En mus modell av cervikal ryggmärgsskada att studera efter lesional Respiratory Neuroplasticity
Summary
Andningssvikt är den vanligaste dödsorsaken efter en cervikal ryggmärgsskada. Att ha en reproducerbar, kvantifierbar, och pålitlig prekliniska djurmodell av andningssvikt orsakas av en partiell cervikal skada kommer att bidra till att förstå den efterföljande respiratoriska och icke-andnings neuroplasticityen och låta testa förmodade reparationsstrategier.
Abstract
En cervikal ryggmärgsskada framkallar permanent förlamning, och ofta leder till andnöd. Hittills har inga effektiva terapier utvecklats för att förbättra / lindra andningssvikt efter hög cervikal ryggmärgsskada (SCI). Här föreslår vi en mus preklinisk modell av hög SCI vid livmoderhalscancer 2 (C2) metamera nivå för att studera skiftande post lesional andnings neuroplasticity. Tekniken består av en kirurgisk partiell skada på C2-nivå, vilket kommer att framkalla en hemiparalysering av membranet på grund av en deafferentation av phrenic motoneuroner från andningscentrum i hjärnstammen. Den kontralaterala sidan av skadan förblir intakt och tillåter djuret återhämtning. Till skillnad från andra områden av gemenskapsintresse som påverkar rörelsefunktionen (vid bröst-och ländryggen nivå), gör andningsfunktionen inte kräver djur motivation och kvantifiering av underskott / återhämtning kan lätt utföras (membran och phrenic nerv inspelnings, hela kroppen ventilation). Denna prekliniska C2 SCI-modellen är en kraftfull, användbar och tillförlitlig preklinisk modell för att studera olika respiratoriska och icke-respirator neuroplasticity händelser på olika nivåer (molekylära för fysiologi), och för att testa olika förmodade terapeutiska strategier som kan förbättra andningen i SCI patienter.
Introduction
Ryggmärgen trauma är en vanlig skada observerades i den mänskliga befolkningen med dramatiska incidenter, exempelvis permanent förlamning. Emellertid, svårighetsgraden av skadan beror på graden och omfattningen av det initiala traumat. Andningssvikt är den vanligaste orsaken till dödlighet efter övre cervikal ryggmärgsskada (SCI) 1. För närvarande är den enda terapeutiska behandlingen för att placera patienten under andningshjälp. Eftersom få patienter kan avvänjas från andningshjälp 2, på grund av spontan återhämtning som sker med post lesional försening, behovet av att utveckla nya innovativa icke-invasiv terapi är angeläget 3. Att ha en bra standardiserad preklinisk modell för att undersöka effekten av en cervikal SCI på respiratorisk insufficiens och därför, för att studera tillämpningen av förmodade terapeutiska strategier, är viktigt.
I den här tekniska artikeln beskriver vi en specifik preklinisk musmodell of respiratorisk försämring som orsakas av en partiell cervikal SCI på C2 nivå. Denna modell används idag av flera laboratorier runt om i världen (för recension: 4-13). Dock kan konstateras små skillnader i det kirurgiska ingreppet bland de olika utredarna att generera denna cervikal skada musmodell. Effekten av en C2 SCI på luftutgången beskrevs första gången 1895 av Porter 14. En cervikal hemisection inducerar en deafferentation av phrenic motoneuroner från deras centrala enhet (som ligger i rVRG i hjärnstammen, figur 1 A) på den ipsilaterala sidan av skada, vilket leder till en tyst phrenic nervaktivitet och den efterföljande membran förlamning. Den kontralaterala sidan förblir intakt och tillåter djuret att överleva. Till skillnad från annan SCI belägen i en nedre spinalsegment (exempelvis en Contusive skada vid C4-nivå 15), är integriteten för phrenic motoneuron kärna på båda sidor bevaras. Efter en Cervical C2 skada, kan observeras någon spontan aktivitet på den ipsilaterala sidan (phrenic och membranet) på grund av en aktivering av contra tysta synaptiska vägar som korsade ryggrads mittlinje på den segmentnivå C3-C6 (Korsade phrenic vägar, CPP, Figur 1B) . Aktiveringen av CPP, vilket är, per definition, en C2 hemisection kombineras med en kontralateral phrenicotomy som inducerar en ipsilateral partiell nervus phrenicus återhämtning, kan uppstå från timmar till veckor efter skada 16-18. Den verkliga positiva effekten av detta CPP väg på andnings återhämtningen är begränsad 19 och vidare utredning och behandling bör utvecklas för att förbättra omfattningen av spontana restaurering 3.
