Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

نموذج موجة الانفجار منخفضة الكثافة للتقييم قبل السريري لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة المغلقة الرأس في القوارض

Published: November 6, 2020 doi: 10.3791/61244
Automatic Translation
*1,2, *3, *4, 5, 5, 4, 6, *5, *7
1Geriatrics Research Education and Clinical Center, Veterans Affairs, 2Division of Gerontology and Geriatric Medicine, University of Washington, 3Department of Neurosurgery, University of Florida, 4Department of Neurosurgery, West Virginia University, 5Division of Pharmaceutical Sciences, University of Cincinnati, 6Central Illinois Neuro Health Sciences, Bloomington, IL, 7Neuro-research, Dallas, TX
* These authors contributed equally

Summary

نقدم هنا بروتوكولا لنموذج موجة الانفجار للقوارض للتحقيق في الآثار العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة إلى المتوسطة. لقد أنشأنا إعدادا يعمل بالغاز وعلى مقاعد البدلاء مزودا بأجهزة استشعار الضغط مما يسمح بتوليد موثوق به وقابل للتكرار من إصابات الدماغ الرضحية الخفيفة إلى المتوسطة الناجمة عن الانفجار.

Abstract

إصابات الدماغ الرضحية (TBI) هي مشكلة صحية عامة واسعة النطاق. TBI الخفيف هو الشكل الأكثر انتشارا من الصدمات العصبية ويمثل عددا كبيرا من الزيارات الطبية في الولايات المتحدة. لا توجد حاليا علاجات معتمدة من إدارة الأغذية والعقاقير (FDA) متاحة ل TBI. ويزيد تزايد حالات الإصابة بالسل الناجم عن الانفجار المرتبط بالجيش من حدة الحاجة الملحة إلى علاجات فعالة للإصابة بالسل. لذلك ، فإن النماذج الحيوانية الجديدة قبل السريرية TBI التي تلخص جوانب TBI المرتبطة بالانفجار البشري ستعزز بشكل كبير الجهود البحثية في العمليات العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية الكامنة وراء TBI الخفيف إلى المعتدل بالإضافة إلى تطوير استراتيجيات علاجية جديدة ل TBI.

نقدم هنا نموذجا موثوقا به وقابلا للتكرار للتحقيق في الآثار الجزيئية والخلوية والسلوكية ل TBI الخفيف إلى المعتدل الناجم عن الانفجار. نحن نصف بروتوكولا خطوة بخطوة ل TBI الخفيف المغلق الرأس الناجم عن الانفجار في القوارض باستخدام إعداد على مقاعد البدلاء يتكون من أنبوب صدمة يعمل بالغاز مزود بأجهزة استشعار الضغط الكهرضغطية لضمان ظروف اختبار متسقة. تتمثل فوائد الإعداد الذي أنشأناه في التكلفة المنخفضة نسبيا وسهولة التركيب وسهولة الاستخدام وسعة الإنتاجية العالية. تشمل المزايا الإضافية لنموذج TBI غير الغازي هذا قابلية التوسع في ذروة الضغط الزائد للانفجار وتوليد نتائج قابلة للتكرار خاضعة للرقابة. وقد تم تقييم قابلية تكرار نموذج TBI هذا وأهميته في عدد من التطبيقات النهائية، بما في ذلك التحليلات العصبية البيولوجية والعصبية المرضية والفسيولوجية العصبية والسلوكية، مما يدعم استخدام هذا النموذج لتوصيف العمليات الكامنة وراء مسببات TBI الخفيف إلى المتوسط.

Introduction

تمثل إصابات الدماغ الرضحية (TBI) أكثر من مليوني زيارة للمستشفيات كل عام في الولايات المتحدة وحدها. يمثل مرض السل الخفيف الناتج عادة عن حوادث السيارات أو الأحداث الرياضية أو السقوط حوالي 80٪ من جميع حالات الإصابة بالسل1. يعتبر TBI الخفيف "المرض الصامت" لأن المرضى غالبا ما لا يعانون من أي أعراض علنية في الأيام والأشهر التالية للإهانة الأولية ، ولكن يمكن أن يصابوا بمضاعفات خطيرة مرتبطة ب TBI في وقت لاحق من الحياة2. علاوة على ذلك ، ينتشر TBI الخفيف الناجم عن الانفجار بين أعضاء الخدمة العسكرية ، وقد ارتبط بخلل الجهاز العصبي المركزي المزمن3،4،5،6. نظرا لارتفاع معدل الإصابة بالسل الخفيف المرتبط بالانفجار TBI7,8 ، أصبحت النمذجة قبل السريرية للعمليات العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية المرتبطة ب TBI الخفيف محورا في تطوير تدخلات علاجية جديدة ل TBI.

تاريخيا، ركزت أبحاث السل في المقام الأول على الأشكال الحادة من الصدمات العصبية، على الرغم من العدد المنخفض نسبيا من حالات السل البشرية الشديدة. تم تطوير نماذج القوارض قبل السريرية ل TBI البشري الحاد ، بما في ذلك التأثير القشري الخاضع للرقابة (CCI) 9,10 وإصابات قرع السوائل (FPI)11 ، وكلاهما راسخ لإنتاج تأثيرات فسيولوجية مرضية موثوقة 12,13. وقد وضعت هذه النماذج الأساس لما هو معروف اليوم عن التهاب الأعصاب والتنكس العصبي وإصلاح الخلايا العصبية في TBI. على الرغم من تطوير معرفة كبيرة بالفيزيولوجيا المرضية ل TBI ، إلا أنه لا توجد حاليا علاجات فعالة معتمدة من إدارة الأغذية والعقاقير متاحة ل TBI.

وفي الآونة الأخيرة، تم توسيع نطاق تركيز بحوث السل لتشمل طائفة أوسع من الأمراض المرتبطة بالسل بهدف نهائي هو تطوير تدخلات علاجية فعالة. ومع ذلك ، فقد تم إنشاء عدد قليل من النماذج قبل السريرية ل TBI الخفيف التي أظهرت تأثيرات قابلة للقياس ، ولم يحقق سوى عدد قليل من الدراسات في طيف TBI الخفيف 2,14,15. وبما أن السل الخفيف يمثل الغالبية العظمى من جميع حالات السل، هناك حاجة ماسة إلى نماذج موثوقة من السل الخفيف لتسهيل البحث في المسببات والفيزيولوجيا العصبية للحالة البشرية، من أجل تطوير استراتيجيات علاجية جديدة.

بالتعاون مع مهندسي الطب الحيوي وعلماء فيزياء الفضاء الجوي ، أنشأنا نموذجا قابلا للتطوير لموجة الانفجار المغلقة الرأس ل TBI الخفيف إلى المتوسط. تم تطوير نموذج القوارض قبل السريرية هذا خصيصا للتحقيق في آثار ديناميكيات القوة ، بما في ذلك موجات الانفجار وحركة التسارع / التباطؤ ، والتي ترتبط ب TBI البشري الخفيف الذي تم الحصول عليه في القتال العسكري والأحداث الرياضية وحوادث السيارات والسقوط. نظرا لأن الموجات الانفجارية ترتبط بديناميكيات القوة التي تسبب TBI الخفيف لدى البشر ، فقد تم تصميم هذا النموذج لإنتاج شكل موجة فريدلاندر ثابت مع دفعة ، والتي يتم قياسها على أنها رطل لكل بوصة مربعة (psi) * مللي ثانية (مللي ثانية). يتم تحجيم مستوى الدافع ليقل عن منحنيات فتك الرئة المحددة للفئران والجرذان من أجل إجراء التحقيقات قبل السريرية 16،17،18. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح هذا النموذج بالتحقيق في إصابة الانقلاب و contrecoup بسبب قوى الدوران السريعة لرأس الحيوان. هذا النوع من الإصابات متأصل في عدة أنواع من عروض TBI السريرية ، بما في ذلك تلك التي لوحظت في كل من السكان العسكريين والمدنيين. لذلك ، يناسب هذا النموذج متعدد الاستخدامات حاجة تشمل عروضا سريرية متعددة ل TBI.

