Summary
우리는 여기에 설치류를위한 폭발파 모델의 프로토콜을 제시하여 경증에서 중등도의 외상성 뇌 손상의 신경 생물학적 및 병리 생리학적 효과를 조사합니다. 우리는 압력 센서가 장착 된 가스 구동식 벤치 탑 설정을 구축하여 폭발로 인한 경증에서 중등도의 외상성 뇌 손상을 안정적이고 재현 가능한 생성이 가능하도록했습니다.
Abstract
외상성 뇌 손상 (TBI)은 대규모 공중 보건 문제입니다. 경미한 TBI는 신경 외상의 가장 보편적 인 형태이며 미국에서 많은 수의 의료 방문을 차지합니다. 현재 TBI에 사용할 수있는 FDA 승인 치료법은 없습니다. 군사 관련 폭발로 인한 TBI의 발생률 증가는 효과적인 TBI 치료에 대한 긴급한 필요성을 더욱 강조합니다. 따라서 인간 블라스트 관련 TBI의 측면을 재구성하는 새로운 전임상 TBI 동물 모델은 TBI에 대한 새로운 치료 전략의 개발뿐만 아니라 경증 내지 중등도 TBI의 기초가되는 신경 생물학적 및 병리 생리학 적 과정에 대한 연구 노력을 크게 진전시킬 것입니다.
여기서 우리는 경증에서 중등도의 폭발 유발 TBI의 분자, 세포 및 행동 효과를 조사하기위한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 모델을 제시합니다. 우리는 일관된 테스트 조건을 보장하기 위해 압전 압력 센서가 장착 된 가스 구동 충격 튜브로 구성된 벤치 탑 설정을 사용하여 설치류에서 폐쇄 헤드, 폭발 유발 순한 TBI에 대한 단계별 프로토콜을 설명합니다. 우리가 설립 한 설정의 이점은 상대적으로 저렴한 비용, 설치 용이성, 사용 편의성 및 높은 처리량 용량입니다. 이 비침습적 TBI 모델의 또 다른 장점은 폭발 피크 과압의 확장성 및 제어된 재현 가능한 결과의 생성을 포함한다. 이 TBI 모델의 재현성 및 관련성은 신경 생물학적, 신경 병리학적, 신경 생리학적 및 행동 분석을 포함한 여러 하류 응용 프로그램에서 평가되었으며, 경증에서 중등도 TBI의 병인학의 기초가되는 과정의 특성화에 대한이 모델의 사용을 지원합니다.
Introduction
외상성 뇌 손상 (TBI)은 미국에서만 매년 이백만 건 이상의 병원 방문을 차지합니다. 일반적으로 자동차 사고, 스포츠 이벤트 또는 낙상으로 인한 경미한 TBI는 모든 TBI 사례의 약 80 %를 차지합니다1. 경미한 TBI는 환자가 초기 모욕 후 며칠 및 몇 달 동안 명백한 증상을 경험하지 않지만 나중에 심각한 TBI 관련 합병증을 일으킬 수 있기 때문에 '침묵하는 질병'으로 간주됩니다2. 더욱이, 폭발-유도된 경미한 TBI는 군 복무자들 사이에서 널리 퍼져 있으며, 만성 CNS 기능장애3,4,5,6와 연관되어 있다. 블라스트 관련 경증 TBI7,8의 발생률 증가로 인해, 경미한 TBI와 관련된 신경생물학적 및 병리생리학적 과정의 전임상 모델링은 TBI에 대한 새로운 치료 중재의 개발에 초점이 되고 있다.
역사적으로 TBI 연구는 주로 심각한 인간 TBI 사례의 수가 상대적으로 적음에도 불구하고 심각한 형태의 신경 외상에 중점을 두었습니다. 중증 인간 TBI에 대한 전임상 설치류 모델은 제어된 피질 충격(CCI)9,10 및 유체 타악기 손상(FPI)11 모델을 포함하여 개발되었으며, 이들은 둘 다 신뢰할 수 있는 병리생리학적 효과를 생성하도록 잘 확립되어 있다12,13. 이 모델은 TBI의 신경 염증, 신경 변성 및 신경 세포 복구에 대해 오늘날 알려진 것에 대한 토대를 마련했습니다. TBI의 병태생리학에 대한 상당한 지식이 개발되었지만, 현재 TBI에 사용할 수 있는 효과적인 FDA 승인 치료법은 없습니다.
최근에는 TBI 연구의 초점이 효과적인 치료 중재를 개발하는 궁극적 인 목표를 가진 TBI 관련 병리학의 더 넓은 스펙트럼을 포함하도록 확대되었습니다. 그럼에도 불구하고, 측정 가능한 효과를 보여준 경미한 TBI에 대한 전임상 모델은 거의 확립되지 않았으며, 경미한 TBI 스펙트럼을 조사한 연구는 소수에 불과하다2,14,15. 경미한 TBI가 모든 TBI 사례의 대부분을 차지하기 때문에 새로운 치료 전략을 개발하기 위해 인간 상태의 병인학 및 신경 병리 생리학에 대한 연구를 용이하게하기 위해 경증 TBI의 신뢰할 수있는 모델이 시급히 필요합니다.
생물 의학 엔지니어 및 항공 우주 물리학자와 함께, 우리는 경증에서 중등도의 TBI를 위한 확장 가능한 폐쇄 헤드 폭발파 모델을 구축했습니다. 이 전임상 설치류 모델은 군사 전투, 스포츠 이벤트, 자동차 사고 및 낙상에서 얻은 인간의 가벼운 TBI와 관련된 폭발파 및 가속 / 감속 운동을 포함한 힘 역학의 영향을 조사하기 위해 특별히 개발되었습니다. 폭발파가 인간에서 가벼운 TBI를 유발하는 힘 역학과 상관 관계가 있기 때문에이 모델은 임펄스가있는 일관된 프리드랜더 파형을 생성하도록 설계되었으며, 이는 평방 인치 당 파운드 (psi) * 밀리 초 (ms)로 측정됩니다. 충동 수준은 전임상 조사를 수행하기 위해 생쥐와 쥐에 대해 정의된 폐 치사율 곡선 아래로 떨어지도록 스케일링된다16,17,18. 또한,이 모델은 동물의 머리의 빠른 회전력으로 인한 쿠데타 및 contrecoup 부상에 대한 조사를 허용합니다. 이러한 종류의 부상은 군대 및 민간 인구 모두에서 관찰 된 것을 포함하여 여러 유형의 임상 TBI 프리젠 테이션에 내재되어 있습니다. 따라서, 이러한 다목적 모델은 TBI의 다수의 임상 프리젠테이션을 포괄하는 필요성에 부합한다.
