Summary

Contrôlée corticale modèle d'impact pour Traumatic Brain Injury

Published: August 05, 2014
doi:

Summary

Traumatic brain injuries (TBIs) remain a serious health problem. Using the controlled cortical impact surgery model, research on the effects of TBI and possible treatment methods may be performed.

Abstract

Every year over a million Americans suffer a traumatic brain injury (TBI). Combined with the incidence of TBIs worldwide, the physical, emotional, social, and economical effects are staggering. Therefore, further research into the effects of TBI and effective treatments is necessary. The controlled cortical impact (CCI) model induces traumatic brain injuries ranging from mild to severe. This method uses a rigid impactor to deliver mechanical energy to an intact dura exposed following a craniectomy. Impact is made under precise parameters at a set velocity to achieve a pre-determined deformation depth. Although other TBI models, such as weight drop and fluid percussion, exist, CCI is more accurate, easier to control, and most importantly, produces traumatic brain injuries similar to those seen in humans. However, no TBI model is currently able to reproduce pathological changes identical to those seen in human patients. The CCI model allows investigation into the short-term and long-term effects of TBI, such as neuronal death, memory deficits, and cerebral edema, as well as potential therapeutic treatments for TBI.

Introduction

Lésion cérébrale traumatique (TBI) est définie comme une altération de la fonction du cerveau, ou d'autres preuves de la pathologie du cerveau, causée par une force extérieure 1. TCC restent un grave problème de santé à travers le monde, notamment aux États-Unis. Selon les Centers for Disease Control and Prevention, au moins 1,7 million de TCC se produisent chaque année aux Etats-Unis résultant de 30,5% de tous les décès liés à des blessures. En 2000, les coûts médicaux directs et les coûts indirects de la TCC ont totalisé un montant estimé à $ 76,5 milliards aux États-Unis seulement. Bien que les progrès technologiques et thérapeutiques depuis des décennies précédentes ont permis d'améliorer la qualité et la durée de vie des personnes souffrant de TCC, aucune pharmaceutique efficace ou des traitements préventifs existent actuellement. En raison de la complexité et des effets de grande portée de TCC, y compris les lésions tissulaires, la mort cellulaire, et la dégénérescence de l'axone, il n'ya pas deux blessures sont identiques; donc, pas de modèle de TBI courant pour animaux reproduit fidèlementtous les aspects de TBI comme on le voit chez les humains. Cependant, les modèles animaux ne fournissent la capacité de produire des blessures presque identiques nécessaires pour enquêter sur divers effets de TBI avec l'espoir de comprendre davantage les manifestations cliniques de la TCC.

Le modèle commandé incidence cortical (CCI) utilise un système d'impact pour fournir un impact physique à la dure-mère d'un animal exposé. Il induit TCC allant de légère à sévère similaires à ceux rencontrés par les humains. Cette blessure a été caractérisée sur le furet 2 et a ensuite été adapté pour une utilisation chez le rat 3,4, souris 5-7, et les moutons 8. Depuis la première caractérisation, le site de la lésion a été placé à la fois au-dessus de la ligne médiane de 2,9 et le cortex latéral 10. CCI fournit une méthode facile et précise d'enquêter sur les effets et les traitements potentiels pour les TCC.

En plus du modèle de CCI, la percussion de fluide et la perte de poids sont des modèles de commonly utilisé pour produire les TCC. Cependant, ces modèles présentent des limitations, y compris les moins de contrôle sur les paramètres de blessures, produire des changements histopathalogical pas vu dans les TCC humaine, et une plus grande incidence de décès accidentel chez les souris 3,5,10. Le modèle de l'onde de choc est également utilisé pour produire des TCC. Bien que le modèle de l'onde de choc ne reproduit pas les changements observés histopathalogical suite d'un choc mécanique, ce modèle ne produit précisément TCC rencontrées notamment par des militaires 11. Le modèle d'impact cortical contrôlé est facile à contrôler grâce au contrôle précis de paramètres de déformation tels que le temps, la vitesse et la profondeur de l'impact 5. Une telle précision permet de reproduire les blessures à peu près identiques à travers tout un groupe d'animaux plus réalisables. Plus important encore, la CCI reproduit TCC avec des caractéristiques observées dans les TCC humaine 12. Cependant, il n'existe pas de modèle animal unique qui est tout à fait réussi à reproduire le spectre complet de pathologique changes observés après TBI. D'autres recherches sont nécessaires pour révéler pleinement les changements aigus et chroniques qui se produisent après TBI.

Deux types de blessures surviennent après un TCC: blessures primaires et secondaires. La lésion primaire se produit au moment de l'impact et n'est pas sensible à des traitements thérapeutiques; Toutefois, les blessures secondaires qui persistent après la blessure initiale sont soumis à des traitements 13. Le modèle d'impact corticale contrôlée produit la lésion primaire, permettant ainsi aux chercheurs d'étudier les effets de la TCC et traitements thérapeutiques potentiels pour les effets potentiellement durables de blessures secondaires. Les domaines de recherche potentiel en utilisant le modèle de la CCI comprennent la mort neuronale, l'oedème cérébral, la neurogenèse, effets vasculaires, les changements histopathalogical, et les déficits de mémoire et plus 3,13-16.

Protocol

Protection des animaux Homme C57 BL / 6 souris ont été logées en groupe et maintenus dans un cycle 12/12 h de lumière / obscurité avec une connexion pour accéder à la nourriture et de l'eau ad libitum. Les animaux utilisés dans ce protocole étaient âgés de 10-12 semaines. Toutes les procédures ont été réalisées selon des protocoles approuvés par le Comité de soins et l'utilisation des animaux de l'Université d'Indiana. 1. Préparation chirurgi…

Representative Results

Le modèle d'impact corticale contrôlée produit TCC allant de sévérité légère à sévère. Après l'impact de la quantité de gonflement crânien, hémorragie, et la distorsion du crâne sur le site de l'impact, révéler la gravité des blessures résultant des paramètres de vitesse et de profondeur de déformation. TCC légers se traduisent par un gonflement crânien sur le site d'impact et un léger saignement en raison de la violation de la durée limitée. Un TCC modéré présente gonflemen…

Discussion

Les étapes les plus importantes pour générer des succès TCC cohérentes en utilisant un système d'impact magnétique électronique pour provoquer une CCI sont: 1) fixer de façon stable la tête de la souris dans le cadre stéréotaxique; 2) la génération de la même taille de la fenêtre de l'os entre les souris et l'enlèvement de l'os sans endommager la dure-dessous pendant craniectomy; 3) positionner correctement la pointe de percussion dans le centre de la zone ouverte et établir le point z?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par un financement du cordon Indiana épinière et cerveau de subventions de recherche de blessures (200-12) SCBI, Ralph W. et Grace M. bourse de recherche Showalter, Indiana University Research Grant biologique, NIH subventions RR025761 et 1R21NS072631-01A.

Materials

Povidone-iodine 7.5% Purdue product L.P. Surgical scrub
Cotton tipped applicators Henry Schein 100-6015 Remove blood and debris
scissor Fine Science Tools 14084-08 Surgery
forcept Fine Science Tools 11293-00 Surgery
hemostat Fine Science Tools 13021-12 Surgery
Rechargeable Cordless Micro Drill Stoelting 58610 Combine with Burrs for generating the bone window
Burrs for Micro Drill Fine Science Tools 19007-05
Suture monofilament Ethicon G697 Suture
tert-Amyl alcohol Sigma 152463-250ML Making 2.5% Avertin
2,2,2-Tribromoethanol Sigma T48402-25G Making 2.5% Avertin

References

  1. Menon, D. K., Schwab, K., et al. Position statement: definition of traumatic brain injury. Arch Phys Med Rehabil. 91 (11), 1637-1640 (2010).
  2. Lighthall, J. W., Dixon, C. E., et al. Experimental models of brain injury. J Neurotrauma. 6 (2), 83-97 (1989).
  3. Dixon, C. E., Clfton, G. L., et al. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. J Neurosci Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
  4. Scheff, S. W., Baldwin, S. A., et al. Morris water maze deficits in rats following traumatic brain injury: lateral controlled cortical impact. J Neurotrauma. 14 (9), 615-627 (1997).
  5. Smith, D. H., Soares, H. D., et al. A model of parasagittal controlled cortical impact in the mouse: cognitive and histopathologic effects. J Neurotrauma. 12 (2), 169-178 (1995).
  6. Hannay, H. J., Feldman, Z., et al. Validation of a controlled cortical impact model of head injury in mice. J Neurotrauma. 16 (11), 1103-1114 (1999).
  7. Natale, J. E., Ahmed, F., et al. Gene expression profile changes are commonly modulated across models and species after traumatic brain injury. J Neurotrauma. 20 (10), 907-927 (2003).
  8. Anderson, R. W., Brown, C. J., et al. Impact mechanics and axonal injury in a sheep model. J Neurotrauma. 20 (10), 961-974 (2003).
  9. Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. J Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
  10. Chen, S., Pickard, J. D., et al. Time course of cellular pathology after controlled cortical impact injury. Exp Neurol. 182 (1), 87-102 (2003).
  11. Long, J. B., Bentley, T. L., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. J Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
  12. Clark, R. S., Schiding, J. K., et al. Neutrophil accumulation after traumatic brain injury in rats: comparison of weight drop and controlled cortical impact models. J Neurotrauma. 11 (5), 499-506 (1994).
  13. Werner, C., Engelhard, K. Pathophysiology of traumatic brain injury. Br J Anaesth. 99 (1), 4-9 (2007).
  14. Colicos, M. A., Dixon, C. E., et al. Delayed, selective neuronal death following experimental cortical impact injury in rats: possible role in memory deficits. Brain Res. 739 (1-2), 111-119 (1996).
  15. Raghavendra Rao, V. L., Dogan, A., et al. Traumatic brain injury leads to increased expression of peripheral-type benzodiazepine receptors, neuronal death, and activation of astrocytes and microglia in rat thalamus. Exp Neurol. 161 (1), 102-114 (2000).
  16. Gao, X., Chen, J. Moderate traumatic brain injury promotes neural precursor proliferation without increasing neurogenesis in the adult hippocampus. Exp Neurol. 239, 38-48 (2013).

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Cite This Article
Romine, J., Gao, X., Chen, J. Controlled Cortical Impact Model for Traumatic Brain Injury. J. Vis. Exp. (90), e51781, doi:10.3791/51781 (2014).

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