ينتج النموذج قبل السريري المعروض هنا تغيرات فسيولوجية مرضية موثوقة وقابلة للتكرار مرتبطة ب TBI الخفيف السريري كما هو موضح في عدد من الدراسات السابقة17،19،20،21،22،23. أظهرت الدراسات التي أجريت على هذا النموذج أن الفئران التي تعرضت لموجة انفجار منخفضة الكثافة أظهرت التهابا عصبيا وإصابة محورية وتلف الأوعية الدموية الدقيقة والتغيرات الكيميائية الحيوية المتعلقة بإصابة الخلايا العصبية والعجز في اللدونة قصيرة الأجل والاستثارة المتشابكة19. ومع ذلك، لم يحفز نموذج TBI الخفيف هذا أي تغيرات عصبية مرضية عيانية، بما في ذلك تلف الأنسجة والنزيف والورم الدموي والكدمات19 التي لوحظت بشكل شائع في الدراسات التي استخدمت نماذج TBI الغازية المعتدلة إلى الشديدة10,24. أظهرت الأبحاث السابقة19,21,22,23 أن هذا النموذج قبل السريري يمكن استخدامه لتوصيف العمليات العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية الكامنة وراء مسببات TBI17,19,20,21,22,23 الخفيفة والمعتدلة. ويسمح هذا النموذج أيضا باختبار مركبات واستراتيجيات علاجية جديدة، فضلا عن تحديد أهداف جديدة ومناسبة لتطوير تدخلات فعالة في مجال TBI19،21،22،23.

تم تطوير هذا النموذج للتحقيق في الآثار الناجمة عن موجات الانفجار وكذلك قوى الدوران السريع على النتائج الجزيئية والخلوية والسلوكية في القوارض. على غرار نموذج موجة الانفجار المعروض هنا ، تم تطوير عدد من النماذج قبل السريرية التي تحاول تلخيص TBI الخفيف إلى المعتدل باستخدام موجات الضغط الزائد التي يحركها الغاز2،14،17،25،26،27،28. وتشمل بعض القيود المفروضة على النماذج الأخرى ما يلي: يتم تثبيت الحيوان على شبكة سلكية ويتم تجميد الرأس عند الاصطدام. تتعرض الأعضاء الطرفية للموجة بالإضافة إلى الدماغ ، مما يخلق المتغيرات المربكة للصدمات المتعددة ؛ والنماذج كبيرة وثابتة ، مما يحد من تغيير وتكييف المعلمات الحرجة لظروف نموذج أفضل تذكرنا ب TBI البشري.

تتمثل فوائد إعداد أنبوب الصدمة الذي يعمل بالغاز على الطاولة في التكلفة المنخفضة نسبيا لنفقات الاستحواذ والتشغيل ، بالإضافة إلى سهولة التركيب والاستخدام. علاوة على ذلك ، يسمح الإعداد بتشغيل عالي الإنتاجية وتوليد موجات انفجار قابلة للتكرار يتم التحكم فيها ونتائج في الجسم الحي في كل من الفئران والجرذان. من أجل التحكم في ظروف الاختبار المتسقة (أي موجة الانفجار المستمرة والضغط الزائد) ، تم تجهيز الإعداد بأجهزة استشعار الضغط. تشمل مزايا هذا النموذج ل TBI قابلية التوسع في شدة الإصابة وأن TBI الخفيف يتم تحفيزه باستخدام إجراء غير جراحي مغلق الرأس. تزداد ذروة الضغط الزائد وإصابات الدماغ اللاحقة مع أغشية البوليستر السميكة بطريقة متسقة قابلة للتطوير17. تعد القدرة على قياس شدة TBI من خلال سمك الغشاء أداة مفيدة لتحديد المستوى ، حيث تصبح مقاييس النتائج المحددة (على سبيل المثال ، التهاب الأعصاب) واضحة. كما يسمح توفير التدريع الواقي للأعضاء الطرفية بإجراء تحقيق مركز في آليات TBI الخفيفة عن طريق تجنب أو تقليل المتغيرات المربكة للإصابة الجهازية ، مثل إصابة الرئة أو الصدر. علاوة على ذلك ، يسمح هذا الإعداد بتحديد الاتجاه ، الذي تضرب به موجة الانفجار / تخترق الرأس (أي وجها لوجه أو جانبيا أو أعلى أو تحت) وبالتالي يمكن التحقيق في أنواع مختلفة من الإهانات التي تسبب TBI. يستخدم الإجراء القياسي للحث على TBI الخفيف إلى المعتدل الموصوف هنا التعرض الجانبي لتقييم آثار إصابة موجة الانفجار بالاقتران مع إصابة الانقلاب و contrecoup بسبب قوى الدوران السريعة. علاوة على ذلك ، من أجل التحقيق حصريا في الإصابات الناجمة عن الانفجار ، يمكن استخدام التعرض لموجة الانفجار من أعلى إلى أسفل في هذا النموذج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

يتبع البروتوكول المبادئ التوجيهية لرعاية الحيوانات في جامعة سينسيناتي وجامعة فرجينيا الغربية. تمت الموافقة على جميع الإجراءات المتعلقة بالحيوانات من قبل اللجان المؤسسية لرعاية الحيوانات واستخدامها (IACUC) ، وتم تنفيذها وفقا لمبادئ دليل رعاية واستخدام المختبر.

1. تركيب إعداد TBI الانفجار

  1. احصل على جميع أجزاء العمل المطلوبة للإعداد ، بما في ذلك: أنبوب الصدمة الذي يتكون من قسم يعمل بالفولاذ والسائق ، وغشاء البوليستر ، ومسامير التأمين ، وأجهزة استشعار الضغط ، ودرع أنابيب البولي فينيل كلوريد (PVC) لحماية الأعضاء الطرفية ، وخط هيدروليكي عالي الضغط 9.53 مم وملحقات سريعة التوصيل بين الذكور والإناث ، ومنظم غاز عالي التدفق واسطوانة غاز مع قوس مثبت على الحائط (انظر الشكل 1A ، ب وجدول المواد).
    ملاحظة: تم وضع مواصفات قسم الدفع والسائق المستخدم هنا (انظر الشكل 2 وجدول المواد) لإنتاج موجة انفجار متدرجة قصيرة المدة متسقة (انظر الشكل 3C و D) للحث على TBI الخفيف إلى المعتدل في الفئران. لهذا الغرض ، تم اختيار قسم برنامج تشغيل قصير مصمم بشكل مستدق (6 درجات مستدق). يمكن تعديل طول وقطر الأقسام المدفوعة والسائقة للبحث على وجه التحديد في موجة الانفجار 29،30،31،32 أو موجة الضغط 18 أو ديناميكيات موجة الصدمة33. بالنسبة للتجارب التي أجريت على الفئران، يجب تكييف أبعاد أنبوب الصدمة لإنتاج قوى قابلة للمقارنة وفقا لمعايير قياس الجسم ذات الصلة17 (انظر جدول المواد).
  2. قم بتثبيت أجزاء العمل الفردية من الإعداد على طاولات شرائح الماكينة المثبتة على سطح مستقر وسهل التنظيف (يفضل الفولاذ المقاوم للصدأ للاستخدام في القوارض) في مساحة المختبر المعتمدة للتجارب على الحيوانات.
    ملاحظة: تنتج تجارب موجة الانفجار مستوى كبيرا من الضوضاء. لذلك اختر موقعا داخل مساحة المختبر الممتصة للصوت ، حيث لن تتداخل الضوضاء مع التجارب / المجموعات المختبرية الأخرى.
    1. قم بإصلاح درع الأنابيب البلاستيكية عموديا على إعداد أنبوب الصدمة بحيث يتم تغطية جسم القوارض بالكامل ويبرز الرأس فقط.
      ملاحظة: بالنسبة للإجراء القياسي للحث على TBI الخفيف إلى المعتدل الموضح هنا ، يقع مركز الرأس على بعد 5 سم من نهاية القسم المدفوع للفئران.
    2. أسطوانة غاز مثبتة على الحائط على مقربة من الإعداد وفقا ل OSHA وجميع لوائح السلامة الأخرى ذات الصلة.
      ملاحظة: يشيع استخدام الهواء المضغوط أو غاز الهيليوم أو النيتروجين لتوليد موجات الانفجار في نماذج أنابيب صدمة القوارض. تم توليد جميع البيانات المعروضة هنا باستخدام الهيليوم، حيث ينتج هذا الغاز ضغطا زائدا أعلى على مدى فترة أقصر34، مما يسمح بالتوسع المناسب لموضوعات الفئران.