여기에 제시된 전임상 모델은 다수의 선행 연구들에 의해 입증된 바와 같이 임상적 경증 TBI와 관련된 신뢰할 수 있고 재현가능한 병리생리학적 변화를 일으킨다17,19,20,21,22,23. 이 모델을 사용한 연구에 따르면 저강도 블라스트 파동을 겪은 쥐는 신경 염증, 축삭 손상, 미세 혈관 손상, 신경 손상과 관련된 생화학 적 변화 및 단기 가소성 및 시냅스 흥분성의 결핍을 나타냈다19. 그러나, 이러한 경미한 TBI 모델은 중등도 내지 중증의 침습성 TBI 모델10,24을 사용한 연구에서 흔히 관찰된 조직 손상, 출혈, 혈종 및 타박상을 포함하는 어떠한 거시적 신경병리학적 변화도 유도하지 않았다10,24. 이전의 연구19,21,22,23은 이 전임상 모델이 경증 및 중등 도 TBI17,19,20,21,22,23의 병인의 기초가 되는 신경생물학적 및 병리생리학적 과정을 특성화하는 데 사용될 수 있음을 보여주었다. 이 모델은 또한 새로운 치료 화합물 및 전략의 테스트뿐만 아니라 효과적인 TBI 중재의 개발을위한 새롭고 적합한 표적의 식별을 허용합니다19,21,22,23.
이 모델은 설치류의 분자, 세포 및 행동 결과에 대한 빠른 회전력뿐만 아니라 폭발파에 의해 유발 된 영향을 조사하기 위해 개발되었습니다. 여기에 제시된 폭발파 모델과 유사하게, 가스 구동 과압파 2,14,17,25,26,27,28을 사용하여 경증 내지 중등도 TBI를 재조정하려는 다수의 전임상 모델이 개발되었다. 다른 모델의 제한 사항 중 일부는 다음과 같습니다 : 동물은 와이어 메쉬 거니에 고정되고 머리는 충격시 고정됩니다. 말초 기관은 뇌 이외에 파동에 노출되어 다발성 외상의 혼란스러운 변수를 만듭니다. 모델은 크고 고정되어 있기 때문에 인간의 TBI를 연상시키는 더 나은 모델 조건에 중요한 매개 변수를 변경하고 적용하는 것을 제한합니다.
이 벤치 탑, 가스 구동 충격 튜브 설치의 이점은 획득 및 운영 비용뿐만 아니라 설치 및 사용의 용이성에 대한 상대적으로 저렴한 비용입니다. 또한, 이 셋업은 높은 처리량의 작동과 조절된 재현 가능한 블라스트 파의 생성 및 생쥐와 쥐 모두에서 생체내 결과를 가능하게 한다. 일관된 테스트 조건(즉, 일정한 폭발파 및 과압)을 제어하기 위해 설정에는 압력 센서가 장착되어 있습니다. TBI에 대한이 모델의 장점은 부상 중증도의 확장 성 및 경미한 TBI가 비 침습적 인 폐쇄 헤드 절차를 사용하여 유도된다는 것입니다. 피크 과압 및 후속 뇌 손상은 일관된 확장 가능한 방식으로 더 두꺼운 폴리에스테르 막으로 증가합니다17. 막 두께를 통해 TBI 중증도를 스케일링하는 능력은 특정 결과 측정 (예 : 신경 염증)이 분명 해지는 수준을 결정하는 데 유용한 도구입니다. 말초 장기에 대한 보호 차폐를 제공하면 폐 또는 흉부 손상과 같은 전신 손상의 혼란스러운 변수를 피하거나 줄임으로써 경미한 TBI 메커니즘에 대한 집중적 인 조사가 가능합니다. 또한,이 설정은 폭발파가 머리를 치거나 관통하는 방향 (즉, 정면, 측면, 위 또는 아래)을 선택할 수 있으므로 TBI를 유발하는 다양한 유형의 모욕을 조사 할 수 있습니다. 여기에 설명된 경증 내지 중등도의 TBI를 유도하기 위한 표준 절차는 빠른 회전력으로 인한 쿠데타 및 콘트레쿠 손상과 함께 폭발파 손상의 영향을 평가하기 위해 측면 노출을 이용한다. 또한, 폭발로 인한 부상을 독점적으로 조사하기 위해이 모델에서 하향식 폭발파 노출을 사용할 수 있습니다.
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Protocol
이 프로토콜은 신시내티 대학과 웨스트 버지니아 대학의 동물 보호 지침을 따릅니다. 동물과 관련된 모든 절차는 IACUC ( Institutional Animal Care and Use Committees )의 승인을 받았으며 실험실 동물의 관리 및 사용 가이드의 원칙에 따라 수행되었습니다.
1. 폭발 TBI 설정의 설치
- 강철 구동 및 드라이버 섹션으로 구성된 충격 튜브, 폴리에스테르 멤브레인, 고정 볼트, 압력 센서, 주변 장기를 보호하기 위한 폴리염화비닐(PVC) 파이프 실드, 9.53mm 고압 유압 라인 및 빠른 연결 남성과 여성 부착물, 고유량 가스 레귤레이터 및 벽걸이 브래킷이 있는 가스 실린더 등 설치에 필요한 모든 작업 부품을 확보하십시오(그림 1A 참조, B 및 재료 표).
