 mm acima e abaixo do local da lesão para inclusão em parafina. Realizar corte de 5 μm do centro da lesão medular em camundongo e coloração por hematoxilina e eosina17.
  4. Para análise estatística utilizar software comercial. Expresse os dados como média ± erro padrão da média (EPM) e compare usando ANOVA one-way; Considerou-se significativo < 0,05.

Resultados

A laminectomia foi realizada em 24 camundongos fêmeas (8 semanas de idade), conforme descrito acima. Os camundongos do grupo sham (n=6) não foram submetidos à lesão medular, enquanto o restante dos camundongos, incluindo os grupos 0,5 mm (n=6), 0,8 mm (n=6) e 1,1 mm (n=6), foram submetidos a diferentes profundidades de impacto medular. Os escores da SNF foram registrados regularmente até 1 mês de pós-operatório (Figura 4). Houve diferenças significativas nos escores pós-operatórios de SNF de camundongos em diferentes grupos. Após 1 mês, os camundongos do grupo 0,5 mm tiveram 4 a 6 escores pós-operatórios e se recuperaram a um nível semelhante ao grupo sham. Camundongos nos grupos de 0,8 mm e 1,1 mm tiveram de 1 a 2 escores pós-operatórios. Após 1 mês, o grupo de 0,8 mm se recuperou para 4 a 6 pontos, enquanto os camundongos do grupo de 1,1 mm mal se recuperaram.

Após 1 mês, foram realizados ensaios comportamentais com animais, incluindo foot fault, rotarod e passarela. No ensaio de falha nos pés (Figura 5A), não houve diferenças significativas na falha do pé dos membros posteriores entre os grupos 0,5mm e sham. No entanto, a falha do pé do membro posterior para o grupo 0,8 mm foi significativamente diferente de todos os outros grupos. A taxa de falha nos pés dos camundongos do grupo de 1,1 mm foi de 100%, pois os membros posteriores não suportavam o animal no solo e foi significativamente diferente dos outros grupos. No teste rotarod (Figura 5B), registrou-se o tempo de latência para queda nos diferentes grupos de camundongos. Ambos os grupos 0,8 mm e 1,1 mm foram significativamente diferentes dos outros grupos, mas o grupo sham teve resultados semelhantes ao grupo 0,5 mm. No teste da passarela (Figura 6), registramos e analisamos o índice de regularidade e a área de contato póstero-máx em diferentes grupos de camundongos. Houve diferenças significativas no índice de regularidade e nas áreas de contato póstero-max entre camundongos em diferentes grupos, implicando diferenças significativas nas funções de marcha entre camundongos com diferentes profundidades de lesão medular. Portanto, modelos de camundongos com diferentes profundidades de lesão medular e com diferenças significativas em suas funções nos membros posteriores podem ser criados usando o dispositivo desenvolvido.

Finalmente, ressecamos a medula espinhal de camundongos (Figura 7A) e realizamos cortes para coloração de hematoxilina e eosina (HE) (Figura 7C). Houve vários graus de dano tanto nas imagens da medula espinhal quanto nos cortes corados com HE. Em resumo, desenvolvemos com precisão diferentes graus de modelos de camundongos com lesão medular usando o instrumento proposto.