2. تقييم خصائص الإعداد وموجة الانفجار باستخدام تسجيلات مستشعر الضغط.

  1. تحضير أنبوب الصدمة.
    1. قطع بعناية غشاء البوليستر دون الانحناء وإنتاج الشقوق ، من أجل ضمان تمزق ثابت.
    2. أدخل الغشاء بين القسمين المدفوع والسائق. قم بتأمين الأقسام عن طريق تشديد مسامير التوصيل.
    3. تحقق من أن النظام محكم الإغلاق وأن الغشاء مثبت بإحكام بين أقسام السائق والمقود.
    4. قم بتوصيل خزان الغاز عبر خرطوم هيدروليكي عالي الضغط مقاس 9.53 مم وملحقات توصيل سريعة بأنبوب الصدمة
      ملاحظة: يتم تشكيل أقسام السائق والقيادة وفقا لتفاوتات دقيقة من أجل توفير ختم كامل للغشاء بين الأقسام. وهذا يسمح بعدم تسرب الغاز ويمنع استخدام أي شكل من أشكال المواد الحشية / الحلقة ويسمح بمزيد من الاتساق في الشكل الموجي المتولد.
  2. قم بتركيب مستشعرات الضغط لمراقبة موجات الانفجار (انظر الشكل 1C).
    1. ضع مستشعر ضغط واحد في منطقة وضع الرأس ، وثلاثة أجهزة استشعار عند مخرج أنبوب الصدمة (انظر الشكل 1C و 2).
    2. ابدأ التسجيل من مستشعرات الضغط، قبل تنفيذ موجة الانفجار مباشرة. سجل بيانات موجة الضغط بمعدل 500,000 إطار في الثانية باستخدام مكيف إشارة المستشعر ولوحة الحصول على البيانات (انظر جدول المواد).
      ملاحظة: ارتد واقيات الأذن المعتمدة من OHSA لضمان حماية كافية للسمع.
    3. افتح الصمام الرئيسي لخزان الغاز المضغوط بالكامل للسماح لتدفق الغاز بإنتاج ارتفاع مفاجئ وسريع في الضغط.
      ملاحظة: يؤدي الضغط الزائد للغاز إلى تمزق غشاء البوليستر لإطلاق موجة صدمة تنتقل إلى موجة ضغط داخل القسم المدفوع وتخرج من الأنبوب في اتجاه منطقة وضع الرأس.
    4. قم بإيقاف تشغيل تدفق الغاز مباشرة بعد الإجراء.
      ملاحظة: يمكن تجهيز الإعداد بصمام عودة زنبركي لإيقاف تدفق الغاز تلقائيا وبسرعة.
    5. تحليل تسجيلات موجة الضغط باستخدام برنامج كمبيوتر مكتوب مخصص لتحديد ذروة الضغط الزائد وبيانات الرسم البياني. يمكن رسم البيانات بيانيا مع كل مستشعر بشكل فردي أو تراكبها على بعضها البعض لإثبات استواء الموجة المتولدة (انظر الشكل 3C ، D).
      ملاحظة: يمكن إجراء التحليل تقنيا باستخدام برامج متاحة بسهولة أكبر ، ولكن نظرا لمجموعات البيانات الكبيرة ، فإن هذه البرامج لديها تأخيرات طويلة في إنشاء المؤامرات.
  3. إنشاء ظروف تجريبية كافية لهدف دراسة TBI المعينة ، وتأكيد أن النموذج ينتج موجة انفجار متسقة مع ذروة الضغط الزائد والمدة وقياس الاندفاع مقارنة بموجة فريدلاندر (انظر الشكل 3). تحقق من هذه المعلمات باستخدام برنامج الكمبيوتر المذكور أعلاه.
    1. معايرة الإعداد عن طريق تكرار الخطوات 2.1.1. إلى 2.2.5. واستخدم تسجيلات موجة الضغط لتحديد ما إذا كان الإعداد يحتاج إلى تعديل (للحصول على البيانات التمثيلية انظر الشكل 3).
    2. قم بتعديل الإعداد (إذا لزم الأمر).
      ملاحظة: يمكن ضبط خصائص موجة الانفجار عن طريق تعديلات طفيفة على الإعداد. على سبيل المثال ، تؤثر مسافة الرأس إلى نهاية القسم المدفوع على قوة موجة الانفجار على مستوى الرأس. يحدد سمك غشاء البوليستر مستوى ذروة الضغط الزائد ، حيث تزيد الأغشية السميكة من مستويات الذروة (انظر الشكل 3A ، B). بالإضافة إلى ذلك ، يسمح الإعداد باختيار الاتجاه الذي تضرب به موجة الانفجار / تخترق الرأس (أي وجها لوجه أو جانبيا أو أعلى أو تحت) ، وبالتالي يمكن التحقيق في جوانب مختلفة ، مثل إصابة موجة الانفجار وحدها أو بالاشتراك مع إصابة الانقلاب و contrecoup بسبب قوى الدوران السريع.
    3. كرر الخطوات من 2.1.1 إلى 2.2.4 لتحديد خصائص موجة الانفجار المطلوبة (إذا لزم الأمر) والتحكم في قابلية التكرار.
    4. كرر الخطوات من 2.1.1 إلى 2.2.4 مع أغشية البوليستر ذات السماكة المختلفة لتقييم قابلية الإعداد للتوسع (للحصول على البيانات التمثيلية، انظر الشكل 3A,B).

3. إعداد الإعداد التجريبي وتحريض TBI الخفيف في القوارض

ملاحظة: انقل القوارض إلى منطقة الاحتجاز لمدة 30 دقيقة إلى 1 ساعة قبل بدء تجارب TBI للتأقلم. حدد منطقة الانتظار التي تتأثر بالحد الأدنى من ضوضاء الإجراء.