Protokollet ger en kraftfull typ av prekliniska musmodell för att studera respiratorisk post lesional plasticitet på olika nivåer (andningsfysiologi från pre-och phrenic motoneuroner, intern, molekylär och cellular, förflyttning av den främre extremiteten till exempel) samt en modell för att testa invasiva och icke-invasiva terapeutiska strategier för att förbättra andnings-och rörelse återhämtning efter C2 partiell cervikal ryggmärgsskada.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tekniska problem att göra C2 Injury Model
C2 skada musmodell är ett intressant verktyg för att studera respiratorisk post lesional neuroplasticity. Men de åtgärder som behövs för att producera en reproducerbar och pålitlig modell är många och var och en skulle kunna påverka resultatet av studien. Till exempel, under intubation processen, är extrem försiktighet vidtas eftersom orotracheal röret kan producera en inflammation i luftstrupen, vilket kan leda till ol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av medel från EU: s sjunde ramprogram (FP7/2007-2013) enligt bidragsavtal nr 246.556 (europeiska projektet RBUCE-UP), HandiMedEx fördelas av franska Public Investment Board. Marcel Bonay stöddes av Chancellerie des Universités de Paris (Ben Poix), Fonds de Dotation Recherche en Santé Respiratoire, och Centre d'Assistance Respiratoire à Säte d'Île de France (Cardif)
Materials
| Animal | |||
| Male Sprague Dawley Rat | Janvier | 225-250g | |
| Surgical Instruments | |||
| Student Dumont #5 forceps | Fine Science Tool | 91150-20 | |
| Student Standard Pattern Forceps | Fine Science Tool | 91100-12 | |
| Mayo-Stille Scissors | Fine Science Tool | 14013-15 | Curved |
| Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tool | 91500-09 | Straight |
| Spring Scissors – 8 mm Blades | Fine Science Tool | 15025-10 | Straight Blunt/Blunt |
| Friedman Pearson Rongeur | Fine Science Tool | 16121-14 | Curved |
| Dissecting Knife – Fine Tip | Fine Science Tool | 10055-12 | Straight |
| Olsen-Hegar Needle Holder | Fine Science Tool | 12002-14 | Serrated |
| Weitlaner-Locktite Retractor | Fine Science Tool | 17012-11 | 2×3 Blunt |
| Absorbable surgical sutures | Centravet | BYO001 | |
| Equipment | |||
| Hot Bead Steriliser | Fine Science Tool | 18000-45 | |
| Catheter | Centravet | CAT188 | 16 gauge |
| Laryngoscope | |||
| Guide wire | |||
| Laryngeal mirror | Centravet | MIR011 | |
| Lactated Ringers | Centravet | RIN020 | |
| Syringe | Centravet | ||
| Needle | Centravet | ||
| O2 | Air Liquid | I1001M20R2A001 | |
| 683 RodentT Ventilator 115/230V | Havard Apparatus | 55-0000 | |
| Stand-Alone Vaporizer | WPI | EZ-155 | |
| Thin line heated bed | WPI | EZ-211 | |
| Air canister | WPI | EZ-258 | |
| Drugs | |||
| Carprofen | Centravet | ||
| Rimadyl | Centravet | RIM011 | |
| Buprenorphine | Centravet | BUP001 | |
| Baytril | Centravet | BAY001 | |
| Dexmedetomidine | Centravet | DEX010 | |
| Atipamezole | Centravet | ANT201 | |
| Betadine Solution | Centravet | VET002 | |
| Isoflurane | Centravet | VET066 | |
References
- Frankel, H. L., et al. Long-term survival in spinal cord injury: a fifty year investigation. Spinal Cord. 36, 266-274 (1998).
- Ramer, M. S., Harper, G. P., Bradbury, E. J. Progress in spinal cord research – a refined strategy for the International Spinal Research Trust. Spinal Cord. 38, 449-472 (2000).
- Zimmer, M. B., Nantwi, K., Goshgarian, H. G. Effect of spinal cord injury on the respiratory system: basic research and current clinical treatment options. J Spinal Cord Med. 30, 319-330 (2007).
- Mantilla, C. B., Sieck, G. C. Neuromuscular adaptations to respiratory muscle inactivity. Respir Physiol Neurobiol. 169, 133-140 (2009).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon and recovery of function following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 85-93 (2009).
- Nantwi, K. D. Recovery of respiratory activity after C2 hemisection (C2HS): involvement of adenosinergic mechanisms. Respir Physiol Neurobiol. 169, 102-114 (2009).
- Sandhu, M. S., et al. Respiratory recovery following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 169, 94-101 (2009).
- Lane, M. A., Lee, K. Z., Fuller, D. D., Reier, P. J. Spinal circuitry and respiratory recovery following spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 123-132 (2009).
- Seeds, N. W., Akison, L., Minor, K. Role of plasminogen activator in spinal cord remodeling after spinal cord injury. Respir Physiol Neurobiol. 169, 141-149 (2009).
- Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475, 196-200 (2011).
- Vinit, S. Cervical spinal cord injuries and respiratory insufficiency: a revolutionary treatment. Med Sci (Paris. 28, 33-36 (2012).