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Figura 1: Sistema inteligente de lesão medular da universidade de Guangzhou Jinan (sistema G smart SCI). Fixe o imobilizador espinhal para imobilizar o mouse na mesa transportadora. Defina parâmetros de impacto através de tela sensível ao toque. Use o microdriver lateral para ajustar as posições laterais do suporte e use a tela sensível ao toque para ajustar as posições frontais. O telêmetro a laser confirma a posição de impacto e mede a altura de impacto para que a cabeça de impacto possa atingir com precisão de acordo com a posição de ataque e profundidade definidas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2: A tela sensível ao toque da operação. (A) Na página de parâmetros, os parâmetros de dano, incluindo velocidade de impacto (0,5 -2,0 m/s), profundidade de impacto (0 -3 mm) e tempo de permanência (500 -2 ms) podem ser definidos. (B) Na página móvel, a altura da cabeça de impacto e a posição do fixador espinhal podem ser definidas. (C) Na página de preparação, clicar no botão Pronto resultará no ajuste automático da cabeça de impacto e da tabela transportadora para uma posição específica com base nos parâmetros definidos. Ao clicar no botão Iniciar , a cabeça de impacto atingirá a medula espinhal com base nos parâmetros definidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3: Medula espinhal após lesão. (A) Grupo simulado. O imobilizador espinhal imobilizou as vértebras T10, e a medula espinhal é exposta após laminectomia sem danos. (B) Grupo 0,5 mm. A medula espinhal foi levemente lesada após ser atingida a uma profundidade de 0,5 mm e houve uma pequena quantidade de congestão. (C) Grupo 0,8 mm. A medula espinhal estava moderadamente lesionada e apresentava congestão óbvia após ser atingida a uma profundidade de 0,8 mm. (D) grupo 1,1 mm. A medula espinhal foi gravemente ferida após ser atingida a uma profundidade de 1,1 mm e houve muita congestão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 4: Escores da BMS. Os escores de SNF de camundongos foram registrados desde o primeiro dia de pós-operatório até um mês de pós-operatório (n =6 /grupo). *p< 0,05, ** p < 0,01, *** p < 0,001 em comparação usando ANOVA unidirecional. A data é expressa como média ± erro padrão da média (EPM). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 5: Teste dos pés e teste de rotarod. (A) Falhas nos pés dos membros posteriores em camundongos com diferentes graus de lesão medular (n =6 /grupo). p <0,001 comparado usando ANOVA one-way. (B) A latência para queda durante a rotação acelerada foi comparada entre camundongos com diferentes graus de lesão medular (n =6 /grupo). * p < 0,05, *** p < 0,001 em comparação usando ANOVA unidirecional. A data é expressa como média ± erro padrão da média (EPM). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 6: Teste de passarela. (A, C) Índices de regularidade em camundongos com diferentes graus de lesão medular (n =6 /grupo). * p < 0,05, *** p < 0,001 em comparação usando ANOVA unidirecional. (B, D) As áreas de contato posteriores máximos foram analisadas automaticamente por meio do software (n =6 /grupo). ** p < 0,01, *** p < 0,001 em comparação usando ANOVA unidirecional. A data é expressa como média ± erro padrão da média (EPM). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 7: Coloração medular e H&E. (A) Medula espinhal de camundongos com diferentes graus de lesão 1 mês após a cirurgia. (B) Números ampliados. (C) Coloração H&E dos sítios de lesão medular em camundongos com diferentes graus de lesão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

A lesão medular pode levar a déficits sensoriais e motores, que podem resultar em deficiências físicas e mentais graves. Na China, a incidência de lesões medulares em diferentes províncias varia de 14,6 a 60,6 por milhão18. O aumento da prevalência da LM colocará mais pressão sobre o sistema de saúde. Atualmente, existem limitadas opções de tratamento efetivo para a lesão medular, pois seus patomecanismos e processos de reparo ainda não estão totalmenteesclarecidos19. Há necessidade de criar modelos animais de lesão medular precisos e reprodutíveis para investigar os patomecanismos e os processos de reparo das lesões medulares. Para isso, desenvolvemos um instrumento de lesão medular preciso, repetível e simples.

Muitos dispositivos, incluindo o impactor NYU-MASCIS, o impactor de horizonte infinito e o impactor OSU são usados para criar modelos de contusão de lesões medulares 8,9,12,13,20. Esses dispositivos são complexos de operar e podem produzir grandes erros devido às diferentes proficiências do pessoal. Além disso, existem várias falhas no design desses dispositivos que os tornam menos precisos e reprodutíveis6. A localização específica da lesão medular determina sua gravidade, portanto, durante o estabelecimento de modelos de lesão medular, o método de posicionamento determina a precisão damodelagem21. O sistema G smart SCI usa um telêmetro a laser para localizar o local da lesão medular e ajusta a altura da cabeça de impacto com base nos dados do telêmetro para definir a profundidade de ataque. Outro dispositivo de percussão que utiliza posicionamento a laser é o impactor Louisville injury system apparatus (LISA) da Escola de Medicina da Universidade de Indiana15. Embora o LISA use posicionamento a laser, ele requer determinação manual e ajuste da altura da cabeça de impacto para atingir profundidade de ataque controlada, o que aumenta a intervenção humana. Enquanto isso, o LISA utiliza golpes pneumáticos e controle de laptop, que exigem mais espaço experimental e aumentam os custos operacionais10. O sistema G smart SCI reduz os erros humanos ao semi-automatizar o processo de operação e é fácil de mover devido ao seu design leve.

Com base em parâmetros definidos, o dispositivo pode impactar com precisão a medula espinhal de camundongos, criando assim modelos com diferentes graus de lesões na medula espinhal. Neste estudo, camundongos com diferentes graus de lesão medular exibiram diferenças significativas nas funções dos membros pélvicos. É importante ressaltar que os ensaios são reprodutíveis e podem gerar consistentemente modelos de LM.

No protocolo, as etapas mais críticas incluem a realização precisa de laminectomia, a estabilização das espinhas de camundongos e o uso do laser para posicionamento preciso para garantir a precisão e a repetibilidade do experimento. Durante o processo de design, fizemos algumas melhorias no dispositivo. Descobrimos que após o strike, o estágio não poderia retornar facilmente ao ponto de alcance, portanto, adicionamos um botão para retornar ao ponto de alcance. Além disso, os parâmetros desejados não puderam ser ajustados rapidamente, assim, adicionamos um teclado numérico para entrada. O acionamento eletromagnético de carregamento lento na primeira versão também foi melhorado. Este dispositivo está atualmente limitado ao estabelecimento de modelos de camundongos com lesão medular torácica em camundongos. Estudos devem ser realizados para apoiar o uso desse instrumento no estabelecimento de modelos de lesão medular em ratos ou modelos de lesão medular cervical.

Além disso, o Dr. Bilgen, da Faculdade de Medicina da Universidade do Kansas, descreveu um dispositivo impactor controlado por computador, que pode induzir lesões do sistema nervoso central (SNC), incluindo traumatismo cranioencefálico (TCE) e lesão medular (LME)22. Assim como o nosso aparelho, este dispositivo também utiliza uma variedade de equipamentos e sistemas comercializados, por isso foi comercializado e utilizado com sucesso23. O equipamento que descrevemos tem as características de automação, precisão e conveniência, e espera-se que seja comercializado no futuro e beneficie mais pesquisadores em lesão medular.

Em resumo, projetamos um pêndulo automatizado de medula espinhal de camundongo para criar modelos de contusão de LM. O dispositivo melhora a precisão com um telêmetro a laser e reduz os erros humanos por meio de um processo operacional automatizado. Além disso, o sistema G smart SCI é mais fácil de operar e transportar do que outros dispositivos, trazendo conveniência para a pesquisa de lesão medular. É importante ressaltar que o dispositivo pode criar com precisão e reprodutibilidade diferentes classes de modelos de camundongos SCI, dependendo das necessidades do experimento.

Divulgações

Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, Nos. 82102314 (para ZSJ), e 32170977 (para HSL) e Fundação de Ciências Naturais da Província de Guangdong, Nos. 2022A1515010438 (para ZSJ) e 2022A1515012306 (para HSL). Este estudo foi apoiado pelo Programa de Tecnologia de Fronteira Clínica do Primeiro Hospital Afiliado da Universidade de Jinan, China, Nos. JNU1AF- CFTP- 2022- a01206 (para HSL). Este estudo foi apoiado pelo Guangzhou Science and Technology Plan Project, Nos. 202201020018 (para HSL), 2023A04J1284 (para ZSJ) e 2023A03J1024 (para HSL).

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
0.01M PBS (pó, pH7.2-7.4)Solarbio Life SciencesP1010
2,2,2-TribromoetanolMacklin75-80-9
4% paraformaldeído fixador de tecidoBiosharp ciências da vidaBL539A
BiomicroscópioLeicaLCC50 HD
CatWalk Noldus Tecnologia da InformaçãoCatWalk XT 9.1
Vidro de coberturaCITOTEST Scientific10212432C
Máquina de incorporaçãoChangzhou Zhongwei Instrumento eletrônicoBMJ-A
Etanol absolutoDAMAO64-17-5
FootFaultScanClever Sys Inc.-
Lâmina de vidroCITOTEST Scientific80302-2104
Kit de Coloração de Hematoxilina e EosinaBeyotime BiotechnologyC0105S
broca de micro-moagem FEIYUBIO19-7010
Fixador espinhal de camundongoRWD Life Science68094
Micrótomo de parafinaThermoshandon finesse 325
RotaRod para camundongosUgo Basile47600
EstereomicroscópioKUY NICESZM-7045
Álcool Terc-AmílicoMacklin75-85-4
XilenoChina Nacional Farmacêutica# 10023418

Referências

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