참고: 여기에 사용된 구동 및 드라이버 섹션의 사양(그림 2 및 재료 표 참조)은 마우스에서 경증에서 중등도의 TBI를 유도하기 위해 일관된 단기간 스케일링 블라스트 파동(그림 3C, D 참조)을 생성하기 위해 확립되었습니다. 이를 위해 테이퍼 설계(6° 테이퍼) 쇼트 드라이버 섹션이 선택되었습니다. 구동 및 구동기 섹션의 길이와 직경 은 특히 폭발 파동29,30,31,32, 압축 wave18 또는 충격파 역학33을 연구하도록 수정할 수 있습니다. 쥐를 이용한 실험의 경우, 충격관의 치수는 관련 신체 스케일링 파라미터17을 유지함에 따라 유사한 힘을 산출하도록 조정되어야 한다(재료 표 참조). - 동물 실험을 위해 승인 된 실험실 공간의 안정적이고 청소하기 쉬운 표면 (설치류에 사용하기 위해 스테인레스 스틸이 바람직 함)에 고정 된 기계 슬라이드 테이블에 설치의 개별 작업 부품을 설치하십시오.
참고 : 폭발파 실험은 상당한 수준의 소음을 생성합니다. 따라서 소음이 다른 실험 / 실험실 그룹을 방해하지 않는 흡음 실험실 공간 내에서 위치를 선택하십시오.- 설치류의 몸체가 완전히 덮여 있고 머리 만 돌출되도록 충격 튜브 설정에 수직인 PVC 파이프 실드를 고정하십시오.
참고: 여기에 설명된 경증 내지 중등도 TBI를 유도하기 위한 표준 절차의 경우, 머리의 중심은 마우스에 대한 구동 섹션의 끝에서 5cm 떨어진 곳에 위치한다. - OSHA 및 기타 모든 관련 안전 규정에 따라 설치에 근접한 벽 마운트 가스 실린더.
참고: 압축 공기, 헬륨 또는 질소 가스는 일반적으로 설치류 쇼크 튜브 모델에서 폭발파를 생성하는 데 사용됩니다. 여기에 제시된 모든 데이터는 헬륨을 사용하여 생성되었으며,이 가스는 더 짧은 지속 시간 동안 더 높은 과압을 생성하기 때문에34, 뮤린 피사체에 대한 적절한 스케일링을 허용합니다.
- 설치류의 몸체가 완전히 덮여 있고 머리 만 돌출되도록 충격 튜브 설정에 수직인 PVC 파이프 실드를 고정하십시오.
2. 압력 센서 기록을 사용하여 설정 및 폭발파 특성 평가.
- 충격 튜브를 준비하십시오.
- 일관된 파열을 보장하기 위해 균열을 일으키고 구부리지 않고 폴리 에스테르 멤브레인을 조심스럽게 절단하십시오.
- 구동 섹션과 드라이버 섹션 사이에 멤브레인을 삽입합니다. 연결 볼트를 조여서 섹션을 고정합니다.
- 시스템이 밀폐되어 있고 멤브레인이 드라이버와 구동 섹션 사이에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.
- 9.53mm 고압 유압 호스를 통해 가스 탱크를 연결하고 충격 튜브에 부착물을 빠르게 연결합니다.
참고: 드라이버 및 구동 섹션은 섹션 사이에 멤브레인의 완전한 씰을 제공하기 위해 정확한 공차로 가공됩니다. 이것은 가스 누출을 허용하지 않으며 모든 형태의 개스킷 / O 링 재료의 사용을 배제하고 생성 된 파형에서 더 큰 일관성을 허용합니다.
- 폭발파를 모니터링하기 위한 압력 센서를 설치합니다( 그림 1C 참조).
- 헤드 배치 영역에 압력 센서 1개를 배치하고 센서 세 개를 충격관 출구에 배치합니다( 그림 1C 및 2 참조).
- 폭발파 실행 직전에 압력 센서에서 녹화를 시작합니다. 센서 신호 컨디셔너 및 데이터 수집 보드를 사용하여 초당 500,000프레임의 압력파 데이터를 기록 합니다(자료표 참조).
참고: 적절한 청력 보호를 위해 OHSA 승인 귀마개를 착용하십시오. - 압축 가스 탱크의 메인 밸브를 완전히 열어 가스 흐름이 갑작스럽고 빠른 압력 스파이크를 일으킬 수 있도록하십시오.
참고: 가스 과압은 폴리에스테르 멤브레인을 파열시켜 충격파를 방출하여 구동 섹션 내의 압축파로 전환되고 헤드 배치 영역 방향으로 튜브를 빠져 나갑니다. - 절차 직후에 가스 흐름을 끄십시오.
참고: 이 설정에는 스프링 리턴 밸브를 장착하여 가스 흐름을 자동으로 신속하게 중지할 수 있습니다. - 사용자 정의 작성된 컴퓨터 프로그램을 사용하여 압력파 기록을 분석하여 피크 과압 및 그래프 데이터를 결정합니다. 데이터는 각 센서와 개별적으로 그래프로 표시되거나 서로 오버레이되어 생성된 파동의 평면성을 입증할 수 있습니다(그림 3C,D 참조).
참고: 분석은 기술적으로 더 쉽게 사용할 수 있는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있지만 데이터 집합이 크기 때문에 이러한 프로그램은 플롯 생성에 오랜 지연이 있습니다.
- 지정된 TBI 연구의 목적에 적합한 실험 조건을 수립하고, 모델이 프리드랜더 파동에 필적하는 피크 과압, 지속 시간 및 임펄스 측정으로 일관된 폭발파를 생성하는지 확인합니다( 그림 3 참조). 앞서 언급한 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 이러한 매개 변수를 확인합니다.