- Kastner, A., Gauthier, P. Are rodents an appropriate pre-clinical model for treating spinal cord injury? Examples from the respiratory system). Exp Neurol. 213, 249-256 (2008).
- Vinit, S., Lovett-Barr, M. R., Mitchell, G. S. Intermittent hypoxia induces functional recovery following cervical spinal injury. Physiol Neurobiol. 169, 210-217 (2009).
- Porter, W. T. The Path of the Respiratory Impulse from the Bulb to the Phrenic Nuclei. J Physiol. 17, 455-485 .
- Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235, 539-552 (2012).
- Goshgarian, H. G. The crossed phrenic phenomenon: a model for plasticity in the respiratory pathways following spinal cord injury. J Appl Physiol. 94, 795-810 (2003).
- Vinit, S., Gauthier, P., Stamegna, J. C., Kastner, A. High cervical lateral spinal cord injury results in long-term ipsilateral hemidiaphragm paralysis. J Neurotrauma. 23, 1137-1146 (2006).
- Fuller, D. D., Johnson, S. M., Johnson, R. A., Mitchell, G. S. Chronic cervical spinal sensory denervation reveals ineffective spinal pathways to phrenic motoneurons in the rat. Neurosci Lett. 323, 25-28 (2002).
- Dougherty, B. J., Lee, K. Z., Lane, M. A., Reier, P. J., Fuller, D. D. Contribution of the spontaneous crossed-phrenic phenomenon to inspiratory tidal volume in spontaneously breathing rats. J Appl Physiol. 112, 96-105 (2012).
- Jou, I. M., et al. Simplified rat intubation using a new oropharyngeal intubation wedge. J Appl Physiol. 89, 1766-1770 (2000).
- Fuller, D. D., et al. Graded unilateral cervical spinal cord injury and respiratory motor recovery. Respir Physiol Neurobiol. 165, 245-253 (2009).
- Vinit, S., Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Lipopolysaccharide attenuates phrenic long-term facilitation following acute intermittent hypoxia. Respir Physiol Neurobiol. 176, 130-135 (2011).
- Ahmad, F., Wang, M. Y., Levi, A. D. Hypothermia for Acute Spinal Cord Injury-A Review. World Neurosurg. , (2013).
- Lovett-Barr, M. R., et al. Repetitive intermittent hypoxia induces respiratory and somatic motor recovery after chronic cervical spinal injury. J Neurosci. 32, 3591-3600 (2012).
- Minor, K. H., Akison, L. K., Goshgarian, H. G., Seeds, N. W. Spinal cord injury-induced plasticity in the mouse–the crossed phrenic phenomenon. Exp Neurol. 200, 486-495 (2006).
- Baussart, B., Stamegna, J. C., Polentes, J., Tadie, M., Gauthier, P. A new model of upper cervical spinal contusion inducing a persistent unilateral diaphragmatic deficit in the adult rat. Neurobiol Dis. 22, 562-574 (2006).
- Golder, F. J., et al. Breathing patterns after mid-cervical spinal contusion in rats. Exp Neurol. 231, 97-103 (2011).
- Lane, M. A., et al. Respiratory function following bilateral mid-cervical contusion injury in the adult rat. Exp Neurol. 235, 197-210 (2012).
- Vinit, S., et al. Axotomized bulbospinal neurons express c-Jun after cervical spinal cord injury. Neuroreport. 16, 1535-1539 (2005).
- Guenther, C. H., Windelborn, J. A., Tubon, T. C., Yin, J. C., Mitchell, G. S. Increased atypical PKC expression and activity in the phrenic motor nucleus following cervical spinal injury. Exp Neurol. 234, 513-520 (2012).
- Mantilla, C. B., Gransee, H. M., Zhan, W. Z., Sieck, G. C. Motoneuron BDNF/TrkB signaling enhances functional recovery after cervical spinal cord injury. Exp Neurol. 247, 101-109 (2013).
- Vinit, S., Darlot, F., Aoulaiche, H., Boulenguez, P., Kastner, A. Distinct expression of c-Jun and HSP27 in axotomized and spared bulbospinal neurons after cervical spinal cord injury. J Mol Neurosci. 45, 119-133 (2011).
- Windelborn, J. A., Mitchell, G. S. Glial activation in the spinal ventral horn caudal to cervical injury. Respir Physiol Neurobiol. 180, 61-68 (2012).
- Vinit, S., Stamegna, J. C., Boulenguez, P., Gauthier, P., Kastner, A. Restorative respiratory pathways after partial cervical spinal cord injury: role of ipsilateral phrenic afferents. Eur J Neurosci. 25, 3551-3560 (2007).
- Dougherty, B. J., et al. Recovery of inspiratory intercostal muscle activity following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 183, 186-192 (2012).