  1. قم بإعداد جميع المواد المطلوبة للتجربة وتحقق من الإعداد للتثبيت السليم (على سبيل المثال ، ضبط المعلمات وفقا لهدف الدراسة) (~ 5 - 10 دقائق).
    ملاحظة: يمكن تعديل شدة الإصابة عن طريق اختيار سمك غشاء البوليستر. استنادا إلى دراساتنا، يتم استخدام سمك غشاء يتراوح من 25.4 إلى 102 ميكرومتر لعلاج TBI الخفيف إلى المعتدل في الفئران35. لقد استخدمنا سابقا أغشية بسماكة 76.2 إلى 127 ميكرومتر لإنتاج TBI خفيف إلى معتدل في الفئران19.
    1. قم بقطع غشاء البوليستر بعناية ، وأدخله بين أقسام المحرك والسائق وقم بتأمينه عن طريق تشديد مسامير التوصيل.
    2. قم بتوصيل خزان الغاز بأنبوب الصدمة من خلال استخدام تركيبات سريعة التحرير. تأكد من أن الغشاء مثبت بإحكام بين أقسام السائق والمقود.
    3. ضع ثلاثة مستشعرات ضغط عند مخرج أنبوب الصدمة، بفارق 120 درجة، لمراقبة خصائص موجة الانفجار أثناء تحريض TBI كما هو موضح في الخطوتين 2.2.2 و2.2.5.
    4. تأكد من أن المسافة من نهاية جهاز أنبوب الصدمة صحيحة لكل موضوع باستخدام ميكرومتر مثبت. حافظ على ثبات وضع رأس القوارض (أي الموضع والمسافة) ضمن الدراسات للسماح بإجراء تقييم متسق للإصابة.
      ملاحظة: كما هو مذكور في 1-2-1، يمكن إحداث أنواع مختلفة من الإصابات عن طريق اختيار الاتجاه الذي تصطدم فيه موجة الانفجار بالرأس. لكي يؤدي الإجراء إلى تحفيز TBI الخفيف إلى المعتدل الموصوف هنا ، يتم وضع الجسم عموديا على أنبوب الصدمة الذي تؤثر عليه موجة الانفجار على جانب الرأس. في هذا الإعداد ، يسمح للرأس بالتنقل الحر ، وبالتالي يتعرض لموجة الانفجار وقوى الدوران السريع مما يسمح بتوليد تأثيرات الانقلاب والانقلاب.
    5. ابدأ التسجيل من مستشعرات الضغط باستخدام واجهة المستخدم الرسومية (GUI) الخاصة بالبرنامج.
  2. التخدير ووضع القوارض في الإعداد
    1. نقل القوارض من غرفة الانتظار وحث التخدير مع 4 ٪ من الايزوفلوران في الأكسجين والحفاظ على 2 ٪ من الايزوفلوران في الأكسجين للحد من الضيق والألم.
      ملاحظة: تأكد من أن الحيوان لا يستجيب لقرصة إصبع القدم أو الذيل قبل المتابعة. تأكد من أن تحريض التخدير متسق لجميع التجارب، بما في ذلك الضوابط الصورية. يتطلب هذا الإجراء تخديرا منخفض المستوى وقصيرا.
    2. ضع القوارض المخدرة بالكامل في درع الأنابيب البلاستيكية مع توسيد لحماية الأعضاء الطرفية من موجة الانفجار.
      ملاحظة: يتم تخدير أهداف التحكم ووضعها بالقرب من الإعداد، ولكنها لا تخضع مباشرة لموجة الانفجار. تأكد من تعرض عناصر التحكم للضوضاء الناتجة عن أنبوب الصدمة.
    3. ضع رأس القوارض داخل منطقة وضع الرأس وادعمه من الأسفل ، إما عن طريق دعم مدمج مباشرة في جهاز التدريع أو وسادة شاش. حدد محاذاة الرأس وفقا لتشريح كل قوارض فردية ، مع محاذاة اللقمة القذالية مع حافة التدريع الواقي.
      ملاحظة: تجنب توجيه موجة الضغط مباشرة نحو جذع الدماغ لتقليل معدل الوفيات. من المعروف أن إصابة مركز الجهاز التنفسي لجذع الدماغ والحبل الشوكي العنقي تساهم في تشوهات التنفس وحتى الموت في نماذج القوارض من TBI36,37,38.
  3. تعرض القوارض لموجة الانفجار.
    1. افتح بسرعة الصمام الرئيسي لخزان الغاز المضغوط لإنتاج ارتفاع ضغط يمزق الغشاء وينتج انفجارا مدويا يؤكد توليد موجة ضغط. سيتم تمزيق الغشاء بصريا عند إزالته بعد التجربة.
      ملاحظة: يمكن استخدام كاميرا عالية السرعة لالتقاط آثار الانقلاب و contrecoup للتسارع الدوراني الذي يعاني منه القوارض لمزيد من التحليل.
    2. أوقف تدفق الغاز فور سماع الانفجار.
  4. التعافي من التعرض لموجة الانفجار
    1. بعد التعرض لموجة الانفجار ، قم بإزالة القوارض من الجهاز ووضعها على سطح مستو مجاور مباشرة لأنبوب الصدمة على جانبها.
    2. راقب الأشخاص لتحديد وقت انعكاس التصحيح (RRT). استخدم ساعة توقيت لتسجيل الوقت من التعرض لموجة الانفجار حتى يستعيدوا منعكس الحق المتأصل. (انظر الشكل 4 ألف).
    3. بمجرد أن يستعيد الأشخاص رد فعلهم الصحيح ، ضعهم في قفص منزلهم حيث تتم مراقبتهم بحثا عن ردود الفعل السلبية (أي النوبات ، وصعوبة التنفس ، والنزيف من فتحة جسدية) لمدة 24 ساعة القادمة.
    4. بعد فترة المراقبة الأولية ، يمكن تحليل الموضوعات باستخدام العديد من الفحوصات الكيميائية الحيوية والعصبية المرضية والفسيولوجية العصبية والسلوكية التي يختارها الباحث (انظر أدناه).
  5. قم بإعداد الإعداد والمساحة للتجربة التالية.
    1. نظف الإعداد باستخدام المنظفات لإزالة الرائحة.

4. تطبيقات المصب للقوارض المعرضة لموجة الانفجار / قوى الدوران والضوابط

ملاحظة: في الدراسات السابقة، تم تقييم آثار TBI الخفيف إلى المعتدل في نقاط زمنية مختلفة بعد التعرض لموجة انفجارية وقوى دورانية في القوارض باستخدام تطبيقات المصب، بما في ذلك التحليلات الكيميائية الحيوية والمرضية العصبية والفسيولوجية العصبية والسلوكية19.

  1. التحليل البيوكيميائي
    1. في نقاط زمنية تجريبية محددة (ساعات إلى أيام ما بعد TBI الخفيف) ، حصاد الأنسجة (على سبيل المثال ، الدماغ والدم) للتحليل الكيميائي الحيوي باستخدام البروتوكولات القياسية كما هو موصوف19.
    2. استخدم الأنسجة للتحليل الكيميائي الحيوي (أي النشاف المناعي ، ELISA ، إلخ) لتقييم تأثير TBI الخفيف على العمليات العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية.
  2. التحليل العصبي المرضي
    1. في نقاط زمنية تجريبية محددة (ساعات إلى أيام بعد TBI خفيف) ، قم بدمج القوارض عبر القلب بمحلول ملحي متبوعا بمحلول بارافورمالديهايد بنسبة 4٪ لإصلاح الأنسجة كما هو موضح19.
      ملاحظة: بعض التطبيقات غير متوافقة مع تثبيت بارافورمالديهايد (على سبيل المثال ، تلطيخ الفضة ، وبعض الأجسام المضادة للكيمياء النسيجية المناعية).
    2. استخدم الأنسجة الثابتة المنصهرة للتحليلات التشريحية والنسيجية والجزيئية لتقييم التغيرات العصبية المرضية المرتبطة بالسل الخفيف، بما في ذلك الالتهاب العصبي والتنكس العصبي والتغيرات الكيميائية العصبية كما هو موضح19.
  3. التحليل الفسيولوجي العصبي في شرائح الدماغ
    1. في نقاط زمنية تجريبية محددة (ساعات إلى أيام ما بعد TBI الخفيف) ، تضحي القوارض عن طريق قطع الرأس ، وإزالة الدماغ وإعداد شرائح الدماغ كما هو موصوف19.
    2. إجراء التسجيلات الكهروفسيولوجية كما هو موضح19 لتقييم تأثير TBI الخفيف على الخصائص المشبكية القاعدية واللدونة المتشابكة.
  4. التحليل السلوكي
    1. في نقاط زمنية تجريبية محددة (ساعات إلى أيام ما بعد TBI الخفيف) ، قم بتقييم الأداء السلوكي ، بما في ذلك الوظيفة الحركية (على سبيل المثال ، المجال المفتوح ، الروتارود ، النشاط الحركي ؛ انظر الشكل 4D) والتعلم والذاكرة (على سبيل المثال ، تكييف الخوف ، متاهة بارنز ، متاهة موريس المائية).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم اختبار قابلية تطوير إعداد موجة الانفجار باستخدام ثلاثة سماكات غشاء مختلفة ، 25.4 و 50.8 و 76.2 ميكرومتر. تم تقييم مستويات الضغط القصوى في منطقة وضع الرأس وخروج جهاز أنبوب الصدمة باستخدام أجهزة استشعار الضغط الكهرضغطية (انظر الشكل 1 والشكل 2). تزداد ضغوط الذروة في التوافق مع سمك الغشاء في كلا موقعي المستشعر (الشكل 3A ، B) ، مما يدل على أن ضغط الذروة قابل للتطوير بطبيعته. يمكن استغلال خاصية الإعداد هذه لمعايرة النظام وتقييم قابليته للتوسع كما هو موضح في الخطوة 2.3.