- 2.1.1단계를 반복하여 설정을 보정합니다. 에 2.2.5. 압력파 기록을 사용하여 설정에 조정이 필요한지 여부를 결정합니다(대표적인 데이터의 경우 그림 3 참조).
- 설정을 수정합니다(필요한 경우).
참고: 폭발파 특성은 설정을 약간 수정하여 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 헤드의 주행 섹션 끝까지의 거리는 헤드 레벨의 폭발 파력에 영향을 미칩니다. 폴리에스테르 멤브레인의 두께는 피크 과압의 수준을 결정하며, 두꺼운 멤브레인은 피크 레벨을 증가시킵니다 ( 그림 3A, B 참조). 또한, 이 설정을 통해 폭발파가 헤드를 치거나 관통하는 방향(즉, 헤드온, 측면, 상단 또는 아래)을 선택할 수 있으므로 폭발파 부상 단독 또는 빠른 회전력으로 인한 쿠데타 및 콘트레쿠 부상과 같은 다양한 측면을 조사할 수 있습니다. - 2.1.1~2.2.4단계를 반복하여 원하는 폭발파 특성(필요한 경우)을 설정하고 재현성을 위해 제어합니다.
- 두께가 다른 폴리에스테르 멤브레인으로 2.1.1~2.2.4단계를 반복하여 설정의 확장성을 평가합니다(대표적인 데이터의 경우 그림 3A,B 참조).
3. 설치류에서 온화한 TBI의 실험 설정 및 유도의 준비
참고 : TBI 실험을 시작하기 30 분에서 1 시간 전에 설치류를 보유 영역으로 옮겨 순응하십시오. 절차의 소음에 의해 최소한으로 영향을 받는 고정 영역을 선택합니다.
- 실험에 필요한 모든 재료를 준비하고 적절한 설치를 위해 설정을 확인하십시오 (예 : 연구 목표에 따라 매개 변수 조정) (~ 5 - 10 분).
참고: 부상 중증도는 폴리에스테르 멤브레인의 두께를 선택하여 조정할 수 있습니다. 우리의 연구에 기초하여, 25.4 내지 102 μm의 막 두께가 마우스35에서 경증 내지 중등도 TBI에 이용된다. 우리는 이전에 쥐에서 경증 내지 중등도 TBI를 생산하기 위해 76.2 내지 127 μm의 두께를 갖는 멤브레인을 이용하였다19.- 폴리에스터 멤브레인을 조심스럽게 자르고 구동 섹션과 드라이버 섹션 사이에 삽입하고 연결 볼트를 조여서 고정하십시오.
- 퀵 릴리즈 피팅을 사용하여 가스 탱크를 충격 튜브에 연결하십시오. 멤브레인이 드라이버와 구동 섹션 사이에 단단히 고정되어 있는지 확인하십시오.
- 충격관의 출구에 120° 떨어진 곳에 세 개의 압력 센서를 배치하여 단계 2.2.2 및 2.2.5에 설명된 대로 TBI 유도 동안 폭발파 특성을 모니터링합니다.
- 충격관 장치의 끝으로부터의 거리가 설치된 마이크로미터를 사용하여 각 피사체에 대해 정확한지 확인하십시오. 일관된 부상 평가를 위해 연구 내에서 설치류의 머리 위치 (즉, 위치, 거리)를 일정하게 유지하십시오.
참고 : 1.2.1.에서 언급했듯이 폭발파가 머리에 영향을 미치는 방향을 선택하여 다양한 유형의 부상을 유발할 수 있습니다. 여기에 설명 된 경증 내지 중등도 TBI를 유도하는 절차를 위해, 신체는 폭발파가 머리의 측면에 충격하는 충격관에 수직으로 배치됩니다. 이 설정에서 머리는 자유로운 이동성이 허용되므로 폭발파와 빠른 회전력에 노출되어 쿠데타와 콘트레 쿠프 효과를 생성 할 수 있습니다. - 소프트웨어의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 압력 센서에서 기록을 시작합니다.
- 마취 및 설치에서 설치류의 위치
- 보유실에서 설치류를 옮기고 산소에서 4 % 이소플루란으로 마취를 유도하고 산소에서 2 % 이소 플루란을 유지하여 고통과 통증을 줄입니다.
참고 : 진행하기 전에 동물이 발가락이나 꼬리 꼬집음에 반응하지 않는지 확인하십시오. 마취의 유도가 가짜 대조군을 포함한 모든 실험 동물에 대해 일관성이 있는지 확인하십시오. 이 절차는 낮은 수준의 짧은 마취 기간이 필요합니다. - 완전히 마취 된 설치류를 쿠션으로 PVC 파이프 실드에 넣어 폭발파로부터 주변 장기를 보호하십시오.
참고: 대조군 피험자는 마취를 하고 셋업에 근접하여 배치되지만, 폭발파에 직접 노출되지는 않습니다. 컨트롤에 충격관에서 발생하는 소음이 발생하는지 확인합니다. - 설치류의 머리를 머리 배치 영역 내에 놓고 차폐 장치 또는 거즈 패드에 직접 내장 된 지지대에 의해 아래에서지지하십시오. 각 개별 설치류의 해부학에 따라 머리 정렬을 결정하고 후두 콘딜이 보호 차폐의 가장자리와 정렬되어 있습니다.
참고 : 사망률을 줄이기 위해 압력파를 뇌간쪽으로 직접 향하게하지 마십시오. 뇌 간과 자궁 경부 척수의 호흡 센터 손상은 TBI36,37,38의 설치류 모델에서 호흡 이상 및 심지어 사망에 기여하는 것으로 알려져 있습니다.
- 보유실에서 설치류를 옮기고 산소에서 4 % 이소플루란으로 마취를 유도하고 산소에서 2 % 이소 플루란을 유지하여 고통과 통증을 줄입니다.
- 파도를 폭발시키는 설치류의 노출.
