Modellering encefalopati hos prematura Använda Prenatal Hypoxi-ischemi med Intra-fostervatten Lipopolysackarid hos råttor
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
Encefalopati hos prematura barn (EoP) är en term som omfattar det centrala nervsystemet (CNS) avvikelser i samband med för tidig födsel. Till bästa förväg translationella mål och hitta nya terapeutiska strategier för hjärnskada i samband med för tidig födsel, måste prekliniska modeller av EoP omfatta liknande mekanismer av prenatal global skada observerats hos människa och involvera flera komponenter av moderns-placenta-fetal systemet. Helst bör modeller en liknande spektrum av funktionella brister i den mogna djuret och sammanfatta flera aspekter av patofysiologi. För att efterlikna mänskliga system placentaperfusionen defekter, placenta underperfusion och / eller korioamnionit samband med patogen-inducerad inflammation i början pretermfödelse, vi utvecklat en modell för prenatal gående systemisk hypoxi-ischemi (TSHI) i kombination med intra-fostervatten lipopolysackarid (LPS). Hos dräktiga Sprague Dawley, TSHI via livmoder artärocklusion on embryonala dag 18 (E18) inducerar ett graderat placenta underperfusion fel i samband med ökande CNS-skada hos fostret. I kombination med intra-fostervatten LPS injektioner är placenta inflammation ökar och CNS-skada förvärras med tillhörande vita substans, gång och avbildnings avvikelser. Prenatal TSHI och TSHI + LPS prenatal förolämpningar uppfyller flera av kriterierna för en EoP modell inklusive rekapitulera det intrauterin förolämpning, leda till förlust av neuroner, oligodendrocyter och axoner, förlust av platt och funktionella brister hos vuxna djur som efterliknar de som observerats hos barn födda extremt prematura. Dessutom medger dissektion av inflammation inducerad av olika typer skade denna modell.
Introduction
Med över 12% av barnen är födda i USA innan 37 veckor beräknas gestationsålder 1, är perinatal hjärnskada (PBI) från prematuritet en betydande orsak till permanent invaliditet. PBI från prematuritet, även kallat encefalopati hos prematura barn (EoP), påverkar hela centrala nervsystemet (CNS). CNS-skada ofta börjar i livmodern, och förvärras av prenatala processer inklusive korioamnionit och postnatal komplikationer såsom hypoxi och sepsis. PBI från system förolämpningar förändrar nervsystemets utveckling och leder till cerebral pares, epilepsi, kognitiv försening och många neuropsykiatriska störningar som påverkar känslomässig reglering, minne och exekutiva funktion 1,2. Även om stora framsteg har gjorts, kvarstår om hur de cellulära och molekylära konsekvenserna av CNS-skada från tidig födsel översätta till de många neurologiska följd hos barn som föds prematura en begränsad förståelse. Denna brist på kunskap hinders realtid diagnos av CNS skadornas svårighetsgrad och informerade dosering av nya insatser. Dessutom, åldersanpassade terapeutiska strategier för utsatta patientgrupp förblir svårfångade.
Intrauterin inflammation är mycket vanligt i extrem prematuritet och innefattar en komplicerad foster-maternal-placental inflammatoriska kaskaden 3. Intrauterin infektion är ofta subklinisk. Specifika placenta fynd som överensstämmer med akut inflammation eller histologisk korioamnionit, är viktiga faktorer för fostrets inflammatoriska svaret och sammanfaller med hjärnskada i samband med tidig födsel 3-5. I själva verket har fostrets inflammatoriskt svar tydliga kliniska konsekvenser för långsiktiga resultaten från tidig födsel. Spädbarn som är små för gestationsålder (SGA) eller som upplever infektion är utomordentligt känsliga för neurologiska underskott 3,4. Korioamnionit är en typisk patologisk diagnos efter tidig födsel <sup> 6,7 och histologisk undersökning avslöjar tecken på inflammation i 70% av moderkakor från barn födda mycket prematura 4. Vidare korioamnionit förknippad med kognitiv svikt på två år 8. Bevis på moderns kärl underperfusion i moderkakan hos barn födda extremt tidigt födda är också förknippat med cerebral pares i barndomen 9. Den synergistiska effekten av korioamnionit och placentaperfusionen defekter illustreras väl av anmärkningsvärt hög risk för onormala neurologiska utfall i denna patientgrupp vid två års ålder 10,11.
För att efterlikna mänskliga system placental perfusion och korioamnionit samband med patogen-inducerad inflammation, vi utvecklat en modell för prenatal gående systemisk hypoxi-ischemi (TSHI) i kombination med intra-fostervatten lipopolysackarid (LPS) hos råttor. Vårt mål var att anpassa vår modell för TSHI ensam i råttor 12-16 att inkludera intrauterin inflammation,för att underlätta preklinisk modellering av CNS-skada i samband med för tidig födsel. TSHI ensam har avslöjat ihållande förlust av oligodendrogliala linjeceller, kortikalneuroner, ökad celldöd, och förhöjda proinflammatoriska cytokinnivåer, med progressiva ischemiska intervall leder till en graderad mönster av skada i överensstämmelse med prenatal hjärnskada 16. Ändringar av de ischemiska delar av denna modell har också visat underskott i minnet kodning, på kort och lång sikt minne och milda muskuloskeletala förändringar hos råttor när de blir äldre 17-19. I själva verket har vi tidigare visat att kombinationen av TSHI + LPS rekapitulerar de patofysiologiska kännetecknen för EoP, inklusive oligodendrocyt och neuronal förlust, axonal skada, cellulär inflammation och funktionella abnormiteter 20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Encefalopati hos prematura barn är svårt att modellera i djur på grund av det komplexa samspelet etiologier, neuro tidsförloppet, intrikat av cerebral nätverksbildning mänsklig, överlappande mekanismer för skador och de olika fenotyper av CNS förolämpar uppenbart i mänskliga tidigt födda barn. EoP är associerad med specifika celltyp sårbarheter (dvs. omogna oligodendrocyter) 21, såväl som olika utvecklingsmässigt reglerade vägar (dvs. underplatta, membrantransportörer och …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma för Dan Firl, Chris Corbett och Jesse Denson, PhD. Finansieringen kom från NIH NINDS R01 NS060765 till SR, P30 Cobre pilotprogram för att LJ och barnhälsovård signatur Program till LJ vid 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 .