من أجل تقييم آثار TBI الناجم عن الانفجار في الجسم الحي ، تعرضت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر والذكور والنوع البري C57Bl / 6J لموجات الانفجار الناتجة عن هذا الإعداد (الشكل 1 والشكل 2) باستخدام البروتوكول الموضح هنا. أولا، تم تقييم آثار الموجات الانفجارية المنتجة بسماكتين غشائيتين مختلفتين (50.8 و 76.2 ميكرومتر) أو المعالجة الصورية على تصحيح وقت المنعكس (RRT) (الشكل 4A). يتم تحديد زمن انتقال الفئران لتصحيح نفسها بالكامل (4 مخالب على الأرض) بعد التخدير هنا باسم RRT. تم تخدير الفئران باستخدام الأيزوفلوران (تخدير ثابت وقصير وخفيف) ثم خضعت لتحريض TBI أو علاج صوري. مباشرة بعد الإصابة ، سمح للفئران بالتعافي وتم تسجيل الوقت لاستعادة منعكس التصحيح. أظهرت الفئران التي تعرضت لموجة انفجار أنتجت باستخدام غشاء 76.2 ميكرومتر زيادة كبيرة في RRT مقارنة بالضوابط الوهمية التي خضعت لنفس إجراء التخدير (الشكل 4A) ، مما يشير إلى أن هذه الموجة الانفجارية تحفز فقدان الوعي. وعلى النقيض من ذلك، فإن الفئران المعرضة لموجة انفجارية من الغشاء الذي يبلغ حجمه 50.8 ميكرومتر لا تظهر أي زيادات كبيرة في RRT (الشكل 4A)، مما يدل على شكل خفيف من TBI. يؤدي تمزق غشاء بوليستر قياسي يبلغ حجمه 76.2 ميكرومتر إلى توليد سريع لموجة انفجار قصيرة المدة تبلغ حوالي 160 رطل لكل بوصة مربعة من الضغط الزائد (الشكل 3C) ، والتي يتعرض لها الجانب الأيسر من جمجمة الشخص أثناء الإجراء التجريبي.

الآثار الفسيولوجية قصيرة الأجل التي تحدث بعد التعرض لموجة الانفجار والقوى الدورانية في القوارض ليست حاليا مميزة بشكل جيد. لتحديد الآثار الحادة للتعرض للموجات الانفجارية وقوى الدوران من هذا النموذج، قمنا بتقييم تنظيم درجة حرارة الجسم الأساسية ووزن الجسم. تم تسجيل درجة الحرارة ووزن الجسم للفئران البالغة من العمر 3 أشهر والذكور من النوع البري C57Bl / 6J بعد تحريض TBI. تم تسجيل درجة حرارة الجسم الأساسية الأساسية ووزن الجسم في الفئران قبل إجراء TBI أو العلاج الصوري. أدى التعرض لموجة انفجارية ناتجة عن غشاء 76.2 ميكرومتر إلى انخفاض كبير في درجة حرارة الجسم خلال الساعة الأولى في الفئران التي يسببها TBI مقارنة بضوابطها الوهمية (الشكل 4B) ، مما يدل على تأثير فسيولوجي كبير ناتج عن تحريض TBI. وعلى نحو متسق، أظهرت الفئران التي تعرضت ل TBI باستخدام أغشية 76.2 ميكرومتر انخفاضا حادا يعتمد على الوقت ولكنه كبير في إجمالي وزن الجسم بعد يوم واحد من TBI مقارنة بالصورة الزائفة (الشكل 4C).

من أجل دراسة تأثير TBI على النتائج السلوكية ، تم تحليل تأثير TBI الناجم عن الانفجار على النشاط الحركي الحاد (الشكل 4D). خضعت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر من الذكور C57Bl/6J لتحريض TBI باستخدام غشاء 76.2 ميكرومتر أو علاج صوري وتم مراقبة النشاط الحركي لمدة 30 دقيقة بعد ثلاث ساعات من TBI. أدى التعرض لموجة انفجارية ناتجة عن غشاء 76.2 ميكرومتر إلى انخفاض حاد وكبير في النشاط الحركي (الشكل 4D).