- 압축 가스 탱크의 메인 밸브를 빠르게 열어 멤브레인을 파열시키는 압력 스파이크를 생성하고 압력파의 발생을 확인하는 큰 폭발을 일으 킵니다. 멤브레인은 실험 후 제거될 때 시각적으로 파열될 것이다.
참고 : 고속 카메라를 사용하여 설치류가 경험 한 회전 가속의 쿠데타 및 콘트레 쿠 효과를 캡처하여 추가 분석을 수행 할 수 있습니다. - 폭발음이 들린 직후에 가스 흐름을 끄십시오.
- 압축 가스 탱크의 메인 밸브를 빠르게 열어 멤브레인을 파열시키는 압력 스파이크를 생성하고 압력파의 발생을 확인하는 큰 폭발을 일으 킵니다. 멤브레인은 실험 후 제거될 때 시각적으로 파열될 것이다.
- 폭발파 노출로부터의 회복
- 폭발파에 노출 된 후 장치에서 설치류를 제거하고 측면의 충격관에 직접 인접한 평평한 표면에 놓습니다.
- 피험자를 모니터링하여 우회전 반사 시간(RRT)을 결정한다. 스톱워치를 사용하여 폭발파 노출로부터 고유 한 오른쪽 반사를 회복 할 때까지 시간을 기록하십시오. ( 도 4A 참조).
- 피험자가 오른쪽 반사를 회복하자마자 다음 24 시간 동안 부작용 (즉, 발작, 호흡 곤란, 신체 오리피스에서 출혈)을 모니터링받는 각각의 가정 케이지에 배치하십시오.
- 초기 모니터링 기간 후, 피험자는 연구자가 선택한 다양한 생화학적, 신경 병리학적, 신경 생리학적 및 행동 분석을 사용하여 분석 될 수 있습니다 (아래 참조).
- 다음 실험을 위한 설치 및 공간을 준비합니다.
- 냄새를 제거하기 위해 세제로 청소하십시오.
4. 폭발파 / 회전력 및 제어에 노출 된 설치류를위한 다운 스트림 응용 프로그램
참고 : 이전 연구에서, 폭발파와 회전력에 노출 된 후 다양한 시점에서 경증 내지 중등도의 TBI의 효과는 생화학적, 신경 병리학 적, 신경 생리 학적 및 행동 분석을 포함한 하류 응용 프로그램을 사용하여 설치류에서 평가되었습니다 19.
- 생화학 분석
- 정의된 실험 시점(경증 TBI 후 몇 시간 내지 일)에서, 19에 기술된 바와 같은 표준 프로토콜을 사용하여 생화학적 분석을 위해 조직(예를 들어, 뇌, 혈액)을 수확한다.
- 생화학적 분석(즉, 면역블롯팅, ELISA 등)을 위해 조직을 사용하여 신경생물학적 및 병리생리학적 과정에 대한 경미한 TBI의 효과를 평가한다.
- 신경병리학적 분석
- 정의된 실험 시점(경증 후 TBI 후 몇 시간 내지 며칠)에서, 설치류를 식염수 용액으로 경심으로 관류시킨 다음, 4% 파라포름알데히드 용액을 사용하여 19에 기술된 바와 같이 조직을 고정시킨다.
참고: 일부 적용은 파라포름알데히드 고정과 호환되지 않습니다 (예를 들어, 은 염색, 면역조직화학을 위한 일부 항체). - 해부학적, 조직학적 및 분자 분석을 위해 관류된 고정 조직을 사용하여 기술된 바와 같이 신경염증, 신경변성 및 신경화학적 변화를 포함하여 경미한 TBI와 관련된 신경병리학적 변화를 평가한다19.
- 정의된 실험 시점(경증 후 TBI 후 몇 시간 내지 며칠)에서, 설치류를 식염수 용액으로 경심으로 관류시킨 다음, 4% 파라포름알데히드 용액을 사용하여 19에 기술된 바와 같이 조직을 고정시킨다.
- 뇌 조각의 신경 생리 학적 분석
- 정의된 실험 시점(경증 TBI 이후 몇 시간에서 며칠)에 따라 설치류를 감금하여 희생하고, 뇌를 제거하고, 설명된 대로 뇌 조각을 준비합니다19.
- 기술된대로 전기생리학적 기록을 수행하여19 기저 시냅스 특성 및 시냅스 가소성에 대한 온화한 TBI의 효과를 평가한다.
- 행동 분석
- 정의된 실험 시점(경증 후 TBI 후 몇 시간 내지 며칠)에서, 운동 기능(예를 들어, 개방장, 로타로드, 운동 활동; 도 4D 참조) 및 학습 및 기억(예를 들어, 공포 조절, 반스 미로, 모리스 워터 미로)을 포함한 행동 성과를 평가한다.
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Representative Results
블라스트 웨이브 셋업의 확장성은 세 가지 상이한 멤브레인 두께, 25.4, 50.8 및 76.2 μm를 사용하여 시험하였다. 피크 압력 레벨은 압전 압력 센서를 사용하여 충격관 장치의 헤드 배치 영역 및 출구에서 평가되었다(그림 1 및 그림 2 참조). 피크 압력은 두 센서 위치에서 멤브레인 두께와 일치하여 증가하며(그림 3A,B), 피크 압력이 본질적으로 확장 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 설치 속성을 사용하여 시스템을 보정하고 2.3단계에서 설명한 대로 확장성을 평가할 수 있습니다.
