Summary
O método descreve inflamação sensibilizada hicóxico-isquêmica e lesão cerebral hiperoxica no furão P17 para modelar a interação complexa entre inflamação prolongada e lesão cerebral oxidativa experimentada em um número de bebês prematuros tardios.
Abstract
Há uma necessidade contínua de modelos clinicamente relevantes de infecção perinatal e hipóxia-isquemia (EI), nos quais testar intervenções terapêuticas para bebês com as sequelas neurológicas da prematuridade. Furões são candidatos ideais para modelar o cérebro humano prematuro, como eles nascem lissencefálicos e desenvolver cérebros gironcfálicos pós-natal. Ao nascer, o desenvolvimento do cérebro de furão é semelhante a um feto humano de 13 semanas, com kits pós-natais (P) 17 considerados equivalentes a uma criança de 32 a 36 semanas de gestação. Descrevemos um modelo de lesão no furão P17, onde a administração de lipopolissacarídeos é seguida por isquemia cerebral bilateral, hipóxia e hiperoxia. Isso simula a interação complexa de inflamação prolongada, isquemia, hipóxia e estresse oxidativo experimentado em vários neonatos que desenvolvem lesão cerebral. Os animais feridos exibem uma série de gravidade da lesão bruta, com alterações morfológicas no cérebro, incluindo o estreitamento de vários giros corticais e sulci associados. Animais feridos também mostram desenvolvimento reflexo retardado, velocidade mais lenta e variável de locomoção em uma passarela automatizada, e diminuição da exploração em um campo aberto. Este modelo fornece uma plataforma para testar terapias putativas para lactentes com encefalopatia neonatal associada à inflamação e Hi, mecanismos de estudo de lesões que afetam o desenvolvimento cortical e investigar caminhos que fornecem resiliência animais não afetados.
Introduction
Há uma necessidade contínua de grandes modelos animais que reflitam a fisiopatologia da prematuridade e da hipóxia-isquemia perinatal em que intervenções terapêuticas para bebês podem ser testadas. Em 2017, 9,93% dos 382.726 lactentes nascidos nos Estados Unidos nasceram prematuros e 84% desses bebês nasceram entre 32 e 36 semanas de gestação1. Em prematuros, a exposição perinnatal à infecção ou inflamação é comum, onde a ativação imune materna devido a patógenos virais ou bacterianos pode iniciar o trabalho prematuro. Postnatalmente, os bebês prematuros estão em alto risco de sepse precoce ou de início tardio2. Os bebês prematuros também freqüentemente experimentam períodos de hipóxia, hipotensão e hiperoxia devido ao seu sistema cardiorrespiratório imaturo, tensão elevada de oxigênio na atmosfera em relação aos experimentados no útero e exposições iagênicas. Além disso, em bebês prematuros, as defesas antioxidantes são imaturas3 e os fatores pró-apoptotice são naturalmente upregulated4. Estresse oxidativo e morte celular levam à ativação do sistema imunológico e neuroinflamação. Estes fatores combinados são pensados para contribuir para a vulnerabilidade do desenvolvimento e fisiofiária do cérebro, e resultar ou exacerbar a encefalopatia associada com maus resultados de desenvolvimento em bebês prematuros5,6,7.
Devido às semelhanças físicas e de desenvolvimento que o cérebro furão compartilha com o cérebro humano, o furão é uma espécie atraente para modelar lesão cerebral8,9,10,11,12. Furões também são candidatos ideais para modelar o cérebro humano prematuro, como eles nascem lissencefálicos e desenvolver cérebros gironcfálicos pós-natal, que fornece uma janela para expor o cérebro em desenvolvimento para insultos que imitam aqueles experimentados por bebês nascidos prematuros. Ao nascer, o desenvolvimento do cérebro de furão é semelhante a um feto humano de 13 semanas, com kits pós-parto (P) 17 considerados equivalentes a uma criança de 32 a 36 semanas de gestação13.
Nosso grupo publicou recentemente um modelo de lesão cerebral extremamente prematuro (<28 semanas) no furão P10, combinando sensibilização inflamatória com lipopolissacarídeos de Escherichia coli (LPS) com posterior exposição à hipóxia e hiperoxia12. No protocolo a seguir, descrevemos agora um modelo prematuro tardio no furão P17, onde a sensibilização do LPS é seguida por isquemia cerebral bilateral, hipóxia e hiperoxia. Isso resulta em lesão mais grave em um subconjunto de animais, e mais estreitamente modela a interação complexa de inflamação prolongada, isquemia, hipóxia e estresse oxidativo experimentado em uma série de bebês prematuros que desenvolvem lesão cerebral.
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Protocol
Os procedimentos foram realizados de acordo com o Guia nih para o cuidado e uso de animais de laboratório e como parte de um protocolo aprovado pela Universidade de Washington Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Administração de preparação e LPS
Nota: Consulte a Figura 1 para uma linha do tempo dos procedimentos.