Figure 1
الشكل 1: إعداد نموذج موجة انفجار الفئران. (أ-ج) صور تمثيلية لإعداد نموذج موجة الانفجار للفئران. عرض جانبي للإعداد (A). طريقة العرض العلوية للإعداد (B). 1 ، اسطوانة غاز مع منظم غاز عالي التدفق ؛ 2 ، 9.53 مم خط هيدروليكي عالي الضغط ومرفق سريع الاتصال بين الذكور والإناث ؛ 3 ، قسم السائق من أنبوب الصدمة ؛ 4 ، قسم مدفوع من أنبوب الصدمة ؛ 5 ، درع الأنابيب البلاستيكية ؛ 6 ، منطقة وضع الرأس. 7 ، غشاء البوليستر. يتم تثبيت الأجزاء الفردية من الإعداد على طاولات شرائح الماكينة مما يسمح بتحديد المواقع بدقة للسائق (3) والأقسام المدفوعة (4) فيما يتعلق بالموضوع الذي يخضع لتحريض الإصابة. (ج) العرض العلوي للإعداد مع مواضع مستشعر الضغط. توجد ثلاثة مستشعرات في مستوى واحد عند مخرج أنبوب الصدمة ، على بعد 120 درجة (S1 - S3) ، لمراقبة خصائص موجة الانفجار أثناء تحريض TBI. يتم تثبيت مستشعر واحد في منطقة وضع الرأس (S4). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: مخطط لأنبوب صدمة الضغط الزائد للفئران. أنبوب الصدمة المصنوع بدقة مصنوع من الفولاذ عالي الشد. المساحة الداخلية لقسم السائق بزاوية 6 درجات. يبلغ القطر الداخلي للسائق والقسم المدفوع 37 مم. يتم تشكيل أسطح التزاوج للأقسام التي يحركها السائق بدقة لضمان الختم الكامل. يتم تثبيت أنبوب الصدمة بالكامل صناعيا على طاولة انزلاق الماكينة لضمان التركيب الصلب واتساق توليد موجة الانفجار. عند مخرج المقطع المدفوع ، يتم حفر ثقوب (في مستوى واحد ، على بعد 120 درجة) لتثبيت مستشعرات الضغط الثلاثة (المشار إليها ب *). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: تسجيلات الضغط من إعداد موجة انفجار الفئران. (أ، ب) ضغط الذروة قابل للتطوير ويعتمد على سمك غشاء البوليستر. تم استخدام أجهزة استشعار الضغط لتسجيل ضغوط الذروة التي ينتجها أنبوب الصدمة باستخدام غاز الهيليوم وأغشية البوليستر بسماكة 25.4 أو 50.8 أو 76.2 ميكرومتر. (أ) في منطقة وضع الرأس، كان متوسط ضغط الذروة الناتج بأغشية 25.4 ميكرومتر 428 ± 15.9 كيلوباسكال، مع أغشية 50.8 ميكرومتر 637 ± 21.4 كيلوباسكال ومع أغشية 76.2 ميكرومتر 1257 ± 40.7 كيلوباسكال (SEM، n = 7-12، ANOVA أحادي الاتجاه متبوعا باختبار مقارنة دونيت بعد التخصيص، *** P ≤ 0.001). (ب) عند مخرج أنبوب الصدمة، بلغ متوسط ضغط الذروة المسجل بأغشية 25.4 ميكرومتر 164 ± 11.7 كيلوباسكال، مع أغشية 50.8 ميكرومتر 232 ± 11.7 كيلوباسكال وأغشية 76.2 ميكرومتر 412 ± 11.0 كيلوباسكال (SEM، n = 7-12، ANOVA أحادي الاتجاه يليه اختبار مقارنة دونيت بعد التخصيص، ** P ≤ 0.01، *** P ≤ 0.001). (ج) رسم بياني تمثيلي لتسجيل الضغط من المستشعر في منطقة وضع الرأس (مستشعر الحوادث) باستخدام غشاء 76.2 ميكرومتر. يشبه الشكل الموجي موجة فريدلاندر ، التي يتم قياسها في الوقت / المدة لموضوعات الفئران. (د) رسم بياني تمثيلي لتسجيل الضغط من 3 مستشعرات متميزة تقع في نهاية القسم المدفوع لتحديد خطية/طور الشكل الموجي داخل القسم المدفوع. تظهر جميع المستشعرات الثلاثة (التي تقع على بعد 120 درجة) مدة صعود / انخفاض مماثلة تشير إلى أن الشكل الموجي الذي يترك القسم المدفوع متشابه في المقطع العرضي داخل القسم المدفوع. تم توليد موجة الانفجار باستخدام غشاء 76.2 ميكرومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: الآثار الحادة في الجسم الحي ل TBI الناجم عن الانفجار. (أ) يزيد TBI المعتدل ، ولكن ليس TBI الخفيف من وقت رد الفعل الصحيح (RRT). خضعت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر والذكور والبرية C57Bl/6J لإجراءات TBI باستخدام أنبوب الصدمة مع غاز الهيليوم وأغشية البوليستر بسماكة 50.8 أو 76.2 ميكرومتر أو معالجة صورية. مباشرة بعد الإصابة أو العلاج الزائف ، سمح للفئران بالتعافي وتم تسجيل RRT. أظهر تحريض TBI مع غشاء 50.8 ميكرومتر أو علاج صوري مستويات مماثلة من RRT. في المقابل ، يزيد تحريض TBI باستخدام غشاء 76.2 ميكرومتر من RRT ، مما يدل على فقدان الوعي الناجم عن موجة الانفجار مع غشاء 76.2 ميكرومتر (SEM ، n = 4-10 ، Sham RRT = 35.6 ± 2.0 s ، غشاء 50.8 μm RRT = 43.0 ± 4.3 s و 76.2 μm غشاء RRT = 254.0 ± 40.2 s ، ANOVA أحادي الاتجاه متبوعا باختبار مقارنة Dunnett بعد التخصيص ، P ≤ 0.001). (ب) TBI المعتدل يقلل بشكل كبير وعابر من درجة حرارة الجسم الأساسية. تعرضت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر والذكور والبرية C57Bl/6J لتحريض TBI باستخدام أغشية 76.2 ميكرومتر أو علاج صوري. تم تسجيل درجة حرارة الجسم الأساسية لمدة ساعتين. تم تسجيل درجة حرارة الجسم الأساسية الأساسية قبل تحريض TBI. يرتبط TBI الناجم عن الانفجار مع أغشية 76.2 ميكرومتر بانخفاض كبير في درجة حرارة الجسم الأساسية خلال الساعة الأولى بعد TBI. (SEM ، n = 10 ، مقاييس متكررة ثنائية الاتجاه ANOVA ، تليها اختبارات المقارنة المتعددة ل Bonferroni بعد المخصصة ، ** P ≤ 0.01 ، *** P ≤ 0.001). (ج) يؤدي TBI المعتدل إلى انخفاض عابر في وزن الجسم. خضعت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر من الذكور C57Bl/6J لإجراءات TBI باستخدام أغشية 76.2 ميكرومتر أو علاج صوري. في وقت لاحق ، تم تسجيل أوزان الجسم لمدة 5 أيام. تم تخفيض الوزن الكلي للجسم بشكل كبير بعد يوم واحد من TBI (SEM ، n = 7 ، مقاييس متكررة ثنائية الاتجاه ANOVA تليها اختبارات المقارنة المتعددة بعد Bonferroni المخصصة ، * P ≤ 0.05). (د) يؤدي TBI المعتدل إلى انخفاض حاد في النشاط الحركي. خضعت الفئران البالغة من العمر 3 أشهر من الذكور C57Bl/6J لإجراءات TBI باستخدام أغشية 76.2 ميكرومتر أو علاج صوري. تم تتبع النشاط الحركي بعد TBI لمدة ثلاث ساعات لمدة 30 دقيقة وتحديده كميا باستخدام برنامج تتبع الفيديو (SEM ، n = 9-11 ، اختبار t ثنائي الذيل غير المقترن ، ** P = 0.01). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

نقدم هنا نموذج TBI خفيف قبل السريري فعال من حيث التكلفة وسهل الإعداد والتنفيذ ، ويسمح بنتائج تجريبية عالية الإنتاجية وموثوقة وقابلة للتكرار. يوفر هذا النموذج درعا واقيا للأعضاء الطرفية للسماح بإجراء تحقيق مركز في آليات TBI الخفيفة مع الحد من المتغيرات المربكة للإصابة الجهازية. في المقابل، من المعروف أن نماذج الانفجار الأخرى تلحق أضرارا بالأعضاء الطرفية2،39،40. ميزة أخرى لهذا النموذج هي قدرته على توصيل موجة الانفجار من أي زاوية مطلوبة مقارنة بالوضع الثابت في نماذج الانفجار الأخرى40. وهذا يسمح بإجراء دراسات تشريحية مركزة لفهم ضعف الدماغ بشكل أفضل.

من أجل دراسة TBI المرتبط بالانفجار البشري ، يجب أن ينتج نموذج ذي صلة ب TBI قوى ميكانيكية حيوية مماثلة لتلك التي يعاني منها الأشخاص أثناء تحريض TBI. يجب أن يحفز النموذج ذي الصلة سريريا أيضا النتائج العصبية البيولوجية والفسيولوجية المرضية والسلوكية التي لوحظت في الأشخاص الذين يعانون من TBI الخفيف. في الدراسات السابقة ، تم فحص نموذج موجة الانفجار المقدم هنا بدقة 17،19،21 ، وتم تقييم العديد من الجوانب الفيزيائية الحيوية والعصبية البيولوجية التي تذكرنا ب TBI البشري ، بما في ذلك ديناميكيات وقوى موجة الانفجار ، والالتهاب العصبي ، والإصابات المحورية والأضرار الوعائية الدقيقة. قدمت هذه الدراسات أدلة على أن نموذج موجة الانفجار قبل السريرية هذا ل TBI ينتج تغيرات عصبية بيولوجية وفسيولوجية مرضية موثوقة وقابلة للتكرار مرتبطة ب TBI السريري.

علاوة على ذلك، ومع زيادة معدل الإصابة بالسل الانفجاري الخفيف بين السكان العسكريين7،8، يوفر هذا النموذج متعدد الاستخدامات للقوارض لمرض السل البشري الخفيف للباحثين أداة قيمة للتحقيق في العمليات الكامنة وراء TBI المرتبط بالانفجار واستكشاف استراتيجيات علاجية جديدة. على سبيل المثال، يوضح نموذجنا المضاعفات العصبية الوعائية، ويسلط الضوء على أهمية التدخل الوعائي كنهج علاجي واعد22،23،35. وعلى نحو متسق، أنتجت النماذج الأخرى قبل السريرية لمرض السل الانفجاري تأثيرات عصبية وعائية مرتبطة بالتنكس العصبي والعجز السلوكي2،25،40،41،42،43.

استنادا إلى الأبحاث السابقة19،21،22،23 ، أثبتنا أن نموذج موجة الانفجار المقدم هنا قد يكون مناسبا تماما للتحقيق في الفيزيولوجيا المرضية ومسببات الارتجاج البشري. لا تسمح معظم نماذج TBI قبل السريرية بحركة الرأس44 على الرغم من أن الخصائص الميكانيكية الحيوية المرتبطة بتسارع / تباطؤ الرأس السريع هي عامل تنبؤي لتطور ارتجاج في البشر45,46. واتساقا مع النموذج الموصوف هنا، أظهر غولدشتاين وزملاؤه14 أن حركة الرأس السريعة الناجمة عن قوى الانفجار هي شرط أساسي لتحريض العجز السلوكي، ربما بسبب قوى الدوران والقص. ومن شأن الفهم الأفضل للتغيرات الفسيولوجية المرضية التي تحدث في السل الخفيف واستجابة للارتجاج أن يساعد أيضا في تحديد المؤشرات الحيوية السريرية وتحديد أهداف جديدة لتطوير علاجات للمرض.