생체내에서 블라스트 유도된 TBI의 효과를 평가하기 위해, 성인, 3개월령, 수컷, 야생형 C57Bl/6J 마우스는 여기에 설명된 프로토콜을 사용하여 이러한 설정에 의해 생성된 블라스트파에 노출되었다(도 1 및 도 2). 먼저, 우뢰 반사 시간(RRT)에 대한 2개의 상이한 막 두께(50.8 및 76.2 μm) 또는 가짜 처리로 생성된 블라스트파의 효과를 평가하였다(도 4A). 마취 후 마우스가 완전히 자신을 바로 잡기 위해 (지상에 4 발) 대기 시간은 RRT로 여기에서 결정됩니다. 마우스를 이소플루란 (일관된, 짧고 가벼운 마취)을 사용하여 마취시킨 다음, TBI 유도 또는 가짜 치료를 받았다. 부상 직후, 마우스는 회복하도록 허용되었고 우뢰 반사를 회복 할 시간이 기록되었습니다. 76.2 μm 멤브레인으로 생성된 블라스트파에 노출된 마우스는 동일한 마취 절차를 거친 가짜 대조군과 비교하여 RRT의 현저한 증가를 나타내었으며(도 4A), 이는 이러한 폭발파가 의식 상실을 유도함을 시사한다. 대조적으로, 50.8 μm 막으로부터 블라스트파에 노출된 마우스는 RRT에서 유의한 증가를 나타내지 않으며(도 4A), TBI의 온화한 형태를 나타낸다. 표준 76.2 μm 폴리에스테르 막의 파열은 대략 160 psi의 과압의 짧은 지속기간 블라스트 파동의 신속한 발생을 초래하며(도 3C), 이는 실험 절차 동안 피험자의 두개골의 좌측에 노출된다.
설치류에서 폭발파와 회전력에 노출 된 후에 발생하는 단기 생리 학적 효과는 현재 잘 특성화되지 않았습니다. 이 모델에서 폭발파 노출과 회전력의 급성 효과를 설명하기 위해 우리는 핵심 체온 조절과 체중을 평가했습니다. 성인, 3개월령, 수컷 야생형 C57Bl/6J 마우스의 온도 및 체중을 TBI 유도 후 기록하였다. 기준선 코어 체온 및 체중은 TBI 절차 또는 가짜 치료 전에 마우스에 기록되었다. 76.2 μm 막으로 생성된 블라스트파에 대한 노출은 TBI 유도 마우스에서 첫 번째 시간 동안 체온을 유의하게 감소시켰으며(도 4B), TBI 유도에 의해 생성된 유의한 생리학적 효과를 나타낸다. 일관되게, 76.2 μm 멤브레인을 사용하여 TBI를 실시한 마우스는 가짜에 비해 급성, 시간 의존적이면서도 TBI 후 하루 후 총 체중의 유의한 감소를 나타내었다 (도 4C).
TBI가 행동 결과에 미치는 영향을 조사하기 위해, 급성 운동 활성에 대한 폭발 유발 TBI의 효과를 분석하였다 (도 4D). 성인, 3개월령, 수컷 C57Bl/6J 마우스는 76.2 μm 막 또는 가짜 처리를 사용하여 TBI 유도를 받았고, TBI 후 3시간 동안 운동운동 활성을 30분 동안 모니터링하였다. 76.2 μm 멤브레인으로 생성된 블라스트파에 노출되면 운동 활성이 급격하고 유의하게 감소하였다(도 4D).
그림 1: 뮤린 폭발파 모델의 설정. (A-C) 마우스에 대한 폭발파 모델의 설정의 대표적인 이미지. 셋업의 측면도(A). 설정의 위쪽 보기(B). 1, 높은 유량 가스 조절기가있는 가스 실린더; 2, 9.53 mm 고압 유압 라인 및 빠른 연결 남성과 여성 부착물; 3, 충격 튜브의 드라이버 섹션; 4, 충격 튜브의 구동 섹션; 5, PVC 파이프 쉴드; 6, 머리 배치 영역; 7, 폴리 에스테르 멤브레인. 셋업의 개별 부품은 기계 슬라이드 테이블에 설치되므로 부상 유도를 받는 피사체와 관련하여 드라이버(3) 및 구동 섹션(4)을 정확하게 배치할 수 있습니다. (C) 압력 센서 배치를 사용한 설정의 상단도. 3개의 센서가 120도 간격(S1 - S3)의 충격관 출구에 있는 하나의 평면에 위치하여, TBI 유도 동안 폭발파 특성을 모니터링한다. 헤드 배치 영역에 하나의 센서가 설치된다(S4). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 뮤린 과압 충격관의 회로도. 정밀 가공 충격 튜브는 고장력강으로 만들어집니다. 드라이버 섹션의 내부 공간은 6도 각도로 기울어 져 있습니다. 드라이버 및 구동 섹션의 내부 직경은 37mm입니다. 드라이버 구동 섹션의 결합 표면은 완벽한 씰을 보장하기 위해 정밀하게 가공됩니다. 전체 충격 튜브는 산업 적으로 기계 슬라이드 테이블에 고정되어 폭발파 발생의 견고한 장착과 일관성을 보장합니다. 구동 섹션의 출구에서 구멍이 뚫려 (한 평면에서, 120 ° 떨어져) 세 개의 압력 센서 (*로 표시)를 설치합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 뮤린 폭발파 설정의 압력 기록. (A, B) 피크 압력은 확장 가능하며 폴리에스테르 멤브레인 두께에 따라 달라집니다. 압력 센서는 헬륨 가스 및 25.4, 50.8 또는 76.2 μm 두께의 폴리에스테르 멤브레인을 갖는 충격관에 의해 생성된 피크 압력을 기록하는데 사용되었다. (a) 헤드 배치 영역에서, 25.4 μm 멤브레인으로 생성된 평균 피크 압력은 428 ± 15.9 kPa, 50.8 μm 멤브레인 637 ± 21.4 kPa 및 76.2 μm 멤브레인 1257 ± 40.7 kPa (SEM, n = 7-12, 단방향 ANOVA 다음에 사후 Dunnett의 비교 테스트, *** P ≤ 0.001)이었다. (b) 충격관의 출구에서, 25.4 μm 멤브레인으로 기록된 평균 피크 압력은 164 ± 11.7 kPa이고, 50.8 μm 멤브레인 232 ± 11.7 kPa 및 76.2 μm 멤브레인 412 ± 11.0 kPa (SEM, n = 7-12, 단방향 ANOVA에 이어 포스트 혹 Dunnett의 비교 테스트, ** P ≤ 0.01, *** P ≤ 0.001). (c) 76.2 μm 멤브레인을 이용한 헤드 배치 영역(입사 센서)에서의 센서로부터의 압력 기록의 대표적인 그래프. 