- Antes de iniciar o procedimento, selar, esterilizar e autoclave todos os instrumentos cirúrgicos e cortinas cirúrgicas. Prepare medicamentos pré-operatórios em frascos estéreis. Calcule a taxa de fluxo necessária para substituir o ar na câmara hipóxia/hiperoxia pelo gás experimental em 8-10 min.
- Prepare o lipopolissacarídeo (LPS de E. coli 055:B5) em salina estéril para produzir uma concentração de 1 mg/mL. Remover kits de furão P17 de suas jills. Pese e o número deles. Randomize animais por lixo e sexo para os grupos de controle ou feridos (ou tratamento).
- Usando uma seringa de insulina de 300 μL, administre 3 mg/kg de LPS intraperitoneally a kits no grupo de lesões e um volume equivalente de veículo soline estéril (3 μL/g) para controlar animais.
- Coloque os animais em uma câmara dentro de um banho de água a 37-40 °C, a fim de manter uma temperatura retal alvo de 36-37 °C ao longo dos procedimentos cirúrgicos.
2. Anestesia
- Durante o procedimento, monitorar continuamente a temperatura, a frequência de respiração e a frequência cardíaca do animal.
- Administrar buprenorfina (0,05 mg/kg) subcutâneamente 30 min antes do procedimento cirúrgico. Induzir anestesia em uma mistura de 3% isoflurano equilibrado com 100% de oxigênio. Retire o kit da câmara de indução e coloque-o supine em um cobertor de água cirúrgica drapeado definido para 37 °C. Transfira anestesia para o cone do nariz e reduza o nível de isoflurano para 2-3%.
3. Preparação cirúrgica
- Usando pequenos cortadores de animais remover todos os cabelos na região do pescoço ventral. Barbear em um padrão retangular com cuidado para evitar cortar a pele ou gerar erupção navalha. Administrar anestesia local à área raspada usando lidocaína intradermal (4 mg/kg) e bupivacaine (2,5 mg/kg).
- Prepare o pescoço alternando a aplicação de povidone-iodo e 70% de etanol esfrega com cotonetes estéreis. Repita o matagal de tal forma que povidone-iodo e 70% etanol são cada 3x aplicado de forma alternada.
- Confirmar a profundidade da anestesia por ausência de reflexo de compressão do dedo do dedo do lado. Manter o nível de isoflurano no percentual mínimo necessário para um plano cirúrgico de anestesia. Usando cortinas descartáveis estéril recortadas que expõem a região do pescoço, armar o animal.
4. Ligadura bilateral da artéria carótida
- Com uma lâmina de bisturi de uso único #11, faça uma incisão de 1,5 cm no centro do pescoço. Usando hemostats finos e fórceps curvos, dissecar sem rodeios até a artéria carótida esquerda. Dissecar a artéria longe do pacote neurovascular associado.
- Usando um par de fórceps finos curvos, passe um comprimento de 10 cm de sutura de seda estéril 5-0 a artéria. Corte a sutura ao meio. Ligate a artéria amarrando firmemente ambos os comprimentos da sutura, deixando pelo menos 2 milímetros entre os nós. Transect a artéria carótida esquerda entre as suturas, tomando cuidado para deixar o nervo intacto.
- Repita a dissecação do lado direito. Ligata reversível a artéria carótida direita com um único laço umbilical estéril de 1/8 polegadas. Feche a ferida com grampos cirúrgicos da pele.
- Permita que o animal se recupere em um banho de água temperatura-controlada para pelo menos 30 min antes da hipóxia.
Nota: Se as artérias não estiverem totalmente isoladas do resto do feixe neurovascular, o aumento da mortalidade pode ser observado antes ou durante a hipóxia posterior.
5. Hipóxia Sequencial, Hiperoxia e Hipóxia
- Durante a hipóxia e hiperoxia, alterar a temperatura do banho de água, conforme necessário para manter a temperatura retal durante a hipóxia em 37 °C no animal sentinela (s).
- Coloque os animais no grupo de lesões em uma câmara hermética dentro de um banho de água. Monitore continuamente a concentração de oxigênio dentro da câmara, bem como a temperatura retal em pelo menos um animal sentinela. Lave a câmara com oxigênio umidificado de 9% (91% de nitrogênio) em seguida, mantenha uma taxa de fluxo de 3-5 L/min, dependendo do tamanho da câmara. Uma vez que a concentração de oxigênio na câmara atingiu 9%, continue por 30 min.
- Após 30 min, troque o fornecimento de gás para 80% de oxigênio umidificado (20% de nitrogênio) e permita que a câmara atinja a concentração alvo com base na taxa de fluxo e no tamanho da câmara. Continue por 30 min de hiperoxia. Abra a câmara para permitir que ele chegue mais rapidamente à normoxia equilibrando-se com o ar da sala.
- Selar a câmara, e lave com 9% de oxigênio umidificado. Monitore continuamente todos os animais visualmente, tomando nota dos animais que exibem bradypnea. Uma vez que a concentração de oxigênio na câmara atingiu 9%, continue por 30 min. Se a mortalidade intra-hipóxico (parada respiratória) em qualquer um dos animais é vista antes do final do período de 30 min, encerre a hipóxia imediatamente.
6. Reversão da Ligadura da Artéria Carotida Direita
- Retorne os animais à área cirúrgica e induza a anestesia em uma mistura de 3% isoflurano equilibrada com 100% de oxigênio. Transfira anestesia para cone de nariz e reduza o nível de isoflurano para 2-3%. Retire os clipes de ferida cirúrgica e repreparar a área da ferida com povidone-iodo. Confirmar a profundidade da anestesia por ausência de reflexo de compressão do dedo do dedo do lado. Mantenha o nível de isoflurano no percentual mínimo necessário para um plano cirúrgico de anestesia. Usando cortinas descartáveis estéril recortadas que expõem a região do pescoço, armar o animal.
- Usando fórceps curvos, identifique e desatie a fita umbilical da artéria carótida direita. Feche a ferida com grampos cirúrgicos da pele.
7. Recuperação e Gestão da Temperatura
- Devolva todos os kits para suas jills por 60 min, para enfermagem e recuperação. Após 60 min, retorne animais feridos aos banhos de água em 37-40 °C para 6 h, ajustando a temperatura da água como necessário, a fim de manter a temperatura retal em 36-37 °C. Retorne kits para suas jills.
- Retire clipes cirúrgicos 10-14 dias após a cirurgia (P27-P31).
8. Teste de reflexo
- Realize todos os testes reflexos diários do P21-P28, e pelo menos 3x por semana do P28-P42, permanecendo cego ao grupo de exposição (ou tratamento). Antes do teste reflexo, coloque kits em uma câmara com assistência térmica (37 °C banho de água, almofada de calor, etc.) para 1 h. Para cada teste, complete todos os testes por kit antes de testar o próximo kit.
- Geotáxis negativos (25°)
- Coloque uma placa plana (16 1/2 in. x 12 in.) embrulhada em um protetor absorvente bancada contra um objeto para que a placa forma um ângulo de 25° com a mesa. Coloque um kit na placa propensa e voltado para baixo, aproximadamente 75% do caminho até a placa.
- Certifique-se do corpo do kit é reto e que tem todas as quatro patas agarrado contra a placa antes de liberá-lo. Assim que o kit for colocado, comece a avaliação do tempo.
- Registre o tempo em que o kit consegue girar seu corpo 90° em relação à sua posição inicial. Registre o tempo em que o kit gira seu corpo 180° e dá um passo completo em direção ao topo da placa. Realize 3 ensaios na inclinação de 25° antes de passar para o próximo teste.
- Geotáxis negativos (45°)
- Realize 3 ensaios do teste de geoetáxi negativo previamente descrito novamente, desta vez com a placa definida como um ângulo de 45°.
- Aversão ao penhasco
- Coloque uma plataforma acolchoada em torno de 1 pé abaixo da borda para minimizar lesões de kits se eles caem.
- Coloque um kit voltado, e perpendicular a, a borda do banco de laboratório. Certifique-se de que o corpo do kit é reto, com suas patas dianteiras niveladas com a borda. Comece a avaliação do tempo a partir do momento em que o kit é colocado. Tome cuidado para diferenciar entre movimento consciente longe do penhasco e outros movimentos espontâneos que não envolvem caminhada coordenada.
- Registre o tempo em que o kit move seu corpo para longe da borda (definido como o kit de backup, virando seu corpo, ou movendo seus membros dianteiros para longe da borda). Registre o tempo em que o kit completa seu primeiro passo na direção oposta da borda (definido como qualquer direção ou ângulo após uma rotação de 90° de sua posição inicial voltada para a borda).
- Realize 3 testes de aversão ao penhasco por kit antes de passar para o próximo teste.
- Reflexo de redireitamento
- Coloque um kit supine no banco, segurando-o suavemente nessa posição antes de liberá-lo e, simultaneamente, iniciar o cronômetro. Registre o tempo que o jogo se traz para descansar com todas as quatro patas simultaneamente planas contra o banco em posições de suporte de peso. Registre o tempo em que o kit dá um passo completo em qualquer direção (definido como a colocação de todas as quatro patas para alcançar o progresso em uma determinada direção, sem fiação ou arrastando do corpo).
- Realize 5 ensaios do teste reflexo de ajustamento por animal.
- Depois de cada kit ter completado os 5 testes reflexo de endireitamento, devolva a ninhada para a jill.
9. Teste de passarela
- No P42, retire os kits da jill. Coloque kits em gaiolas plásticas aproximadamente 10 min antes do teste, para que eles possam se adaptar ao meio ambiente. Desligue as luzes na sala de testes para garantir que a luz ambiente não afete a função da passarela.
- Crie um novo experimento no software relevante. Ajuste as configurações experimentais para que a duração máxima da execução não exceda 10,00 s e a duração mínima de execução não seja inferior a 1,50 s. Defina a variação máxima de velocidade para que não exceda 60%. Defina um requisito mínimo de três corridas compatíveis para cada animal.
- Ajuste a largura da passagem em relação ao tamanho do animal para que ele seja capaz de locomoto livremente sem tocar nas paredes, permanecendo estreito o suficiente para desencorajar a viragem. Adicione uma nova configuração de detecção na guia de configurações de detecção de configurações de detecção usando detecção automática. Use as mesmas configurações de detecção para todas as ninhadas e animais em uma determinada idade.
- Limpe completamente a passarela com um tecido de papel de baixo fiapos e 70% de etanol antes e depois de cada animal. Limpe as patas do furão regularmente para melhorar a precisão da detecção e classificação. Uma vez que a passarela e o animal são preparados, comece a aquisição experimental.
- Pausa aquisição para limpar a passarela se pegadas se acumulam no vidro, ou se os animais passam urina ou fezes. Pare de aquisição uma vez que o software de passarela reconheceu três corridas compatíveis com base nas configurações de experimentos pré-determinados.
10. Testes de Campo Aberto (P42)
- Use uma caixa de acrílico não porosa (55 cm x 55 cm x 40 cm de altura) pintada de branco fosco. Posicione a câmera para que ela seja centrada diretamente acima da caixa e todas as quatro paredes são capturadas. Limpe a área de testes com 70% de etanol antes do primeiro uso e entre os animais.
- No software relevante, selecione Novo de modelo e aplique um modelo pré-definido. Continue o procedimento de configuração selecionando sequencialmente o tipo de assunto:outros; Modelo de arena:Campo aberto, quadrado; Modelo de zona:Centro, fronteira, cantos; Recursos para rastrear:Ponto central.
- Configurações arena aberta e pegar a imagem de fundo da entrada da câmera, certificando-se de que os topos das paredes da arena são visíveis. Calibrar as dimensões da arena usando a ferramenta de escala.
- Ajuste as zonas de arena pré-definidas redimensionando os contornos para caber nas zonas de parede (NW, NE, SW, SE) e zonas de piso (parte superior esquerda, parte superior do meio, parte superior direita, meio esquerdo, centro, meio direito, fundo esquerdo, fundo médio, fundo direito). Vava a configuração para confirmar que nenhuma zona se sobrepõe.
- Abra a janela de aquisição e imprensa Start Aquisição. Coloque o furão no centro da arena de testes orientado de tal forma que seja consistente para cada assunto de teste. Permita que o furão se mova livremente por toda a arena por um período de 5 min. No final do período de testes, press Stop Aquisição. Repita o procedimento com o próximo furão.
Nota: Todos os experimentadores na sala devem posicionar-se para ser inobservável pelo furão e permanecer quieto durante o período de teste.
11. Perfusão de fixação
- Em P42, kits de anestesia profundamente com 5% isoflurano. Administrar uma overdose pentobarbital (120-150 mg/kg i.p.). Assegurar anestesia profunda por falta de resposta à pitada do dedo do dedo do dedo do dedo do dedo do ar e perda de movimentos respiratórios.
- Transfira o animal para um capuz de fumaça. Abra o tórax e aperte a aorta descendente usando hemostats finos. Corte o átrio direito. Usando uma bomba de perfusão, perfunde o ventrículo esquerdo com 60 mL de salina estéril a uma taxa de 30 mL/min. Perfuse com 60 mL de formalina (10% formaldeído) a uma taxa de 30 mL/min.
- Decapite a carcaça, e retire o cérebro do crânio usando tesouras, fórceps, rongeurs e uma espátula. Tire fotografias de alta resolução dos aspectos dorsais, ventrais e laterais de cada cérebro. Pós-corrigir o cérebro em formalina por pelo menos 48 h.
12. Ex Vivo Medição do cérebro
- Retire o cérebro da formalina (passo 11.3) e coloque em uma toalha de papel para absorver o excesso de líquido.
- Usando uma pinça eletrônica, medir a altura do cérebro, colocando as pontas da pinça nos aspectos dorsais e ventrais do cérebro. Medir o comprimento do cérebro, colocando as pontas do pinça no bulbo olfativo e a fronteira mais posterior do lobo occipital. Medir a largura do cérebro, colocando as pontas da pinça nas porções mais laterais dos lobos temporais. Pese o cérebro.
- Medir a fissura longitudinal (anterior e posterior ao sulco cruzado), sulci lateral, sulci suprasylvian, sulci coronal, sulci pseudosylviano, sulci ansinato, sulci cruciate, sulci pré-sylviano, gyri lateral, gyri suprasylvian, gyri sigmoid ( anterior e posterior), gyri coronal, ectosylvian gyri (anterior e posterior), e gyri orbital. Medir todos os sulcos desde o início e o fim da porção mais distinta do sulco correspondente. Medir todos os gyri do aspecto mais amplo de cada giro correspondente.
- Medir a quantidade de cerebelo exposto, colocando uma ponta do pinça no ponto mais posterior da fissura longitudinal e colocando a outra ponta do pinça na parte mais posterior do cerebelo.
Nota: O atlas cerebral furão, como encontrado em Biologia e Doenças do Furão14,foi usado para desenvolver as medições cerebrais do furão vivo ex.
13. Pontuação de Lesão Bruta
- Usando as fotografias tiradas na etapa 11.3., aplique os critérios de pontuação nos passos 13.2-13.4 para avaliar a lesão cerebral bruta (escala 0-9), permanecendo cego à exposição (ou tratamento) grupos.
- Avalie a fissura longitudinal. Se parecer normal, atribua uma pontuação de 0. Se for ligeiramente alargado (aproximadamente 2x largura normal), mas o aumento da largura está incompleto ao longo do comprimento da fissura, atribuir uma pontuação de 1. Se for moderadamente alargado (aproximadamente 2-3x normal), atribuir uma pontuação de 2. Se for significativamente alargado, com uma diferença visível >3x largura normal ao longo da maior parte do comprimento da fissura, aplique uma pontuação de 3.
- Avalie os sulci laterais. Se eles mostram definição normal, com a separação dos gyri laterais e gyri suprasylvian, atribuir uma pontuação de 0. Se a definição unilateral ou bilateral suave reduzida de sulco é vista, particularmente na porção caudal, com estreitamento mínimo de lobos frontais e temporais em relação aos lobos occipitais, atribuir uma pontuação de 1.
- Se a definição moderadamente reduzida dos sulci é vista, com a depressão do gyri suprasylvian, estreitamento dos gyri coronais e ectosylvian, e estreitamento leve de lobos frontais e temporais em relação aos lobos occipitais, atribuir uma pontuação de 2. Se a degeneração cística unilateral é vista, com mudança mínima do hemisfério contralateral, atribuir uma pontuação de 3. Se a má definição dos sulci laterais estiver presente, com degeneração cística ou severa bilateral dos lobos occipitais e temporais, atribua uma pontuação de 4.
- Avalie a parte visível do cerebelo. Se parecer normal, com (<75% dos vermeis e <66% dos hemisférios visíveis, atribuir uma pontuação de 0. Se 75-90% dos vermeis e ≥66% dos hemisférios são visíveis, atribuir uma pontuação de 1. Se a maior parte do cerebelo é visível, mostrando todos os vermes e ≥66% dos hemisférios, atribua uma pontuação de 2.
14. Análise de dados
- Para dados de testes de reflexo, atribuir falhas uma pontuação de 61 s para permitir que eles sejam comparados aos sucessos no final dos tempos (60 s), mas com uma pior classificação na análise estatística. Calcule uma área a curva para cada animal ao longo do tempo em cada um dos testes reflexo.
- Ajuste os dados da passarela que envolvem o tamanho da pata de pressão pelo peso do animal.
- Analise dados usando métodos estatísticos não paramétricos, descrevendo dados usando a faixa mediana e interquartilada (IQR).
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Representative Results
Dos 34 (n = 18 machos, n = 16 fêmeas) animais de seis ninhadas expostas ao insulto, oito animais (24%; n = 4 machos, n = 4 fêmeas) no grupo lesionado morreram durante o segundo período de hipóxia (n = 5), durante o manejo da temperatura (n = 2), ou durante a noite após o insulto (n = 1). No grupo ferido, nove dos 26 sobreviventes (35%) teve ferimento bruto visível. Cinco animais (n = 5 machos) tiveram lesão moderada, e quatro animais (n = 2 machos, n = 2 fêmeas) tiveram lesão grave, definida como escores de patologia bruta de 2-5 e 6-9, respectivamente (Figura 2A). Os animais expostos ao insulto têm, portanto, um risco de 50% de morte ou lesão bruta significativa. Com o aumento da lesão, o estreitamento de gyri nos lobos temporais e/ou occipital é visto, com encurtamento sulcal associado, ampliação da fissura longitudinal e grandes áreas de áreas de perda de tecido cístico nos animais mais gravemente feridos(Figura 2B). Em animais feridos sobreviventes (n = 26; n = 14 machos, n = 12 fêmeas), é observada uma exposição significativamente maior do cerebelo(Figura 3A),bem como o encurtamento da fissura longitudinal (Figura 3D). Há também um estreitamento significativo do ectosylvian gyri coronal e anterior (Figura 3B,E),bem como o encurtamento do sulci lateral e suprasylvian ( Figura3C,F). O peso médio (IQR) no cérebro foi de 8,1 g (7,9-9,7g, n = 6) em animais controle e 7,0 g (6,5-7,7 g) em animais feridos (n = 26, p = 0,005). Em animais de controle, o comprimento médio (IQR) do cérebro foi de 28,9 mm (27,8-29,6 mm, n = 6) em comparação com 27,5 mm (25,5-38,0 mm, n = 26) em animais feridos (p = 0,007). Padrões semelhantes são vistos em todo o cérebro, com largura mediana e altura 5-7% menor em animais feridos. Estruturas anatômicas do lado esquerdo e direito são afetadas de forma semelhante, sem diferença entre os hemisférios. Veja a Figura 1B para representações dos locais anatômicos. Durante o período de teste reflexo (P21-P39), animais feridos exibem tempo mais lento para girar na tarefa de geotáxis negativos (Figura 4A),tempo mais lento para girar para longe da borda na tarefa de aversão ao penhasco (Figura 4B), e tempo mais lento para a direita (Figura 4C). Na passarela, os animais feridos têm uma velocidade média semelhante aos controles(Figura 5A),mas apresentam um grau significativamente maior de variação de velocidade durante cada corrida(Figura 5B). A distância ajustada ao peso entre as patas dianteiras e as patas traseiras (posição de impressão) é significativamente maior em animais feridos (Figura 5C), com menos pressão exercida por unidade de área da pata através das patas dianteiras (Figura 5D). No campo aberto, os animais feridos cobrem menos distância total(Figura 6A),e param com mais frequência(Figura 6B). Eles passam significativamente mais tempo no centro do campo, e menos tempo nos cantos (Figura 6C,D). Mapas de calor representativos de controle e animais feridos são mostrados na Figura 7A,B.
Figura 1:Linha do tempo. Em P17, os animais são administrados 3 mg/kg LPS antes de serem submetidos a ligadura arterial carótida bilateral e 30 min cada (não incluindo o tempo para a câmara se equilibrar) de hipóxia (9% de oxigênio), hiperoxia (80% oxigênio) e hipóxia (9%). A ligadura da artéria carótida direita é então revertida. Os animais são expostos a 6 h de normotermia para garantir que eles não se tornem espontaneamente hipotérmicos no ninho no período após a lesão. O teste reflexo é então realizado diariamente de P21-P28, e três vezes por semana de P28-P42. Em P42, os animais são testados na passarela e campo aberto antes do sacrifício. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 2:Distribuição representativa delesões e representação. (A)Lesão bruta marcando de 26 sobreviventes (n = 14 homens, n = 12 mulheres) no grupo lesionado, em comparação com seis controles de companheiro de lixo. Cinco animais (n = 5 machos) tiveram ferimento moderado, e quatro animais (n = 2 machos, n = 2 fêmeas) tiveram ferimento severo, definido como contagens brutas da patologia de 2-5 e de 6-9, respectivamente. O gráfico mostra a mediana com alcance interquartile. (B) Controle do cérebro (painel esquerdo, pontuação 0), com cérebros representando crescentes escores de lesões brutas de 2, 5 e 8 de uma pontuação total possível de 9, da esquerda para a direita. O cérebro de controle mostra estruturas anatômicas particularmente suscetíveis a lesões; 1 = fissura longitudinal, 2 = sulco lateral, 3 = sulco suprasylvian, a = giro coronal, b = giro ectosylvian anterior. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 3:Medidas cerebrais representativas. Em comparação com os controles (n = 6), animais feridos (n = 26) apresentam aumento significativo da exposição do cerebelo (A),encurtamento da fissura longitudinal (D),estreitamento do coronal (B) e ectosylvian anterior (E) gyri, e encurtamento do lateral (C) e suprasylvian (F) sulci. Os gráficos mostram a mediana com alcance interquartile. *denota p < 0,05 (Wilcoxon-Mann-Whitney U-teste). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 4:Desenvolvimento reflexo representativo. Em comparação com os controles (n = 6), animais feridos (n = 26) apresentam desenvolvimento mais lento (área a curva, AUC) de geotáxis negativos (A),aversão ao penhasco (B), e reflexo de endireitamento (C). Os gráficos mostram a mediana com alcance interquartile. *denota p < 0,05 (Wilcoxon-Mann-Whitney U-teste). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 5:Resultados representativos da passarela. Comparado aos controles (n = 6), animais feridos (n = 26) caminham em um ritmo médio semelhante (A),mas com maior variabilidade na velocidade durante a caminhada (B). Animais feridos também apresentam uma posição de impressão média mais longa (C),com menos pressão aplicada por unidade (D). Os gráficos mostram a mediana com alcance interquartile. * denota p < 0,05 (Wilcoxon-Mann-Whitney U-teste). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 6:Comportamento representativo de campo aberto. Em comparação com os controles (n = 6), os animais feridos (n = 26) cobrem uma distância total menor (A),bem como parando com mais freqüência (B). Animais feridos também passam mais tempo no centro(C)do que nos cantos (D). Os gráficos mostram a mediana com alcance interquartile. *denota p < 0,05 (Wilcoxon-Mann-Whitney U-teste). Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 7:Mapas representativos de calor decampo aberto. (A)controlam a fêmea(B)feminino ferido. Os animais feridos cobrem uma distância significativamente menor dentro do campo aberto. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Discussion
Devido às semelhanças físicas e de desenvolvimento compartilhadas entre o cérebro furão e o cérebro humano, o furão está sendo cada vez mais usado para modelar lesões cerebrais adultas e de desenvolvimento. 8,9,10,11,12. No entanto, a pesquisa até o momento sugere que o cérebro furão é resistente à lesão inicial, bem como altamente plástico, com déficits comportamentais diminuindo ao longo do tempo, mesmo no cenário de lesão patológica visível10,12. Aqui, descrevemos o primeiro modelo de lesão cerebral hipóxico-isquêmica (Hi) sensibilizada pela inflamação no furão equivalente prematuro tardio, o que resulta em lesões bilaterais significativas e déficits comportamentais sustentados em sobreviventes. Como com todo o modelo pré-clínico, o objetivo não era reproduzir exatamente as exposições encontradas por infantes prematuros clìnica, mas fornecer uma confluência dos fatores mecanicistas pensados para ser envolvidos em ferimento de cérebro prematuro. Estes incluem inflamação, hipóxia e estresse oxidativo7.
Um aspecto crítico da administração LPS em nossos modelos de furão é uma única dose alta dada em torno de 4 h antes da hipóxia. A exposição ao LPS em roedores equivalentes de curto prazo resulta em um pico de citocina inflamatória circulante em torno de 4 h após a exposição, o que corresponde à sensibilização do cérebro à hipóxia-isquemia, e um aumento significativo da lesão cerebral15,16,17. Um curso de tempo semelhante de liberação inflamatória de citocina (pico TNF-α e IL-6 liberação 2-4 h após a exposição lps) é visto em células mononucleares periféricas isoladas ferret sangue18. Assumindo uma única configuração cirúrgica, administrar LPS 30-60 min antes do início da cirurgia permite tempo adequado para realizar 12-15 ligações de artériacartidas bilaterais e iniciar a primeira exposição à hipóxia 4 h após a administração do LPS. Durante o desenvolvimento do modelo, uma dose de LPS de 5 mg/kg foi inicialmente utilizada, conforme descrito em nosso modelo de lesão P1012. No entanto, essa dose de SLP foi associada à mortalidade intrahipóxica significativa e edema pulmonar sobre necropsia. Tanto a mortalidade quanto o edema pulmonar foram reduzidos diminuindo a dose de SLP para 3 mg/kg.
Durante a exposição à hipóxia, uma série de fatores parecem ser fundamentais para garantir lesões brutas significativas, evitando também altos níveis de mortalidade. Devido aos furões do laboratório que estão sendo outbred, há uma variabilidade inerente na tolerância da hipóxia através das macrões. Na nossa experiência, animais que promovem cruzadas ou a combinação de animais de diferentes ninhadas na mesma câmara de hipóxia resultam predominantemente na morte anterior de animais ou animais maiores do lixo mais suscetível. Se animais mais suscetíveis morrerem antes que o alvo 30 min hipóxia exposição e hipóxia é interrompido precocemente, animais menores de ninhadas menos suscetíveis receberão exposição hipóxia suboptimal, e é improvável que sofram lesões significativas. Como resultado, cada ninhada de animais deve ser exposta à hipóxia dentro de sua própria câmara separada. O segundo período da hipóxia foi adicionado como parte de um processo de desenvolvimento do modelo iterativo que nós descrevimos previamente12. Um único período da hipóxia conduziu à morte ou à sobrevivência sem ferimento significativo, não obstante o comprimento.
Como furões são capazes de tolerar longos períodos de hipóxia aguda ou ligadura arterial carótida bilateral sem mostrar lesão cerebral significativa, nossa hipótese atual é que o período de hiperoxia resulta em metabolismo elevado e vasodilatação que facilita isquemia cerebral durante o segundo período de hipóxia. Para minimizar a variabilidade no modelo, usamos ninhadas pré-ordenadas equilibradas por sexo de 8 furões que chegaram às nossas instalações no P15. Em cada ninhada, 6-7 animais foram submetidos a cirurgia seguido de hipóxia dentro de uma única câmara.
Após a hipóxia e reversão da ligadura da artéria carótida direita, os animais devem ser devolvidos aos seus jills por um período de tempo para se alimentar devido ao risco de desidratação e hipoglicemia do protocolo de lesão prolongada. Se a mortalidade significativa é experimentada durante o período de manejo da temperatura, os animais podem precisar de ressuscitação de líquido adicional (soro fisiológico subcutânea e/ou alimentação manual com fórmula e água) antes de serem colocados nos banhos de água por 6 h. O período de manejo da temperatura é, no entanto, um determinante crítico da lesão a longo prazo, já que os animais podem experimentar neuroproteção contra hipotermia relativa no ninho. Este risco de hipotermia é pelo menos em parte devido à baixa temperatura das condições de habitação necessárias para o furão (60-70 °F).
Os testes comportamentais descritos foram amplamente desenvolvidos dentro do laboratório, com alguma base em testes reflexos previamente descritos no furão em desenvolvimento19,com testes de passarela e campo aberto adaptados de roedores adultos para serem usados em furões juvenis. Outros grupos também descreveram campo aberto, labirinto e testes de marcha em furões adultos após lesão cerebral traumática10,bem como o efeito da inflamação no útero na interação social em furões adultos20. Embora um longo período de jejum não seja recomendado em furões devido ao seu curto tempo de trânsito intestinal, colocando-os em um porta-aviões por 30-60 min antes que qualquer um dos testes seja benéfico para permitir que eles passem urina e fezes antes dos testes. Como o furão é por natureza um animal curioso, muitas vezes se comporta de forma oposta aos roedores nesses testes comportamentais. Isso é particularmente evidente na passarela, onde luzes e sons, particularmente gravações de outro ferret vocalizing ("dooking"), pode ser usado para motivar o furão para andar para a frente.
O protocolo atual tem algumas limitações. Como foi desenvolvido iterativamente usando métodos previamente desenvolvidos no furão P1012, não sabemos atualmente as contribuições relativas de LPS, hipóxia, hiperoxia e reperfusão para o grau final de lesão visto. No entanto, vale a pena notar que o desenvolvimento do método descrito aqui incluiu o uso do modelo Vannucci original (ligadura arterial carótida unilateral seguida por um único período de hipóxia) no furão21, que não resultou em qualquer lesão significativa. Portanto, é provável que as interações entre as múltiplas partes do protocolo de lesão sejam necessárias para lesões sustentadas. Apesar disso, ainda há uma variabilidade distinta na lesão bruta em animais sobreviventes, o que é outra limitação potencial. Embora os animais sem ferimento bruto significativo possam ter o ferimento que é detectável usando MRI ou histopathology12,o trabalho futuro no modelo incluirá iterações para tentar e aumentar o número de animais que sustentam ferimento significativo, por exemplo usando a ligadura de artéria carótida bilateral permanente. Finalmente, para que este modelo seja maximamente útil para testar terapias neuroprotetoras putativas para lesão cerebral no desenvolvimento, ele deve ser validado avaliando a eficácia de agentes neuroprotetores que são estabelecidos para o tratamento de lesão cerebral hi em neonatos humanos, ou foram bem sucedidos em uma variedade de outros modelos animais de lesão cerebral neonatal. Estudos futuros, portanto, avaliarão a eficácia da hipotermia terapêutica e eritropoietina neste modelo, incluindo respostas terapêuticas baseadas em sexo e ressonância magnética ex vivo12.
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Disclosures
Os autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
O desenvolvimento do modelo foi financiado pela Fundação Bill e Melinda Gates, bem como pela concessão do NIH 5R21NS093154-02 (NICHD).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 80% Oxygen | Praxair | ||
| 9% Oxygen | Praxair | ||
| Absorbent benchtop protector | Kimtech | 7546 | |
| Automated catwalk | Noldus | ||
| Betadine surgical scrub | |||
| Bupivacaine | Patterson Veterinary | 07-888-9382 | |
| Buprenorphine | |||
| Calipers | SRA Measurement Products | ME-CAL-FP-200 | 200 mm range, 0.01 mm resolution |
| Cotton Gauze Sponge | Fisher Scientific | 22028556 | |
| Curved fine hemostat | Roboz | RS-7101 | |
| Curved forceps | World Precision Instruments | 501215 | |
| Curved suture-tying hemostat | Roboz | RS-7111 | |
| Ethovision tracking software | Noldus | ||
| Eye Lubricant | Rugby | NDC 0536-1970-72 | |
| Ferrets (Mustela putorius furo) | Marshall Biosciences | Outbred (no specific strain) | |
| Formalin | Fisher Scientific | SF100-4 | 10% (Phosphate Buffer/Certified) |
| Hair Clippers | Conair | GMT175N | |
| Insulin Syringes | BD | 329461 | 0.3 cc 3 mm 31 G |
| Isoflurane | Piramal | 66794-017-25 | |
| Lidocaine | Patterson Veterinary | 07-808-8202 | |
| LPS | List Biological | LPS Ultrapure #423 | |
| Oxygen sensor | BW Gas Alert | GAXT-X-DL-2 | |
| Pentobarbital | |||
| Plastic chamber | Tellfresh | 1960 | 10 L; 373 x 270 x 135 mm3 |
| Saline Solution, 0.9% | Hospira | RL-4492 | |
| Scalpel blade | Integra Miltex | 297 | |
| Scalpel handle | World Precision Instruments | 500236 | #3, 13 cm |
| Sterile suture | Fine Science Tools | 18020-50 | Braided Silk, 5/0 |
| Surgical clip applicator | Fine Science Tools | 12020-09 | |
| Surgical clip remover | Fine Science Tools | 12023-00 | |
| Surgical drapes | Medline Unidrape | VET3000 | |
| Surgical gloves | Ansell Perry Inc | 5785004 | |
| Surigical clips | Fine Science Tools | 12022-09 | |
| Thermometer (rectal) | YSI | Precision 4000A | |
| Thermometer (water) | Fisher Scientific | 14-648-26 | |
| Umbilical tape | Grafco | 3031 | Sterile |
| Water bath | Thermo Scientific | TSCOL19 | 19 L |
References
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