لا يعرف سوى القليل عن التغيرات الفسيولوجية المرضية وتطور المرض بعد TBI الخفيف المتكرر (على سبيل المثال ، الارتجاج المتكرر الذي يحدث في الرياضة). يسمح هذا النموذج قبل السريري بدراسة TBI الخفيف المتكرر مع معدل وفيات قليل أو معدوم. وعلى النقيض من ذلك، تلحق بعض نماذج TBI إصابات خطيرة، وبالتالي غالبا ما يكون من الصعب، أو غير الإنساني، الحث على مزيد من الإصابة. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما تكون الإصابات الشديدة غير قابلة للإصلاح ويمكن منع اكتشاف التغيرات الفسيولوجية الدقيقة. ويسمح هذا النموذج أيضا بإجراء تحقيق قابل للتطوير في مختلف الفترات الفاصلة بين الإصابات؛ معلمة حرجة ل TBI الخفيف المتكرر الذي يتطلب مزيدا من التوصيف. بعد TBI ، يتم تشغيل استجابة إصابة الجهاز العصبي المركزي التي تساعد على حماية سلامة الدماغ ومنع موت الخلايا العصبية على نطاق واسع. قد تتأثر استجابة الإصابة ، في الواقع ، بشكل كبير بتحريض إصابة أخرى في غضون فترة زمنية قصيرة بعد الإصابة الأولية. يسمح هذا النموذج بالتحقيق في الفاصل الزمني بين الإصابات ، وهو جانب مهم من تصميم التجارب السريرية ل TBI الخفيف المتكرر. علاوة على ذلك ، يسمح هذا النموذج القابل للتطوير بسير عمل سريع عالي الإنتاجية ، مما يسهل التحقيق في معلمات متعددة في وقت واحد ، بالإضافة إلى تقييم النشاط العلاجي للتدخلات الجديدة.

أحد قيود هذا النموذج هو عدم القدرة على التحكم في خصائص موجة الانفجار بين مخرج الأنبوب ورأس الحيوان. على الرغم من أن موجة الانفجار مضطربة عند الخروج من أنبوب الصدمة، إلا أن مقاييس النتائج لا تزال موثوقة وقابلة للتكرار مع تحديد موقع ثابت لرأس القوارض18. لذلك ، من المهم الحفاظ على الإعدادات التجريبية (أي موضع الرأس والمسافة من مخرج أنبوب الصدمة) ثابتة بين جميع الدراسات. من أجل تحسين تصميم النموذج وبروتوكوله، تم قياس ديناميكيات الشكل الموجي بين مخرج الأنبوب ومنطقة وضع الرأس (الشكل 3) ونمذجتها باستخدام المحاكاة العددية18. ستدمج المشاريع المستقبلية نمذجة العناصر المحدودة لتحديد كيفية انتقال ديناميكيات القوة من الجمجمة إلى السحايا ، إلى السائل الدماغي الشوكي ، وأخيرا إلى أنسجة المخ. يعد التفاعل المعقد بين ديناميكيات القوة والفيزياء الحيوية والاستجابات الفسيولوجية الناتجة عنها مجالات مهمة في أبحاث TBI التي لم يتم استكشافها حتى الآن.

باختصار ، نقدم هنا بروتوكولا وتجربة مرئية لنموذج إصابة موجة الانفجار الذي تم تطويره للتحقيق في آثار TBI الخفيف. ساهمت الخبرة الجماعية للمهندسين والأطباء وعلماء الطب الحيوي في تحسين صحتها الفيزيائية الحيوية / الفسيولوجية وأهميتها البيولوجية العصبية. تم التحقق من صحة هذا النموذج بدقة وحقق بالفعل نتائج ذات مغزى ، خاصة في فهم الديناميكيات المبكرة ل TBI17,19,20,21,22,23 المعتدلة. إن استغلال هذا النموذج قبل السريري لمواصلة دراسة TBI الخفيف سيعزز بشكل كبير فهمنا للفيزيولوجيا المرضية ومسببات TBI ويساهم في تطوير تدخلات جديدة لصالح المرضى الذين يعانون من TBI.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس لديهما مصالح متنافسة.

Acknowledgments

نشكر R. Gettens و N. St. Johns و P. Bennet و J. Robson على مساهماتهم في تطوير نموذج TBI. دعمت منح NARSAD للباحثين الشباب من مؤسسة أبحاث الدماغ والسلوك (F.P. و M.J.R.) ، ومنحة بحثية من صندوق داريل ك. الملكي للبحوث لمرض الزهايمر (F.P.) وجائزة مؤسسة PhRMA (M.J.R.) هذا البحث. تم دعم هذا العمل من خلال زمالات ما قبل الدكتوراه من المؤسسة الأمريكية للتعليم الصيدلاني (A.F.L و B.P.L).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3/8 SAE High Pressure Hydraulic Hose Eaton Aeroquip R2-6-6-36M Available from Grainger
3/8'' Quick Connect Female Plugs Karcher KAR 86410440
3/8'' Quick Connect Male Plugs Karcher KAR 86410440
ANY-maze video tracking software Stoelting Co. ANY-maze software
Clear Mylar membrane ePlastics.com POLYCLR0.003 http://www.eplastics.com/Plastic/Clear_Polyester_Film/POLYCLR0-003; Clear Mylar membrane is sold in various thicknesses. All are sold by vendor listed above.
Compound Slide Table (X2) Grizzly Industrial G5757
Deadman Gas Control Ball Valve Coneraco Inc. 71-502-01 "Apollo", Available from Grainger
Driver and driven section (murine) own design/production n/a For further information please contact the authors
Driver and driven section (rat) own design/production n/a For further information please contact the authors
Ear Muffs 3M 37274 Available from Grainger
Gas Regulator - Hi Flow 3500-600-580 Harris 3003539
Helium Gas AirGas HE 300 Tanks are available in various sizes
Inhalation Anesthesia System VetEquip 901806
Input Module National Instruments NI 9223
Isoflurane Baxter NDC 10019-360-40 Ordered by veterinarian
Laboratory Timer/Stopwatch Fisher Scientific 50-550-352
Labview version 12.0 National Instruments Data Acquistion Software
Magnetic Dial Indicator/Micrometer Grizzly Industrial G9849
MATLAB MathWorks Software for pressure recording analysis
Oxygen Regulator Medline HCS8725M
PC for Data Processing Dell
Polyvinylchloride Tubing - 25.4 mm FORMUFIT P001FGP-WH-40x3
Pressure sensors PCB Piezotronics 102A05
Receiver USB Chassis National Instruments DAQ-9171
Sensor Signal Conditioner PCB Piezotronics 482C series
Stainless NSF-Rated Mounting Table Gridmann GR06-WT2448
T Handle Allen Wrench - 3/16'' S&K 73310