파형은 프리드랜더 파동과 유사하며, 뮤린 피사체에 대한 시간/지속 시간으로 스케일링됩니다. (D) 구동 섹션 내의 파형의 선형성/위상을 결정하기 위해 구동 섹션의 끝에 위치한 3개의 별개의 센서로부터의 압력 기록의 대표적인 그래프. 세 센서 모두(120도 간격으로 위치)는 비슷한 상승/하강 지속 시간을 보여 주므로 구동 구간을 떠나는 파형이 구동 섹션 내의 단면에서 유사함을 나타냅니다. 폭발파는 76.2 μm 멤브레인을 사용하여 발생하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: 블라스트-유도된 TBI의 급성 생체내 효과. (A) 중등도의 TBI이지만 경미한 TBI는 우회전 반사 시간(RRT)을 증가시킨다. 성인, 3개월령, 수컷, 야생형 C57Bl/6J 마우스는 헬륨 가스 및 50.8 또는 76.2 μm 두께의 폴리에스테르 멤브레인이 있는 쇼크튜브 또는 가짜 처리를 사용하여 TBI 절차를 거쳤다. 부상 또는 가짜 치료 직후, 마우스를 회복하도록 허용하고 RRT를 기록하였다. 50.8 μm 멤브레인 또는 가짜 처리를 사용한 TBI 유도는 RRT의 대등한 수준을 나타내었다. 대조적으로, 76.2 μm 멤브레인을 이용한 TBI 유도는 RRT를 증가시키며, 76.2 μm 멤브레인을 사용한 블라스트파에 의해 유도된 의식 상실을 지시한다(SEM, n=4-10, 샴 RRT = 35.6 ± 2.0초, 50.8 μm 멤브레인 RRT = 43.0 ± 4.3 s 및 76.2 μm 멤브레인 RRT = 254.0 ± 40.2 s, 단방향 ANOVA에 이어 사후 던넷의 비교 검정, P ≤ 0.001). (B) 중등도의 TBI는 코어 체온을 유의하게 일시적으로 감소시킨다. 성인, 3개월령, 수컷, 야생형 C57Bl/6J 마우스는 76.2 μm 멤브레인 또는 가짜 처리로 TBI 유도를 실시하였다. 그들의 코어 체온은 두 시간 동안 기록되었다. 기준선 코어 체온은 TBI 유도 전에 기록되었다. 76.2 μm 멤브레인을 사용한 블라스트-유도된 TBI는 TBI 후 첫 시간 내에 코어 체온의 현저한 강하와 관련된다. (SEM, n = 10, 양방향 반복 측정 ANOVA, 사후 Bonferroni의 다중 비교 테스트, ** P ≤ 0.01, *** P ≤ 0.001). (C) 중등도의 TBI는 체중의 일시적인 감소를 초래한다. 성인, 3개월령, 수컷 C57Bl/6J 마우스는 76.2 μm 멤브레인 또는 가짜 처리를 사용하여 TBI 절차를 거쳤다. 이어서, 체중을 5일 동안 기록하였다. 총 체중은 TBI 후 하루 동안 유의하게 감소되었다 (SEM, n = 7, 양방향 반복 측정 ANOVA 다음에 사후 Bonferroni의 다중 비교 테스트, * P ≤ 0.05). (d) 중등도의 TBI는 운동 활성의 급성 감소를 초래한다. 성인, 3개월령, 수컷 C57Bl/6J 마우스는 76.2 μm 멤브레인 또는 가짜 처리를 사용하여 TBI 절차를 거쳤다. TBI 후 3시간 후 운동 활성을 30분 동안 추적하고, 비디오 추적 소프트웨어(SEM, n=9-11, 짝을 이루지 않은 두 꼬리 t-test, **P=0.01)를 사용하여 정량화하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
우리는 여기에 비용 효율적이고 설정 및 실행이 쉽고 높은 처리량, 신뢰성 및 재현 가능한 실험 결과를 허용하는 전임상 경미한 TBI 모델을 제시합니다. 이 모델은 전신 손상의 혼란스러운 변수를 제한하면서 가벼운 TBI 메커니즘에 대한 집중적 인 조사를 허용하기 위해 말초 장기에 보호 차폐를 제공합니다. 대조적으로, 다른 폭발 모델은 말초 장기에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다2,39,40. 이 모델의 또 다른 장점은 다른 폭발 모델40의 고정된 위치와 비교하여 원하는 각도에서 폭발파를 전달할 수 있다는 것입니다. 이것은 뇌 취약성을 더 잘 이해하기 위해 집중적 인 해부학 적 연구를 가능하게합니다.
인간 폭발 관련 TBI를 연구하기 위해, TBI에 대한 관련 모델은 TBI 유도 동안 피험자가 경험한 것과 유사한 생체역학적 힘을 생성해야 한다. 임상적으로 관련된 모델은 또한 경미한 TBI를 앓고 있는 피험자에서 관찰되는 신경생물학적, 병리생리학적 및 행동적 결과를 유도해야 한다. 이전 연구에서, 여기에 제시된 폭발파 모델은 철저하게 조사되었으며17,19,21, 폭발파 역학 및 힘, 신경 염증, 축삭 손상 및 미세 혈관 손상을 포함하여 인간 TBI를 연상시키는 수많은 생물 물리학 적 및 신경 생물학적 측면이 평가되었습니다. 이들 연구는 TBI에 대한 이러한 전임상 블라스트파 모델이 임상 TBI와 관련된 신뢰할 수 있고 재현 가능한 신경생물학적 및 병리생리학적 변화를 일으킨다는 증거를 제공하였다.
또한, 군 인구 내에서 경증 폭발 TBI의 발생률이 증가함에 따라7,8, 경증 인간 TBI에 대한 이 다목적 설치류 모델은 연구자들에게 폭발 관련 TBI의 기초가 되는 과정을 조사하고 새로운 치료 전략을 탐구할 수 있는 귀중한 도구를 제공한다. 예를 들어, 우리의 모델은 신경 혈관 합병증을 보여 주며 유망한 치료 접근법으로서 혈관 개입의 중요성을 강조합니다.22,23,35. 일관되게 블라스트 TBI의 다른 전임상 모델도 신경 퇴행 및 행동 결핍과 관련된 신경 혈관 효과를 일으켰습니다.2,25,40,41,42,43.
이전의 연구19,21,22,23에 기초하여, 우리는 여기에 제시된 폭발파 모델이 인간 뇌진탕의 병리 생리학 및 병인학에 대한 조사에 매우 적합 할 수 있음을 입증했습니다. 대부분의 전임상 TBI 모델은 빠른 머리 가속 / 감속과 관련된 생체 역학 특성이 인간의 뇌진탕 발달을위한 예측 인자 임에도 불구하고 머리 움직임44을 허용하지 않습니다.45,46. 본원에 기술된 모델과 일치하여, 골드스타인과 동료들14은 폭발력에 의해 유도되는 빠른 머리 움직임이 아마도 회전력 및 전단에 기인하는 행동 결핍의 유도를 위한 전제 조건임을 보여주었다. 경미한 TBI에서 발생하고 뇌진탕에 반응하여 발생하는 병리 생리학적 변화에 대한 더 나은 이해는 또한 임상 바이오마커를 결정하고 TBI 치료제 개발을위한 새로운 표적을 식별하는 데 도움이 될 것입니다.
반복적 인 경미한 TBI (예 : 스포츠에서 경험하는 반복적 인 뇌진탕)에 따른 병리 생리학 적 변화 및 질병 진행에 대해서는 거의 알려져 있지 않습니다. 이 전임상 모델은 사망률이 거의 또는 전혀없는 반복적 인 경증 TBI에 대한 연구를 허용합니다. 대조적으로, 일부 TBI 모델은 심각한 부상을 입기 때문에 종종 추가 부상을 유발하기가 어렵거나 비인간적입니다. 또한, 심한 부상은 종종 돌이킬 수 없으며 미묘한 생리적 변화의 검출이 배제 될 수 있습니다. 이 모델은 또한 다양한 부상 간 간격에 대한 확장 가능한 조사를 허용합니다. 추가 특성화가 필요한 반복적 인 온화한 TBI에 대한 중요한 매개 변수입니다. TBI 후, 뇌 무결성을 보호하고 광범위한 신경 세포 사멸을 예방하는 데 도움이되는 CNS 손상 반응이 유발됩니다. 부상 반응은 실제로 초기 부상 후 짧은 시간 내에 다른 부상의 유도에 의해 크게 영향을받을 수 있습니다. 이 모델은 반복적 인 경증 TBI에 대한 임상 시험 설계의 중요한 측면 인 부상 간 간격의 조사를 허용합니다. 또한,이 확장 가능한 모델은 신속한 고처리량 워크 플로우를 허용하여 여러 매개 변수를 동시에 조사하고 새로운 중재의 치료 활동 평가를 용이하게합니다.
이 모델의 한 가지 한계는 튜브 출구와 동물의 머리 사이의 폭발파의 특성을 제어 할 수 없다는 것입니다. 충격관에서 빠져 나올 때 폭발파가 난기류이지만, 결과 측정은 설치류의 머리의 일관된 위치 지정으로 여전히 신뢰할 수 있고 재현 가능합니다18. 따라서 모든 연구 사이에 실험 설정 (즉, 헤드 위치 및 충격관 출구로부터의 거리)을 일정하게 유지하는 것이 중요합니다. 모델 설계 및 프로토콜을 최적화하기 위해 튜브 출구와 헤드 배치 영역 사이의 파형 역학을 측정하고(그림 3) 수치 시뮬레이션을 사용하여 모델링했습니다18. 미래의 프로젝트는 유한 요소 모델링을 통합하여 힘 역학이 두개골에서 수막, 뇌척수액, 그리고 마지막으로 뇌 조직으로 어떻게 전달되는지 결정할 것입니다. 힘 역학과 생물 물리학의 복잡한 상호 작용과 그로 인한 생리적 반응은 지금까지 탐구되지 않은 TBI 연구에서 중요한 영역입니다.
요약하면, 우리는 가벼운 TBI의 효과를 조사하기 위해 개발 된 폭발파 손상 모델의 프로토콜 및 시각화 된 실험을 여기에 제시합니다. 엔지니어, 의사 및 생물 의학 과학자의 집단적 경험은 생물 물리학 적 / 생리적 타당성 및 신경 생물학적 관련성의 최적화에 기여했습니다. 이 모델은 철저히 검증되었으며 특히 경미한 TBI17,19,20,21,22,23의 초기 역학을 이해하는 데 의미있는 결과를 이미 산출했습니다. 경미한 TBI를 더 연구하기 위해이 전임상 모델을 활용하면 TBI의 병리 생리학 및 병인학에 대한 우리의 이해가 크게 향상되고 TBI로 고통받는 환자의 이익을 위해 새로운 중재의 개발에 기여할 것입니다.
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Disclosures
저자들은 그들이 경쟁하는 이익이 없다고 선언합니다.
Acknowledgments
TBI 모델 개발에 기여한 R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet 및 J. Robson에게 감사드립니다. NARSAD Young Investigator Grants from the Brain & Behavior Research Foundation (F.P. and M.J.R.), Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer's Disease (F.P.) 및 PhRMA Foundation Award (M.J.R.)의 연구 보조금이이 연구를 지원했습니다. 이 연구는 미국 제약 교육 재단 (A.F.L 및 B.P.L.)의 박사 전 펠로우십을 통해 지원되었습니다.
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 |
References
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