Modellering encephalopati hos præmature Brug Prænatal Hypoxi-iskæmi med Intra-fosterhinde Lipopolysaccharid i rotter
Summary
Encephalopathy of prematurity encompasses the central nervous system abnormalities associated with injury from preterm birth. This report describes a clinically relevant rat model of in utero transient systemic hypoxia-ischemia and intra-amniotic lipopolysaccharide administration (LPS) that mimics chorioamnionitis, and the related impact of infectious stimuli and placental underperfusion on CNS development.
Abstract
Encephalopati hos præmature (EoP) er et begreb, der omfatter det centrale nervesystem (CNS) abnormiteter i forbindelse med for tidlig fødsel. Til bedste forhånd translationelle mål, og afdække nye terapeutiske strategier for hjerneskade er forbundet med for tidlig fødsel, skal prækliniske modeller af EoP omfatter lignende mekanismer af prænatal global skade observeret hos mennesker og involverer flere komponenter af den maternelle-placenta-føtal system. Ideelt set bør modeller producere en lignende spektrum af funktionelle mangler i det modne dyr og rekapitulere flere aspekter af patofysiologien. At efterligne human placenta systemiske perfusionsdefekter, placenta underperfusion og / eller chorioamnionitis forbundet med patogen-induceret inflammation i begyndelsen tidlig fødsel, udviklede vi en model af prænatal forbigående systemisk hypoxia-iskæmi (TSHI) kombineret med intra-fostervand lipopolysaccharid (LPS). Hos gravide Sprague Dawley-rotter, TSHI via livmoderarterie okklusion on embryonisk dag 18 (E18) inducerer en gradueret placenta underperfusion defekt forbundet med stigende CNS-skade hos fosteret. Når det kombineres med intra-fostervand LPS injektioner, er placenta betændelse øget, og CNS-skader forværres med tilhørende hvide substans, gangart og billedbehandling abnormiteter. Prænatal TSHI og TSHI + LPS prænatal fornærmelser opfylder flere af kriterierne for en EoP model herunder den gentog den intrauterin fornærmelse, der forårsager tab af neuroner, oligodendrocytter og axoner, tab af bundplade og funktionelle underskud i voksne dyr, der efterligner dem observeret hos børn født ekstremt præterm. Desuden er denne model giver mulighed for dissektion af inflammation induceret af forskellige typer skade.
Introduction
Med over 12% af spædbørn født i USA før 37 uger anslået gestationsalder 1, perinatal hjerneskade (PBI) fra præmaturitet er en væsentlig årsag til permanent invaliditet. PBI fra præmaturitet, også betegnet encephalopati hos præmature (EoP), påvirker hele centralnervesystemet (CNS). CNS skade ofte begynder i livmoderen, og forværres af fødselsforberedelse processer, herunder chorioamnionitis og postnatale komplikationer såsom hypoxi og sepsis. PBI fra systemiske fornærmelser ændrer nervesystemets udvikling og fører til cerebral parese, epilepsi, kognitiv forsinkelse og talrige neuropsykiatriske lidelser påvirker emotionel regulering, hukommelse og udøvende funktion 1,2. Selv om der er gjort store fremskridt, er fortsat en begrænset forståelse af, hvordan de cellulære og molekylære konsekvenser af CNS-skader fra præterm fødsel oversætte til de mange neurologiske sequelae hos børn, der er født for tidligt fødte. Denne mangel på viden hindERS realtid diagnose af CNS skade sværhedsgrad og informeret dosering af nye interventioner. Derudover alderssvarende terapeutiske strategier for denne sårbare patientpopulation forblive undvigende.
Intrauterin inflammation er meget almindeligt i ekstrem præmaturitet og indebærer en kompliceret føtomaternelle-placental inflammatoriske 3 kaskade. Intrauterin infektion er ofte subklinisk. Specifikke placentale fund er i overensstemmelse med akut inflammation, eller histologisk chorioamnionitis, er vigtige determinanter for fosterets inflammatorisk respons og er sammenfaldende med hjerneskade er forbundet med for tidlig fødsel 3-5. Faktisk den føtale inflammatoriske respons har tydelige kliniske konsekvenser for langsigtede resultater fra præterm fødsel. Spædbørn, der er små for gestationsalder (SGA), eller som oplever infektion er usædvanligt sårbare over for neurologiske underskud 3,4. Chorioamnionitis er en typisk patologisk diagnose efter præterm fødsel <sup> 6,7, og histologisk undersøgelse afslører tegn på inflammation i 70% af placentaer fra spædbørn født meget for tidligt fødte 4. Endvidere er chorioamnionitis forbundet med kognitiv svækkelse på to år 8. Bevis for maternel vaskulær underperfusion i moderkagen af spædbørn født ekstremt præmature er også forbundet med cerebral parese i barndommen 9. Den synergistiske virkning af chorioamnionitis og placenta perfusionsdefekter er godt illustreret ved bemærkelsesværdig høj risiko for unormale neurologiske udfald i denne patientpopulation på to år 10,11.
At efterligne human placenta systemiske perfusionsdefekter og chorioamnionitis forbundet med patogen-induceret inflammation, udviklede vi en model af prænatal forbigående systemisk hypoxia-iskæmi (TSHI) kombineret med intra-fostervand lipopolysaccharid (LPS) i rotter. Vores mål var at tilpasse vores model af TSHI alene i rotter 12-16 at omfatte intrauterin inflammation,at lette prækliniske modellering af CNS skade i forbindelse med for tidlig fødsel. TSHI alene har afsløret vedvarende tab af oligodendrogliale afstamningsceller, corticalneuroner, øget celledød, og forhøjede pro-inflammatoriske cytokin niveauer med progressive iskæmiske intervaller, der fører til en gradueret mønster af skader i overensstemmelse med prænatal hjerneskade 16. Ændringer i de iskæmiske komponenter i denne model har også vist underskud i hukommelsen kodning, kort- og langtidshukommelse og milde muskuloskeletale ændringer i rotter som de bliver ældre 17-19. Faktisk har vi tidligere vist, at kombinationen af TSHI + LPS rekapitulerer de patofysiologiske kendetegnende for EoP, herunder oligodendrocyt og neurontab, axonal skade, cellulære inflammation og funktionelle abnormiteter 20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Encefalopati af præmaturitet er vanskelig at modellere i dyr på grund af den komplekse samspil af etiologier, neurologisk tidsforløb, forviklinger af human cerebral netværksdannelse, overlappende mekanismer skade, og de forskellige fænotyper på CNS fornærmer åbenbart i humane præmature børn. EoP er associeret med specifikke celle-type sårbarheder (dvs. umodne oligodendrocytter) 21, samt diverse udviklingsmæssigt regulerede veje (dvs. underpladebeslag, membrantransportører og rec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelige for Dan Firl, Chris Corbett og Jesse Denson, PhD. Finansieringen blev leveret af NIH NINDS R01 NS060765 til SR, P30 Cobre Pilot Program til at LJ og børns sundhed Signatur Program til at LJ ved University of New Mexico.
Materials
| Saline Solution, 0.9% | Sigma | S8776 | |
| LPS 011B4 | Sigma | L2630 | |
| Evan's Blue Dye | Sigma | E2129 | |
| Surgical gloves | Biogel | 40870 | |
| OR Towels | Cardinal Health | 287000-008 | Sterile |
| PDI Alcohol Prep Pads | Fisherbrand | 06-669-62 | |
| Mini Arco Rechargeable Clippers | Kent Scientific Corp. | CL8787 | |
| Betadine surgical scrub | Purdue Products L.P. | 67618-151-17 | |
| Eye Lubricant | Refresh Lacri Lube | 00023-0312 | |
| Blunt Forceps | Roboz | RS-8100 | |
| Scissors | Roboz | RS-6808 | |
| Surgical Scissors | Roboz | RS-5880 | |
| Surgical Scissors | F.S.T. | 14002-16 | |
| Syringe | BD | 309628 | 1 ml |
| Needle | BD | 305122 | 25G 5/8 |
| Needle | BD | 305128 | 30G 1 |
| Cotton-tipped Applicators | Fisherbrand | 23-400-114 | Small, 6 inch sterile |
| Cotton Gauze Sponge | Fisherbrand | 22-362-178 | |
| Needle Holders | Kent Scientific Corp. | INS600109 | 12.5 CM STR |
| Vessel Clips | Kent Scientific Corp. | INS600120 | 30G Pressure |
| 3-0 Perma Hand Silk Sutures | Ethicon | 1684G | Black braided, 3-0 (2 metric), 18", non-absorbable, PS-1 24mm needle, 3/8 circle |
| Insulin Syringes | BD | 328438 | 0.3cc 3mm 31G |
| Pentobarbital | |||
| Buprenorphine | |||
| Bupivacaine | |||
| Isoflurane | |||
| Lithium Carbonate | Acros Chemicals | 554-13-2 | |
| Superfrost Plus Microscope Slides | VWR | 48311-703 | |
| Hematoxylin | Leica | 3801521 | Surgipath Gill II Hematoxylin |
| Eosin | Leica | 3801601 | Surgipath Eosin |
| Xylenes | Fisherbrand | X3S-4 | Histological Grade |
| Permount | Fisherbrand | SP15-100 | |
| Coverglass | Fisherbrand | 12-548-5P | Fisher Finest Premium Coverglass |
References
- Blencowe, H., et al. Preterm birth associated neurodevelopmental impairment estimates at regional and global levels for 2010. Pediatr Res. 74, 17-34 (2013).
- Mwaniki, M. K., Atieno, M., Lawn, J. E., Newton, C. R. Long term neurodevelopmental outcomes after intrauterine and neonatal insults a systematic review. Lancet. 379, 445-452 (2012).
- Dammann, O., Leviton, A. Intermittent or sustained systemic inflammation and the preterm brain. Pediatr Res. 75, 376-380 (2014).
- Leviton, A., et al. Microbiologic and histologic characteristics of the extremely preterm infant’s placenta predict white matter damage and later cerebral palsy. the ELGAN study Pediatr Res. 67, 95-101 (2010).
- Redline, R. W. Inflammatory responses in the placenta and umbilical cord. Semin Fetal Neonatal Med. 11, 296-301 (2006).
- Lee, J., et al. Chronic chorioamnionitis is the most common placental lesion in late preterm birth. Placenta. 34, 681-689 (2013).
- Lee, S. M., et al. Acute histologic chorioamnionitis is a risk factor for adverse neonatal outcome in late preterm birth after preterm premature rupture of membranes. PloS one. 8, e79941 (2013).
- Pappas, A., et al. Chorioamnionitis and early childhood outcomes among extremely low gestational age neonates. JAMA Peds. 168, 137-147 (2014).
- Gaillard, R., Arends, L. R., Steegers, E. A., Hofman, A., Jaddoe, V. W. Second and third trimester placental hemodynamics and the risks of pregnancy complications the Generation R Study. Am J Epidemiol. 177, 743-754 (2013).
- Trivedi, S., et al. Fetal placental inflammation but not adrenal activation is associated with extreme preterm delivery. Am J Obstet Gynecol. 206, 236 (2012).
- Yanowitz, T. D., et al. Hemodynamic disturbances in premature infants born after chorioamnionitis association with cord blood cytokine concentrations. Pediatr Res. 51, 310-316 (2002).
- Jantzie, L. L., Corbett, C. J., Firl, D. J., Robinson, S. Postnatal Erythropoietin Mitigates Impaired Cerebral Cortical Development Following Subplate Loss from Prenatal Hypoxia Ischemia. Cereb Cortex. , (2014).
- Jantzie, L. L., et al. Erythropoietin attenuates loss of potassium chloride co transporters following prenatal brain injury. Mol Cell Neurosci. 61, 152-162 (2014).
- Jantzie, L. L., Miller, R. H., Robinson, S. Erythropoietin signaling promotes oligodendrocyte development following prenatal systemic hypoxic ischemic brain injury. Pediatric Res. 74, 658-667 (2013).
- Mazur, M., Miller, R. H., Robinson, S. Postnatal erythropoietin treatment mitigates neural cell loss after systemic prenatal hypoxic ischemic injury. J Neurosurg Peds. 6, 206-221 (2010).
- Robinson, S., et al. Developmental changes induced by graded prenatal systemic hypoxic ischemic insults in rats. Neurobiol Dis. 18, 568-581 (2005).
- Delcour, M., et al. Neuroanatomical sensorimotor and cognitive deficits in adult rats with white matter injury following prenatal ischemia. Brain Pathol. 22, 1-16 (2012).
- Delcour, M., et al. Impact of prenatal ischemia on behavior cognitive abilities and neuroanatomy in adult rats with white matter damage. Behav Brain Res. 232, 233-244 (2012).
- Delcour, M., et al. Mild musculoskeletal and locomotor alterations in adult rats with white matter injury following prenatal ischemia. Intl J Devel Neurosci. 29, 593-607 (2011).
- Jantzie, L. L., et al. Complex pattern of interaction between in utero hypoxia ischemia and intra amniotic inflammation disrupts brain development and motor function. J Neuroinflam. 11, 131 (2014).
- Back, S., et al. Selective vulnerability of late oligodendrocyte progenitors to hypoxia ischemia. J Neurosci. 22, 455-463 (2002).
- Jantzie, L. L., et al. Developmental Expression of N Methyl d Aspartate (NMDA) Receptor Subunits in Human White and Gray Matter Potential Mechanism of Increased Vulnerability in the Immature Brain. Cereb Cortex. 25, 482-495 (2015).
- Jantzie, L. L., Robinson, S. Preclinical Models of Encephalopathy of Prematurity. Devel Neurosci. , (2015).
- Workman, A. D., Charvet, C. J., Clancy, B., Darlington, R. B., Finlay, B. L. Modeling transformations of neurodevelopmental sequences across mammalian species. J Neurosci. 33, 7368-7383 (2013).
- Herlenius, E., Lagercrantz, H. Development of neurotransmitter systems during critical periods. Exper Neurol. 190, S8-S21 (2004).
- Kelsom, C., Lu, W. Development and specification of GABAergic cortical interneurons. Cell Biosci. 3, 19 (2013).
- Kinney, H., Back, S. Human oligodendroglial development Relationship to periventricualr leukomalacia. Semin Pediatr Neuro. 5, 180-189 (1998).
- Robinson, S., Li, Q., DeChant, A., Cohen, M. Neonatal loss of gamma amino butyric acid pathway expression after human perinatal brain injury. J Neurosurg Peds. 104, 396-408 (2006).
- Xu, G., et al. Late development of the GABAergic system in the human cerebral cortex and white matter. J Neuropathol Exp Neurol. 70, 841-858 (2011).
- Segovia, K. N., et al. Arrested oligodendrocyte lineage maturation in chronic perinatal white matter injury. Ann Neurol. 63, 520-530 (2008).
- Robinson, S., Li, Q., Dechant, A., Cohen, M. L. Neonatal loss of gamma aminobutyric acid pathway expression after human perinatal brain injury. J Neurosurg. 104, 396-408 (2006).
- Boksa, P. Effects of prenatal infection on brain development and behavior a review of findings from animal models. Brain Behav Immun. 24, 881-897 (2010).
- Burd, I., Brown, A., Gonzalez, J. M., Chai, J., Elovitz, M. A. A mouse model of term chorioamnionitis unraveling causes of adverse neurological outcomes. Repro Sci. 18, 900-907 (2011).
- Bergeron, J. D., et al. White matter injury and autistic like behavior predominantly affecting male rat offspring exposed to group B streptococcal maternal inflammation. Devel Neurosci. 35, 504-515 (2013).
- Uchida, K., et al. Effects of Ureaplasma parvum lipoprotein multiple banded antigen on pregnancy outcome in mice. J Reprod Immunol. 100, 118-127 .