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bazarian, J. J., et al. Mild traumatic brain injury in the United States, 1998--2000. Brain Injury. 19 (2), 85-91 (2005).
  2. Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Science Translational Medicine. 8 (321), (2016).
  3. Mac Donald, C. L., et al. Detection of blast-related traumatic brain injury in U.S. military personnel. New England Journal of Medicine. 364 (22), 2091-2100 (2011).
  4. Fischer, B. L., et al. Neural activation during response inhibition differentiates blast from mechanical causes of mild to moderate traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 31 (2), 169-179 (2014).
  5. Peskind, E. R., et al. Cerebrocerebellar hypometabolism associated with repetitive blast exposure mild traumatic brain injury in 12 Iraq war Veterans with persistent post-concussive symptoms. Neuroimage. 54, Suppl 1 76-82 (2011).
  6. Jorge, R. E., et al. White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. American Journal of Psychiatry. 169 (12), 1284-1291 (2012).
  7. Hoge, C. W., et al. Mild traumatic brain injury in U.S. Soldiers returning from Iraq. New England Journal of Medicine. 358 (5), 453-463 (2008).
  8. Eskridge, S. L., et al. Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity. Injury. 43 (10), 1678-1682 (2012).
  9. Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
  10. Dixon, C. E., Clifton, G. L., Lighthall, J. W., Yaghmai, A. A., Hayes, R. L. A controlled cortical impact model of traumatic brain injury in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 39 (3), 253-262 (1991).
  11. McIntosh, T. K., et al. Traumatic brain injury in the rat: characterization of a lateral fluid-percussion model. Neuroscience. 28 (1), 233-244 (1989).
  12. Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
  13. Osier, N., Dixon, C. E. Mini Review of Controlled Cortical Impact: A Well-Suited Device for Concussion Research. Brain Sciences. 7 (7), (2017).
  14. Goldstein, L. E., et al. Chronic traumatic encephalopathy in blast-exposed military veterans and a blast neurotrauma mouse model. Science Translational Medicine. 4 (134), (2012).
  15. Rodriguez-Grande, B., et al. Gliovascular changes precede white matter damage and long-term disorders in juvenile mild closed head injury. Glia. 66 (8), 1663-1677 (2018).
  16. Bowen, I. G., Fletcher, E. R., Richmond, D. R., Hirsch, F. G., White, C. S. Biophysical mechanisms and scaling procedures applicable in assessing responses of the thorax energized by air-blast overpressures or by nonpenetrating missiles. Annals of the New York Academy of Sciences. 152 (1), 122-146 (1968).
  17. Turner, R. C., et al. Modeling clinically relevant blast parameters based on scaling principles produces functional & histological deficits in rats. Experimental Neurology. , 520-529 (2013).
  18. Lucke-Wold, B. P., et al. Elucidating the role of compression waves and impact duration for generating mild traumatic brain injury in rats. Brain Injury. 31 (1), 98-105 (2017).
  19. Hernandez, A., et al. Exposure to mild blast forces induces neuropathological effects, neurophysiological deficits and biochemical changes. Molecular Brain. 11 (1), 64 (2018).
  20. Bittar, A., et al. Neurotoxic tau oligomers after single versus repetitive mild traumatic brain injury. Brain Communications. 1 (1), (2019).
  21. Logsdon, A. F., et al. Salubrinal reduces oxidative stress, neuroinflammation and impulsive-like behavior in a rodent model of traumatic brain injury. Brain Research. 1643, 140-151 (2016).
  22. Lucke-Wold, B. P., et al. Bryostatin-1 Restores Blood Brain Barrier Integrity following Blast-Induced Traumatic Brain Injury. Molecular Neurobiology. 52 (3), 1119-1134 (2015).
  23. Logsdon, A. F., et al. Altering endoplasmic reticulum stress in a model of blast-induced traumatic brain injury controls cellular fate and ameliorates neuropsychiatric symptoms. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 421 (2014).
  24. Dixon, C. E., et al. A fluid percussion model of experimental brain injury in the rat. Journal of Neurosurgery. 67 (1), 110-119 (1987).
  25. Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. Journal of Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
  26. Budde, M. D., et al. Primary blast traumatic brain injury in the rat: relating diffusion tensor imaging and behavior. Frontiers in Neurology. 4, 154 (2013).
  27. Genovese, R. F., et al. Effects of mild TBI from repeated blast overpressure on the expression and extinction of conditioned fear in rats. Neuroscience. 254, 120-129 (2013).
  28. Kuriakose, M., Rama Rao, K. V., Younger, D., Chandra, N. Temporal and Spatial Effects of Blast Overpressure on Blood-Brain Barrier Permeability in Traumatic Brain Injury. Scientific Reports. 8 (1), 8681 (2018).
  29. Cernak, I., et al. The pathobiology of blast injuries and blast-induced neurotrauma as identified using a new experimental model of injury in mice. Neurobiology of Disease. 41 (2), 538-551 (2011).
  30. Prima, V., Serebruany, V. L., Svetlov, A., Hayes, R. L., Svetlov, S. I. Impact of moderate blast exposures on thrombin biomarkers assessed by calibrated automated thrombography in rats. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1881-1887 (2013).
  31. Mishra, V., et al. Primary blast causes mild, moderate, severe and lethal TBI with increasing blast overpressures: Experimental rat injury model. Scientific Reports. 6, 26992 (2016).
  32. Tompkins, P., et al. Brain injury: neuro-inflammation, cognitive deficit, and magnetic resonance imaging in a model of blast induced traumatic brain injury. Journal of Neurotrauma. 30 (22), 1888-1897 (2013).
  33. Kuriakose, M., et al. Tailoring the Blast Exposure Conditions in the Shock Tube for Generating Pure, Primary Shock Waves: The End Plate Facilitates Elimination of Secondary Loading of the Specimen. Public Library of Science One. 11 (9), 0161597 (2016).
  34. Panzer, M. B., et al. A Multiscale Approach to Blast Neurotrauma Modeling: Part I - Development of Novel Test Devices for in vivo and in vitro Blast Injury Models. Frontiers in Neurology. 3, 46 (2012).
  35. Logsdon, A. F., et al. A mouse Model of Focal Vascular Injury Induces Astrocyte Reactivity, Tau Oligomers, and Aberrant Behavior. Archives of Neuroscience. 4 (2), (2017).
  36. Lee, M. C., Klassen, A. C., Heaney, L. M., Resch, J. A. Respiratory rate and pattern disturbances in acute brain stem infarction. Stroke. 7 (4), 382-385 (1976).
  37. Ikeda, K., et al. The respiratory control mechanisms in the brainstem and spinal cord: integrative views of the neuroanatomy and neurophysiology. Journal of Physiological Sciences. 67 (1), 45-62 (2017).
  38. Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475 (7355), 196-200 (2011).
  39. Logsdon, A. F., et al. Blast exposure elicits blood-brain barrier disruption and repair mediated by tight junction integrity and nitric oxide dependent processes. Scientific Reports. 8 (1), 11344 (2018).
  40. Logsdon, A. F., et al. Nitric oxide synthase mediates cerebellar dysfunction in mice exposed to repetitive blast-induced mild traumatic brain injury. Scientific Reports. 10 (1), 9420 (2020).
  41. Huber, B. R., et al. Blast exposure causes dynamic microglial/macrophage responses and microdomains of brain microvessel dysfunction. Neuroscience. 319, 206-220 (2016).
  42. Gama Sosa, M. A., et al. Low-level blast exposure disrupts gliovascular and neurovascular connections and induces a chronic vascular pathology in rat brain. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 6 (2019).
  43. Abutarboush, R., et al. Exposure to Blast Overpressure Impairs Cerebral Microvascular Responses and Alters Vascular and Astrocytic Structure. Journal of Neurotrauma. 36 (22), 3138-3157 (2019).
  44. Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews: Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
  45. Petraglia, A. L., et al. Concussion in the absence of head impact: a case in a collegiate hammer thrower. Current Sports Medicine Reports. 14 (1), 11-15 (2015).
  46. Viano, D. C., Casson, I. R., Pellman, E. J. Concussion in professional football: biomechanics of the struck player--part 14. Neurosurgery. 61 (2), 313-327 (2007).

Tags

علم الأعصاب ، العدد 165 ، إصابة الدماغ الرضحية الخفيفة ، الناجمة عن الانفجار ، إصابة الانقلاب و contrecoup ، قوى الدوران ، الارتجاج ، أنبوب صدمة الغاز المضغوط ، مستشعر الضغط الرقمي ، الإعداد على مقاعد البدلاء ، التهاب الأعصاب ، الفأر ، الفئران
نموذج موجة الانفجار منخفضة الكثافة للتقييم قبل السريري لإصابات الدماغ الرضحية الخفيفة المغلقة الرأس في القوارض
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Logsdon, A. F., Lucke-Wold, B. P.,… More

Logsdon, A. F., Lucke-Wold, B. P., Turner, R. C., Collins, S. M., Reeder, E. L., Huber, J. D., Rosen, C. L., Robson, M. J., Plattner, F. Low-intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-head Mild Traumatic Brain Injury in Rodents. J. Vis. Exp. (165), e61244, doi:10.3791/61244 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter