Summary
Burada, hafif ila orta dereceli travmatik beyin hasarının nörobiyolojik ve patofizyolojik etkilerini araştırmak için kemirgenler için bir patlama dalgası modeli protokolü sunuyoruz. Patlamaya bağlı hafif ila orta dereceli travmatik beyin hasarının güvenilir ve tekrarlanabilir bir şekilde üretilmesini sağlayan basınç sensörleriyle donatılmış, gazla çalışan, tezgah üstü bir kurulum kurduk.
Abstract
Travmatik beyin hasarı (TBH) büyük ölçekli bir halk sağlığı sorunudur. Hafif TBI, nörotravmanın en yaygın şeklidir ve Amerika Birleşik Devletleri'nde çok sayıda tıbbi ziyarete neden olur. Şu anda TBI için FDA onaylı bir tedavi bulunmamaktadır. Askeri ilişkili, patlamaya bağlı TBI insidansının artması, etkili TBH tedavilerine olan acil ihtiyacı daha da vurgulamaktadır. Bu nedenle, insan patlaması ile ilişkili TBI'nın yönlerini özetleyen yeni klinik öncesi TBI hayvan modelleri, hafif ila orta dereceli TBI'nın altında yatan nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçlere yönelik araştırma çabalarını ve TBI için yeni terapötik stratejilerin geliştirilmesini büyük ölçüde ilerletecektir.
Burada, hafif ila orta derecede patlamaya bağlı TBI'nın moleküler, hücresel ve davranışsal etkilerinin araştırılması için güvenilir, tekrarlanabilir bir model sunuyoruz. Tutarlı test koşulları sağlamak için piezoelektrik basınç sensörleri ile donatılmış gazla çalışan bir şok tüpünden oluşan bir tezgah üstü kurulum kullanarak, kemirgenlerde kapalı kafalı, patlamaya bağlı hafif TBI için adım adım bir protokol açıklıyoruz. Kurduğumuz kurulumun faydaları, göreceli olarak düşük maliyeti, kurulum kolaylığı, kullanım kolaylığı ve yüksek verim kapasitesidir. Bu non-invaziv TBI modelinin diğer avantajları, patlama tepe aşırı basıncının ölçeklenebilirliğini ve kontrollü tekrarlanabilir sonuçların üretilmesini içerir. Bu TBH modelinin tekrarlanabilirliği ve alaka düzeyi, nörobiyolojik, nöropatolojik, nörofizyolojik ve davranışsal analizler de dahil olmak üzere bir dizi aşağı akış uygulamasında değerlendirilmiş ve bu modelin hafif ila orta dereceli TBI etiyolojisinin altında yatan süreçlerin karakterizasyonu için kullanılmasını desteklemektedir.
Introduction
Travmatik beyin hasarı (TBI), yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde her yıl iki milyondan fazla hastane ziyaretine neden olmaktadır. Genellikle araba kazalarından, spor etkinliklerinden veya düşmelerden kaynaklanan hafif TBI, tüm TBH vakalarının yaklaşık %80'ini temsil eder1. Hafif TBI 'sessiz hastalık' olarak kabul edilir, çünkü hastalar genellikle ilk hakareti takip eden günlerde ve aylarda açık semptomlar yaşamaz, ancak daha sonraki yaşamlarında TBI ile ilişkili ciddi komplikasyonlar geliştirebilir2. Ayrıca, patlamaya bağlı hafif TBI, askerlik hizmeti üyeleri arasında yaygındır ve kronik CNS disfonksiyonu ile ilişkilendirilmiştir3,4,5,6. Patlamaya bağlı hafif TBI7,8 insidansının artması nedeniyle, hafif TBI ile ilişkili nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçlerin klinik öncesi modellenmesi, TBI için yeni terapötik müdahalelerin geliştirilmesinde odak noktası haline gelmiştir.
Tarihsel olarak, TBI araştırması, nispeten daha düşük sayıda şiddetli insan TBI vakasına rağmen, öncelikle ciddi nörotravma formlarına odaklanmıştır. Şiddetli insan TBH'si için klinik öncesi kemirgen modelleri, her ikisi de güvenilir patofizyolojik etkiler üretmek için iyi kurulmuş olan kontrollü kortikal etki (CCI)9,10 ve sıvı perküsyon hasarı (FPI)11 modelleri de dahil olmak üzere geliştirilmiştir12,13. Bu modeller, bugün TBI'da nöroinflamasyon, nörodejenerasyon ve nöronal onarım hakkında bilinenlerin temelini atmıştır. TBİ'nin patofizyolojisi hakkında önemli bilgiler geliştirilmiş olmasına rağmen, şu anda TBI için etkili, FDA onaylı bir tedavi bulunmamaktadır.
Daha yakın zamanlarda, TBI araştırmasının odak noktası, etkili terapötik müdahaleler geliştirme nihai hedefi ile TBI ile ilişkili patolojilerin daha geniş bir spektrumunu içerecek şekilde genişletilmiştir. Bununla birlikte, hafif TBH için ölçülebilir etkiler gösteren az sayıda preklinik model oluşturulmuştur ve hafif TBI spektrumunu araştıran sadece az sayıda çalışma yapılmıştır2,14,15. Hafif TBH, tüm TBH vakalarının büyük çoğunluğunu oluşturduğundan, yeni terapötik stratejiler geliştirmek için insan durumunun etiyolojisi ve nöropatofizyolojisi üzerine araştırmaları kolaylaştırmak için hafif TBI'nın güvenilir modellerine acilen ihtiyaç vardır.
Biyomedikal mühendisleri ve havacılık fizikçileri ile birlikte, hafif ila orta TBI için ölçeklenebilir, kapalı başlı bir patlama dalgası modeli oluşturduk. Bu klinik öncesi kemirgen modeli, askeri mücadelede, spor etkinliklerinde, araba kazalarında ve düşmelerde elde edilen hafif TBI ile ilişkili patlama dalgaları ve hızlanma / yavaşlama hareketi de dahil olmak üzere kuvvet dinamiklerinin etkilerini araştırmak için özel olarak geliştirilmiştir. Patlama dalgaları, insanlarda hafif TBI'ya neden olan kuvvet dinamikleri ile ilişkili olduğundan, bu model, inç kare başına pound (psi) * milisaniye (ms) olarak ölçülen bir dürtü ile tutarlı bir Friedlander dalga formu üretmek üzere tasarlanmıştır. Dürtü seviyesi, klinik öncesi araştırmalar yapmak için fareler ve sıçanlar için tanımlanmış akciğer öldürücülük eğrilerinin altına düşecek şekilde ölçeklendirilir16,17,18. Ek olarak, bu model, hayvanın başının hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve contrecoup yaralanmasının araştırılmasına izin verir. Bu tür yaralanmalar, hem askeri hem de sivil popülasyonlarda gözlenenler de dahil olmak üzere çeşitli klinik TBI sunumlarına özgüdür. Bu nedenle, bu çok yönlü model, TBI'nın çoklu klinik sunumlarını kapsayan bir ihtiyaca uygundur.
Burada sunulan preklinik model, daha önceki bir dizi çalışmanın gösterdiği gibi, klinik hafif TBI ile ilişkili güvenilir ve tekrarlanabilir patofizyolojik değişiklikler üretir17,19,20,21,22,23. Bu modelle yapılan çalışmalar, düşük yoğunluklu bir patlama dalgasına maruz kalan sıçanların nöroinflamasyon, aksonal yaralanma, mikrovasküler hasar, nöronal hasara bağlı biyokimyasal değişiklikler ve kısa süreli plastisite ve sinaptik uyarılabilirlikte eksiklikler sergilediğini göstermiştir19. Bununla birlikte, bu hafif TBI modeli, orta ila şiddetli invaziv TBI modellerinin kullanıldığı çalışmalarda yaygın olarak gözlenen doku hasarı, kanama, hematom ve kontüzyon19 dahil olmak üzere makroskopik nöropatolojik değişikliklere neden olmamıştır10,24. Önceki araştırmalar19,21,22,23, bu klinik öncesi modelin hafif ve orta derecede TBI17,19,20,21,22,23'ün etyolojisinin altında yatan nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçleri karakterize etmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu model aynı zamanda yeni terapötik bileşiklerin ve stratejilerin test edilmesine ve etkili TBI müdahalelerinin geliştirilmesi için yeni, uygun hedeflerin belirlenmesine izin verir19,21,22,23.
Bu model, kemirgenlerde moleküler, hücresel ve davranışsal sonuçlar üzerindeki hızlı dönme kuvvetlerinin yanı sıra patlama dalgalarının neden olduğu etkileri araştırmak için geliştirilmiştir. Burada sunulan patlama dalgası modeline benzer şekilde, gazla çalışan aşırı basınç dalgaları kullanarak hafif ila orta TBI'yı özetlemeye çalışan bir dizi klinik öncesi model geliştirilmiştir2,14,17,25,26,27,28. Diğer modellerin sınırlamalarından bazıları şunlardır: hayvan tel örgülü bir gurney'e sabitlenir ve kafa darbe üzerine hareketsiz hale getirilir; periferik organlar, politravmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini yaratan beyne ek olarak dalgaya maruz kalır; ve modeller büyük ve sabittir, bu da kritik parametrelerin değiştirilmesini ve insan TBI'sını anımsatan daha iyi model koşullarına uyarlanmasını sınırlar.
Bu tezgah üstü, gazla çalışan şok tüpü kurulumunun faydaları, satın alma ve çalıştırma giderleri için göreceli düşük maliyetinin yanı sıra kurulum ve kullanım kolaylığıdır. Ayrıca, kurulum yüksek verimli çalışmaya ve kontrollü tekrarlanabilir patlama dalgalarının üretilmesine ve hem farelerde hem de sıçanlarda in vivo sonuçlara izin verir. Tutarlı test koşullarını (yani, sabit patlama dalgası ve aşırı basınç) kontrol etmek için kurulum, basınç sensörleri ile donatılmıştır. Bu modelin TBI için avantajları, yaralanma şiddetinin ölçeklenebilirliğini ve hafif TBI'nın invaziv olmayan, kapalı başlı bir prosedür kullanılarak indüklenmesini içerir. Zirve aşırı basıncı ve ardından gelen beyin hasarı, tutarlı bir şekilde ölçeklenebilir bir şekilde daha kalın polyester membranlarla artar17. TBI şiddetini membran kalınlığı ile ölçeklendirme yeteneği, spesifik sonuç ölçümlerinin (örneğin, nöroinflamasyon) belirginleştiği seviyeyi belirlemek için yararlı bir araçtır. Periferik organlar için koruyucu kalkan sağlanması, akciğer veya torasik yaralanma gibi sistemik yaralanmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini önleyerek veya azaltarak hafif TBI mekanizmalarına odaklanmış araştırmalara da izin verir. Dahası, bu kurulum, patlama dalgasının kafaya çarptığı / nüfuz ettiği yönün seçilmesine izin verir (yani, kafa kafaya, yana, üste veya alta) ve bu nedenle farklı TBI kaynaklı hakaret türleri araştırılabilir. Burada tarif edilen hafif ila orta dereceli TBI'yı indüklemek için standart prosedür, hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve kontrekupa yaralanması ile birlikte patlama dalgası yaralanmasının etkilerini değerlendirmek için yan maruziyeti kullanır. Ayrıca, sadece patlamaya bağlı yaralanmayı araştırmak için, yukarıdan aşağıya patlama dalgasına maruz kalma bu modelde kullanılabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokol, Cincinnati Üniversitesi ve West Virginia Üniversitesi'nin hayvan bakım yönergelerini takip etmektedir. Hayvanları içeren tüm prosedürler Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Komiteleri (IACUC) tarafından onaylanmış ve Laboratuvar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı Kılavuzu ilkelerine göre gerçekleştirilmiştir.
1. Patlatma TBI kurulumunun kurulumu
- Çelik tahrikli ve sürücü bölümünden oluşan şok borusu, polyester membran, sabitleme cıvataları, basınç sensörleri, çevresel organları korumak için polivinil klorür (PVC) boru kalkanı, 9,53 mm yüksek basınçlı hidrolik hat ve hızlı bağlantı erkek ve dişi ataşmanları, yüksek akışlı gaz regülatörü ve duvara montaj braketli bir gaz silindiri dahil olmak üzere kurulum için gerekli olan tüm çalışma parçalarını edinin. B ve Malzeme Tablosu).
NOT: Burada kullanılan tahrikli ve sürücü bölümünün özellikleri (bkz. Şekil 2 ve Malzeme Tablosu), farelerde hafif ila orta dereceli TBI'yı indüklemek için tutarlı bir kısa süreli ölçekli patlama dalgası (bkz. Şekil 3C, D) üretmek üzere oluşturulmuştur. Bu amaçla konik tasarımlı (6° konik) kısa sürücü bölümü seçilmiştir. Tahrik ve sürücü bölümlerinin uzunluğu ve çapı, özellikle patlama dalgası29,30,31,32, sıkıştırma dalgası18 veya şok dalgası dinamiklerini33 araştırmak için değiştirilebilir. Sıçanlarla yapılan deneyler için, şok tüpünün boyutlarının, ilgili vücut ölçekleme parametrelerini korumak için karşılaştırılabilir kuvvetler verecek şekilde uyarlanması gerekir17 (bkz. - Kurulumun bireysel çalışma parçalarını, hayvan deneyleri için onaylanmış laboratuvar alanında sağlam, temizlenmesi kolay bir yüzeye (tercihen kemirgenlerde kullanım için paslanmaz çelik) sabitlenmiş makine slayt tablolarına monte edin.
NOT: Patlama dalgası deneyleri önemli miktarda gürültü üretir; bu nedenle, ses emici laboratuvar alanında, gürültünün diğer deneylere/laboratuvar gruplarına müdahale etmeyeceği bir yer seçin.- PVC boru kalkanını şok tüpü kurulumuna dik olarak sabitleyin, böylece kemirgenin gövdesi tamamen kaplanır ve sadece kafa çıkıntı yapar.
NOT: Burada açıklanan hafif ila orta derecede TBI'yı indüklemek için standart prosedür için, başın merkezi, fareler için tahrik edilen bölümün sonundan 5 cm uzakta bulunur. - OSHA ve diğer tüm ilgili güvenlik düzenlemelerine uygun olarak kuruluma yakın duvara monte gaz silindiri.
NOT: Basınçlı hava, helyum veya azot gazı, kemirgen şok tüpü modellerinde patlama dalgalarını üretmek için yaygın olarak kullanılır. Burada sunulan tüm veriler helyum kullanılarak üretilmiştir, çünkü bu gaz daha kısa bir süre boyunca daha yüksek aşırı basınç üretir34 ve murin denekleri için uygun ölçeklendirmeye izin verir.
- PVC boru kalkanını şok tüpü kurulumuna dik olarak sabitleyin, böylece kemirgenin gövdesi tamamen kaplanır ve sadece kafa çıkıntı yapar.
2. Basınç sensörü kayıtları kullanılarak kurulum ve patlama dalgası özelliklerinin değerlendirilmesi.
- Şok tüpünü hazırlayın.
- Tutarlı kopma sağlamak için polyester membranı bükülmeden ve çatlak üretmeden dikkatlice kesin.
- Membranı tahrik ve sürücü bölümleri arasına yerleştirin. Bağlantı cıvatalarını sıkarak bölümleri sabitleyin.
- Sistemin hava geçirmez olduğundan ve membranın sürücü ve tahrik bölümleri arasında sıkıca sabitlendiğinden emin olun.
- Gaz deposunu 9,53 mm yüksek basınçlı hidrolik hortum ve ataşmanları şok borusuna hızlı bir şekilde bağlayın
NOT: Sürücü ve tahrikli kesitler, kesitler arasında tam bir membran sızdırmazlığı sağlamak için hassas toleranslara göre işlenir. Bu, gaz sızıntısına izin vermez ve herhangi bir conta / o-ring malzemesinin kullanılmasını engeller ve üretilen dalga formunda daha fazla tutarlılık sağlar.
- Patlama dalgalarını izlemek için basınç sensörlerini takın (bkz. Şekil 1C).
- Kafa yerleştirme alanına bir basınç sensörü ve şok tüpünün çıkışına üç sensör yerleştirin (bkz. Şekil 1C ve 2).
- Patlama dalgası uygulamasından hemen önce basınç sensörlerinden kaydı başlatın. Bir sensör sinyal şartlandırıcısı ve veri toplama kartı kullanarak basınç dalgası verilerini saniyede 500.000 kare hızında kaydedin (bkz.
NOT: Yeterli işitme koruması sağlamak için OHSA onaylı kulaklıklar takın. - Gaz akışının ani, hızlı bir basınç artışı oluşturmasına izin vermek için sıkıştırılmış gaz tankının ana valfini tamamen açın.
NOT: Gaz aşırı basıncı, polyester membranı parçalayarak tahrik edilen bölüm içinde bir sıkıştırma dalgasına dönüşen ve borudan kafa yerleştirme alanı yönünde çıkan bir şok dalgası serbest bırakır. - İşlemden hemen sonra gaz akışını kapatın.
NOT: Kurulum, gaz akışını otomatik olarak ve hızlı bir şekilde durdurmak için bir yaylı geri dönüş valfi ile donatılabilir. - Tepe aşırı basıncını ve grafik verilerini belirlemek için özel yazılı bilgisayar programını kullanarak basınç dalgası kayıtlarını analiz edin. Veriler, üretilen dalganın düzlemselliğini göstermek için her bir sensörle ayrı ayrı grafiklendirilebilir veya birbiri üzerine yerleştirilebilir (bkz. Şekil 3C,D).
NOT: Analiz teknik olarak daha kolay erişilebilir bir yazılım kullanılarak yapılabilir, ancak büyük veri kümeleri nedeniyle, bu programların grafikler oluşturmada uzun gecikmeleri vardır.
- Belirlenen TBI çalışmasının amacı için yeterli olan deneysel koşullar oluşturun ve modelin bir Friedlander dalgasıyla karşılaştırılabilir bir tepe aşırı basıncı, süresi ve dürtü ölçümü ile tutarlı bir patlama dalgası ürettiğini doğrulayın (bkz. Şekil 3). Yukarıda belirtilen bilgisayar yazılımını kullanarak bu parametreleri doğrulayın.
- 2.1.1 adımlarını tekrarlayarak kurulumu kalibre edin. 2.2.5'e kadar. ve kurulumun ayarlanması gerekip gerekmediğini belirlemek için basınç dalgası kayıtlarını kullanın (temsili veriler için bkz. Şekil 3).
- Kurulumu değiştirin (gerekirse).
NOT: Patlama dalgası özellikleri, kurulumdaki küçük değişikliklerle ayarlanabilir. Örneğin, başın tahrik edilen bölümün sonuna kadar olan mesafesi, kafa seviyesindeki patlama dalgası kuvvetini etkiler. Polyester membranın kalınlığı pik aşırı basınç seviyesini belirler ve daha kalın membranlar pik seviyelerini arttırır (bkz. Şekil 3A,B). Ek olarak, kurulum, patlama dalgasının kafaya çarptığı / nüfuz ettiği yönün seçilmesine izin verir (yani, kafa üstü, yan, üst veya alt) ve bu nedenle, tek başına patlama dalgası yaralanması veya hızlı dönme kuvvetleri nedeniyle darbe ve kontrekupa yaralanması ile kombinasyon halinde gibi farklı yönler araştırılabilir. - İstenen patlama dalgası özelliklerini (gerekirse) belirlemek ve tekrarlanabilirliği denetlemek için 2.1.1 ile 2.2.4 arasındaki adımları yineleyin.
- Kurulumun ölçeklenebilirliğini değerlendirmek için farklı kalınlıktaki polyester membranlarla 2.1.1 ila 2.2.4 arasındaki adımları tekrarlayın (temsili veriler için bkz. Şekil 3A,B).
3. Kemirgenlerde deneysel düzeneğin hazırlanması ve hafif TBI'nın indüklenmesi
NOT: İklimlendirmek için TBI deneylerinin başlamasından 30 dakika ila 1 saat önce kemirgenleri tutma alanına aktarın. Prosedürün gürültüsünden en az etkilenen tutma alanını seçin.
- Deney için gerekli tüm malzemeleri hazırlayın ve doğru kurulum için kurulumu kontrol edin (örneğin, parametreleri çalışmanın amacına göre ayarlayın) (~ 5 – 10 dakika).
NOT: Yaralanma şiddeti, polyester membranın kalınlığı seçilerek ayarlanabilir. Çalışmalarımıza dayanarak, farelerde hafif ila orta derecede TBI için 25,4 ila 102 μm'lik bir membran kalınlığı kullanılmaktadır35. Sıçanlarda hafif ila orta derecede TBI üretmek için daha önce 76,2 ila 127 μm kalınlığında membranlar kullanmıştık19.- Polyester membranı dikkatlice kesin, tahrik ve sürücü bölümleri arasına yerleştirin ve bağlantı cıvatalarını sıkarak sabitleyin.
- Hızlı serbest bırakma bağlantı parçaları kullanarak gaz tankını şok tüpüne bağlayın. Membranın sürücü ve tahrik bölümleri arasında sıkıca sabitlendiğinden emin olun.
- Adım 2.2.2 ve 2.2.5'te açıklandığı gibi TBI indüksiyonu sırasında patlama dalgası özelliklerini izlemek için şok tüpünün çıkışına 120 ° aralıklarla üç basınç sensörü yerleştirin.
- Şok tüpü aparatının ucundan olan mesafenin, takılı mikrometreyi kullanarak her bir konu için doğru olduğundan emin olun. Tutarlı yaralanma değerlendirmesine izin vermek için kemirgen başının pozisyonunu (yani pozisyon, mesafe) çalışmalar içinde sabit tutun.
NOT: 1.2.1.'de belirtildiği gibi, patlama dalgasının kafayı etkilediği yönün seçilmesiyle farklı yaralanma türleri indüklenebilir. Burada tarif edilen hafif ila orta dereceli TBI'yı indüklemek için prosedür için, vücut, patlama dalgasının başın yan tarafını etkilediği şok tüpüne dik olarak yerleştirilir. Bu ortamda, kafanın serbest hareketliliğine izin verilir ve bu nedenle darbe ve kontrekupa etkilerinin üretilmesine izin veren patlama dalgasına ve hızlı dönme kuvvetlerine maruz kalır. - Yazılımın grafik kullanıcı arayüzünü (GUI) kullanarak basınç sensörlerinden kaydı başlatın.
- Anestezi ve kemirgenlerin kurulumda konumlandırılması
- Kemirgenleri tutma odasından transfer edin ve oksijende% 4 izofluran ile anesteziyi indükleyin ve sıkıntı ve ağrıyı azaltmak için oksijende% 2 izofluran ile koruyun.
NOT: Devam etmeden önce hayvanın ayak parmağına veya kuyruk sıkışmasına tepki vermediğinden emin olun. Anestezi indüksiyonunun, sahte kontroller de dahil olmak üzere tüm deney hayvanları için tutarlı olduğundan emin olun. Bu prosedür düşük seviyeli ve kısa süreli anestezi gerektirir. - Tamamen anestezi altındaki kemirgenleri, periferik organları patlama dalgasından korumak için yastıklama ile PVC boru kalkanına yerleştirin.
NOT: Kontrol denekleri anestezi altına alınır ve kuruluma yakın bir yere yerleştirilir, ancak doğrudan patlama dalgasına maruz bırakılmaz. Kontrollerin şok tüpü tarafından üretilen gürültüye maruz kaldığından emin olun. - Kemirgenin başını kafa yerleştirme alanına yerleştirin ve doğrudan koruma aparatına yerleştirilmiş bir destek veya bir gazlı bez pedi ile aşağıdan destekleyin. Her bir kemirgenin anatomisine göre, koruyucu kalkanın kenarı ile hizalanmış oksipital kondil ile baş hizalamasını belirleyin.
NOT: Mortaliteyi azaltmak için basınç dalgasını doğrudan beyin sapına yönlendirmekten kaçının. Beyin sapının solunum merkezi ve servikal omuriliğin yaralanmasının, TBI36,37,38'in kemirgen modellerinde solunum anormalliklerine ve hatta ölüme katkıda bulunduğu bilinmektedir.
- Kemirgenleri tutma odasından transfer edin ve oksijende% 4 izofluran ile anesteziyi indükleyin ve sıkıntı ve ağrıyı azaltmak için oksijende% 2 izofluran ile koruyun.
- Kemirgenlerin patlama dalgasına maruz kalması.
- Membranı parçalayan bir basınç artışı üretmek ve bir basınç dalgasının oluşumunu doğrulayan yüksek bir patlama üretmek için sıkıştırılmış gaz tankının ana valfini hızla açın. Membran, deneyden sonra çıkarıldığında görsel olarak yırtılacaktır.
NOT: Daha fazla analiz için kemirgenin yaşadığı dönme ivmesinin darbe ve kontrekupa etkilerini yakalamak için yüksek hızlı bir kamera kullanılabilir. - Patlamayı duyduktan hemen sonra gaz akışını kapatın.
- Membranı parçalayan bir basınç artışı üretmek ve bir basınç dalgasının oluşumunu doğrulayan yüksek bir patlama üretmek için sıkıştırılmış gaz tankının ana valfini hızla açın. Membran, deneyden sonra çıkarıldığında görsel olarak yırtılacaktır.
- Patlama dalgasına maruz kalmaktan kurtarma
- Patlama dalgasına maruz kaldıktan sonra, kemirgeni cihazdan çıkarın ve yanlarındaki şok tüpüne doğrudan bitişik düz bir yüzeye yerleştirin.
- Doğru refleks süresini (RRT) belirlemek için denekleri izleyin. Patlama dalgasına maruz kalmadan, doğal sağ refleksi yeniden kazanana kadar geçen süreyi kaydetmek için bir kronometre kullanın. (bkz. Şekil 4A).
- Denekler haklı reflekslerini geri kazanır kazanmaz, onları sonraki 24 saat boyunca advers reaksiyonlar (yani nöbetler, nefes almada zorluk, bedensel bir delikten kanama) açısından izlendikleri kendi ev kafeslerine yerleştirin.
- İlk izleme periyodundan sonra, denekler araştırmacının seçtiği çeşitli biyokimyasal, nöropatolojik, nörofizyolojik ve davranışsal testler kullanılarak analiz edilebilir (aşağıya bakınız).
- Bir sonraki deneme için kurulumu ve alanı hazırlayın.
- Kokuyu gidermek için kurulumu deterjanla temizleyin.
4. Patlama dalgası / dönme kuvvetlerine ve kontrollerine maruz kalan kemirgenler için aşağı akış uygulamaları
NOT: Önceki çalışmalarda, bir patlama dalgasına ve dönme kuvvetlerine maruz kaldıktan sonra çeşitli zaman noktalarında hafif ila orta dereceli TBI'nın etkileri, biyokimyasal, nöropatolojik, nörofizyolojik ve davranışsal analizler de dahil olmak üzere aşağı akış uygulamaları kullanılarak kemirgenlerde değerlendirilmiştir19.
- Biyokimyasal analiz
- Tanımlanmış deneysel zaman noktalarında (hafif TBI sonrası saatlerden günlere), açıklandığı gibi standart protokolleri kullanarak biyokimyasal analiz için doku (örneğin, beyin, kan) hasat edin19.
- Hafif TBI'nın nörobiyolojik ve patofizyolojik süreçler üzerindeki etkisini değerlendirmek için biyokimyasal analiz (yani, immünoblotlama, ELISA, vb.) için doku kullanın.
- Nöropatolojik analiz
- Tanımlanmış deneysel zaman noktalarında (hafif TBI'dan sonraki saatlerden günlere kadar), kemirgenleri transkardiyal olarak salin çözeltisi ile perfüze edin ve ardından dokuyu tarif edildiği gibi% 4 paraformaldehit çözeltisi izledi19.
NOT: Bazı uygulamalar paraformaldehit fiksasyonu ile uyumlu değildir (örneğin, gümüş boyama, immünohistokimya için bazı antikorlar). - Tarif edildiği gibi nöroinflamasyon, nörodejenerasyon ve nörokimyasal değişiklikler dahil olmak üzere hafif TBI ile ilişkili nöropatolojik değişiklikleri değerlendirmek için anatomik, histolojik ve moleküler analizler için perfüzasyonlu, sabit doku kullanın19.
- Tanımlanmış deneysel zaman noktalarında (hafif TBI'dan sonraki saatlerden günlere kadar), kemirgenleri transkardiyal olarak salin çözeltisi ile perfüze edin ve ardından dokuyu tarif edildiği gibi% 4 paraformaldehit çözeltisi izledi19.
- Beyin dilimlerinde nörofizyolojik analiz
- Tanımlanmış deneysel zaman noktalarında (hafif TBI'dan sonraki saatlerden günlere), kemirgenleri kafa kesme yoluyla kurban edin, beyni çıkarın ve açıklandığı gibi beyin dilimleri hazırlayın19.
- Hafif TBI'nın bazal sinaptik özellikler ve sinaptik plastisite üzerindeki etkisini değerlendirmek için açıklandığı gibi elektrofizyolojik kayıtlar yapın19 .
- Davranış analizi
- Tanımlanmış deneysel zaman noktalarında (hafif TBI'dan sonraki saatlerden günlere), motor fonksiyon (örneğin, açık alan, rotarod, lokomotor aktivite; bkz. Şekil 4D) ve öğrenme ve hafıza (örneğin, korku koşullandırma, Barnes labirenti, Morris su labirenti) dahil olmak üzere davranışsal performansı değerlendirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Patlama dalgası kurulumunun ölçeklenebilirliği, 25,4, 50,8 ve 76,2 μm olmak üzere üç farklı membran kalınlığı kullanılarak test edilmiştir. Pik basınç seviyeleri, piezoelektrik basınç sensörleri kullanılarak kafa yerleştirme alanında ve şok tüpü aparatının çıkışında değerlendirilmiştir (bkz. Şekil 1 ve Şekil 2). Pik basınçlar, her iki sensör konumundaki membran kalınlığı ile uyumlu olarak artar (Şekil 3A, B), bu da pik basıncın doğada ölçeklenebilir olduğunu gösterir. Kurulumun bu özelliği, sistemi kalibre etmek ve adım 2.3'te açıklandığı gibi ölçeklenebilirliğini değerlendirmek için kullanılabilir.
Patlamaya bağlı TBI'nın in vivo etkilerini değerlendirmek için, yetişkin, 3 aylık, erkek, vahşi tip C57Bl / 6J fareleri, burada açıklanan protokol kullanılarak bu kurulum tarafından üretilen patlama dalgalarına maruz bırakılmıştır (Şekil 1 ve Şekil 2). İlk olarak, iki farklı membran kalınlığında (50.8 ve 76.2 μm) üretilen patlama dalgalarının veya sahte tedavinin doğru refleks süresi (RRT) üzerindeki etkileri değerlendirildi (Şekil 4A). Anestezi sonrası farelerin kendilerini tam olarak düzeltme gecikmesi (yerde 4 pençe) burada RRT olarak belirlenir. Fareler izofluran (tutarlı, kısa ve hafif anestezi) kullanılarak anestezi altına alındı ve daha sonra TBI indüksiyonu veya sahte tedavi uygulandı. Yaralanmanın hemen ardından, farelerin iyileşmesine izin verildi ve sağ refleksi yeniden kazanmak için zaman kaydedildi. 76.2 μm membran ile üretilen bir patlama dalgasına maruz kalan fareler, aynı anestezi prosedürüne tabi tutulan sahte kontrollere kıyasla RRT'de önemli bir artış göstermiştir (Şekil 4A), bu patlama dalgasının bilinç kaybına neden olduğunu düşündürmektedir. Buna karşılık, 50.8 μm membrandan bir patlama dalgasına maruz kalan fareler, hafif TBI formunun göstergesi olan RRT'de (Şekil 4A) önemli bir artış göstermez. Standart bir 76.2 μm polyester membranın yırtılması, deney prosedürü sırasında deneğin kafatasının sol tarafının maruz kaldığı yaklaşık 160 psi aşırı basıncın (Şekil 3C) kısa süreli bir patlama dalgasının hızlı bir şekilde üretilmesine neden olur.
Kemirgenlerde patlama dalgası ve dönme kuvvetlerine maruz kaldıktan sonra ortaya çıkan kısa vadeli fizyolojik etkiler şu anda iyi karakterize edilmemiştir. Bu modelden patlama dalgasına maruz kalmanın ve dönme kuvvetlerinin akut etkilerini tanımlamak için, çekirdek vücut ısısı regülasyonu ve vücut ağırlığını değerlendirdik. TBI indüksiyonunu takiben yetişkin, 3 aylık, erkek vahşi tip C57Bl / 6J farelerin sıcaklığı ve vücut ağırlığı kaydedildi. TBI prosedürü veya sahte tedaviden önce farelerde temel çekirdek vücut ısısı ve vücut ağırlığı kaydedildi. 76.2 μm membran ile üretilen bir patlama dalgasına maruz kalmak, TBI kaynaklı farelerde ilk saat boyunca vücut ısısını, sahte kontrollerine kıyasla önemli ölçüde azaltmıştır (Şekil 4B), TBI indüksiyonu tarafından üretilen önemli bir fizyolojik etkinin göstergesidir. Sürekli olarak, 76.2 μm membranlar kullanılarak TBI'ya maruz kalan fareler, TBI'dan bir gün sonra toplam vücut ağırlığında akut, zamana bağlı ancak önemli bir azalma sergilemiştir (Şekil 4C).
TBH'nin davranışsal sonuçlar üzerindeki etkisini incelemek amacıyla, patlamaya bağlı TBH'nin akut lokomotor aktivite üzerindeki etkisi analiz edilmiştir (Şekil 4D). Yetişkin, 3 aylık, erkek C57Bl / 6J farelere 76.2 μm membran veya sahte tedavi kullanılarak TBI indüksiyonu uygulandı ve lokomotor aktivite TBI'dan üç saat sonra 30 dakika boyunca izlendi. 76.2 μm membran ile üretilen bir patlama dalgasına maruz kalmak, lokomotor aktivitede akut ve önemli bir azalmaya neden olmuştur (Şekil 4D).
Resim 1: Murin patlama dalgası modelinin kurulumu. (A-C) Fareler için patlama dalgası modelinin kurulumunun temsili görüntüleri. Kurulumun yandan görünümü (A). Kurulumun üstten görünümü (B). 1, yüksek akışlı gaz regülatörlü gaz silindiri; 2, 9.53 mm yüksek basınçlı hidrolik hat ve hızlı bağlantı erkek ve dişi ataşmanlar; 3, şok tüpünün sürücü bölümü; 4, şok tüpünün tahrik edilen bölümü; 5, PVC boru kalkanı; 6, kafa yerleştirme alanı; 7, polyester membran. Kurulumun münferit parçaları, yaralanma indüksiyonuna maruz kalan konuyla ilgili olarak sürücünün (3) ve tahrik edilen bölümlerin (4) hassas bir şekilde konumlandırılmasını sağlayan makine kaydırma tablalarına monte edilmiştir. (C) Basınç sensörü yerleşimleri ile kurulumun üstten görünümü. TBI indüksiyonu sırasında patlama dalgası özelliklerini izlemek için şok tüpünün çıkışında, 120 derece aralıklarla (S1 - S3) bir düzlemde üç sensör bulunur. Bir sensör kafa yerleştirme alanına (S4) monte edilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 2: Murin aşırı basınç şok tüpünün şeması. Hassas işlenmiş şok borusu, yüksek çekme dayanımlı çelikten yapılmıştır. Sürücü bölümünün iç alanı 6 derece açılıdır. Sürücü ve tahrik bölümünün iç çapı 37 mm'dir. Sürücü tahrikli bölümlerin çiftleşme yüzeyleri, tam sızdırmazlık sağlamak için hassas bir şekilde işlenmiştir. Tüm şok tüpü, sağlam montaj ve patlama dalgası üretiminin tutarlılığını sağlamak için endüstriyel olarak bir makine kaydırma tablasına kenetlenmiştir. Tahrikli bölümün çıkışında, üç basınç sensörünü (* ile gösterilir) monte etmek için delikler açılır (bir düzlemde, 120 ° aralıkta). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 3: Murin patlama dalgası kurulumundan basınç kayıtları. (A,B) Pik basınç ölçeklendirilebilir ve polyester membran kalınlığına bağlıdır. Basınç sensörleri, 25.4, 50.8 veya 76.2 μm kalınlığında helyum gazı ve polyester membranlarla şok tüpü tarafından üretilen pik basınçları kaydetmek için kullanıldı. (A) Kafa yerleştirme alanında, 25,4 μm membranlarla üretilen ortalama tepe basıncı 428 ± 15,9 kPa, 50,8 μm membran 637 ± 21,4 kPa ve 76,2 μm membran ile 1257 ± 40,7 kPa (SEM, n = 7-12, tek yönlü ANOVA ve ardından post-hoc Dunnett'in karşılaştırma testi, *** P ≤ 0,001) idi. (B) Şok tüpünün çıkışında, 25,4 μm membranlarla kaydedilen ortalama tepe basıncı 164 ± 11,7 kPa, 50,8 μm membran 232 ± 11,7 kPa ve 76,2 μm membran ile 412 ± 11,0 kPa (SEM, n = 7-12, tek yönlü ANOVA ve ardından post-hoc Dunnett'in karşılaştırma testi, ** P ≤ 0,01, *** P ≤ 0,001) idi. (C) 76,2 μm'lik bir membran kullanılarak kafa yerleştirme alanındaki sensörden (olay sensörü) gelen basınç kaydının temsili grafiği. Dalga formu, murin denekleri için zaman / süre olarak ölçeklendirilmiş bir Friedlander dalgasınınkine benzer. (D) Tahrik edilen bölüm içindeki dalga formunun doğrusallığını/fazını belirlemek için tahrik edilen bölümün sonunda bulunan 3 ayrı sensörden gelen basınç kaydının temsili grafiği. Her üç sensör de (120 derece aralıklarla yerleştirilmiş), tahrik edilen bölümden çıkan dalga formunun tahrik edilen bölüm içindeki enine kesitte benzer olduğunu gösteren benzer bir yükselme / düşme süresi gösterir. Patlama dalgası 76.2 μm'lik bir membran kullanılarak üretildi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Patlamaya bağlı TBI'nın akut in vivo etkileri. (A) Orta TBI, ancak hafif TBI değil, sağ refleks süresini (RRT) arttırır. Yetişkin, 3 aylık, erkek, vahşi tip C57Bl / 6J fareleri, helyum gazı ve 50.8 veya 76.2 μm kalınlığında polyester membranlı şok tüpü veya sahte muamele kullanılarak TBI prosedürlerine tabi tutuldu. Yaralanma veya sahte tedavinin hemen ardından, farelerin iyileşmesine izin verildi ve RRT kaydedildi. 50.8 μm membran veya sahte tedavi ile TBI indüksiyonu, karşılaştırılabilir RRT seviyeleri sergilemiştir. Buna karşılık, 76.2 μm membran kullanılarak TBI indüksiyonu, 76.2 μm membran ile patlama dalgasının neden olduğu bilinç kaybının göstergesi olan RRT'yi arttırır (SEM, n = 4-10, Sham RRT = 35.6 ± 2.0 s, 50.8 μm membran RRT = 43.0 ± 4.3 s ve 76.2 μm membran RRT = 254.0 ± 40.2 s, tek yönlü ANOVA ve ardından post-hoc Dunnett'in karşılaştırma testi, P ≤ 0.001). (B) Orta TBI, çekirdek vücut ısısını önemli ölçüde ve geçici olarak azaltır. Yetişkin, 3 aylık, erkek, vahşi tip C57Bl / 6J fareler, 76.2 μm membran veya sahte tedavi ile TBI indüksiyonuna tabi tutuldu. Çekirdek vücut sıcaklıkları iki saat boyunca kaydedildi. Temel çekirdek vücut ısısı TBI indüksiyonundan önce kaydedildi. 76.2 μm membranlı patlama kaynaklı TBI, TBI sonrası ilk saat içinde çekirdek vücut ısısında önemli bir düşüş ile ilişkilidir. (SEM, n = 10, iki yönlü tekrarlanan ölçümler ANOVA, ardından post-hoc Bonferroni'nin çoklu karşılaştırma testleri, ** P ≤ 0.01, *** P ≤ 0.001). (C) Orta derecede TBI, vücut ağırlığında geçici bir azalmaya neden olur. Yetişkin, 3 aylık, erkek C57Bl / 6J fareler, 76.2 μm membranlar veya sahte tedavi kullanılarak TBI prosedürlerine tabi tutuldu. Daha sonra, vücut ağırlıkları 5 gün boyunca kaydedildi. Toplam vücut ağırlığı, TBI sonrası bir günde anlamlı olarak azalmıştır (SEM, n = 7, iki yönlü tekrarlanan ölçümler ANOVA, ardından post-hoc Bonferroni'nin çoklu karşılaştırma testleri, * P ≤ 0.05). (D) Orta TBI, lokomotor aktivitede akut azalmaya neden olur. Yetişkin, 3 aylık, erkek C57Bl / 6J fareler, 76.2 μm membranlar veya sahte tedavi kullanılarak TBI prosedürlerine tabi tutuldu. TBI sonrası üç saatlik lokomotor aktivite 30 dakika boyunca izlendi ve video izleme yazılımı kullanılarak ölçüldü (SEM, n = 9-11, eşlenmemiş iki kuyruklu t-testi, ** P = 0.01). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Burada, uygun maliyetli, kurulumu ve yürütülmesi kolay ve yüksek verimli, güvenilir ve tekrarlanabilir deneysel sonuçlara izin veren preklinik hafif TBI modelini sunuyoruz. Bu model, sistemik yaralanmanın kafa karıştırıcı değişkenlerini sınırlarken, hafif TBI mekanizmalarına odaklanmış araştırmalara izin vermek için periferik organlara koruyucu kalkan sağlar. Buna karşılık, diğer patlama modellerinin periferik organlara zarar verdiği bilinmektedir2,39,40. Bu modelin bir diğer avantajı, diğer patlama modellerindeki sabit konuma kıyasla patlama dalgasını istenen herhangi bir açıdan iletebilmesidir40. Bu, beyin kırılganlığını daha iyi anlamak için odaklanmış anatomik çalışmalara izin verir.
İnsan patlaması ile ilişkili TBI'yı incelemek için, TBI için ilgili bir model, TBI indüksiyonu sırasında deneklerin deneyimledikleriyle karşılaştırılabilir biyomekanik kuvvetler üretmelidir. Klinik olarak ilgili bir model, hafif TBI'dan muzdarip deneklerde gözlenen nörobiyolojik, patofizyolojik ve davranışsal sonuçları da indüklemelidir. Önceki çalışmalarda, burada sunulan patlama dalgası modeli kapsamlı bir şekilde incelenmiştir17,19,21 ve patlama dalgası dinamikleri ve kuvvetleri, nöroinflamasyon, aksonal yaralanma ve mikrovasküler hasar dahil olmak üzere insan TBI'sını hatırlatan çok sayıda biyofiziksel ve nörobiyolojik yön değerlendirilmiştir. Bu çalışmalar, TBH için bu klinik öncesi patlama dalgası modelinin, klinik TBI ile ilişkili güvenilir ve tekrarlanabilir nörobiyolojik ve patofizyolojik değişiklikler ürettiğine dair kanıtlar sağlamıştır.
Ayrıca, askeri popülasyonda hafif patlama TBI insidansının artması7,8, hafif insan TBI için bu çok yönlü kemirgen modeli, araştırmacılara patlama ile ilişkili TBI'nın altında yatan süreçleri araştırmak ve yeni terapötik stratejileri keşfetmek için değerli bir araç sunmaktadır. Örneğin, modelimiz nörovasküler komplikasyonları göstermektedir ve umut verici bir terapötik yaklaşım olarak vasküler müdahalenin önemini vurgulamaktadır22,23,35. Sürekli olarak, diğer preklinik blast TBI modelleri de nörodejenerasyon ve davranışsal eksikliklerle ilişkili nörovasküler etkiler üretmiştir2,25,40,41,42,43.
Önceki araştırmalara dayanarak19,21,22,23, burada sunulan patlama dalgası modelinin insan sarsıntısının patofizyolojisi ve etiyolojisinin araştırılması için çok uygun olabileceğini belirledik. Çoğu preklinik TBH modeli44 hızlı kafa ivmesi/yavaşlaması ile ilişkili biyomekanik özellikler insanlarda sarsıntı gelişimi için öngörücü bir faktör olmasına rağmen45,46 kafa hareketine izin vermez. Goldstein ve meslektaşları14, burada açıklanan modelle tutarlı olarak, patlama kuvvetlerinin neden olduğu hızlı kafa hareketinin, muhtemelen dönme kuvvetleri ve kesme nedeniyle davranışsal eksikliklerin indüksiyonu için bir ön koşul olduğunu göstermiştir. Hafif TBH'de ve sarsıntıya yanıt olarak meydana gelen patofizyolojik değişikliklerin daha iyi anlaşılması, klinik biyobelirteçlerin belirlenmesine ve TBI tedavilerinin geliştirilmesi için yeni hedeflerin belirlenmesine yardımcı olacaktır.
Patofizyolojik değişiklikler ve tekrarlayan hafif TBI sonrası hastalığın ilerlemesi hakkında çok az şey bilinmektedir (örneğin, sporda yaşanan tekrarlayan sarsıntı). Bu preklinik model, mortalitesi çok az olan veya hiç olmayan tekrarlayan hafif TBI'nın incelenmesine izin verir. Buna karşılık, bazı TBI modelleri ciddi yaralanmalara neden olur ve bu nedenle daha fazla yaralanmaya neden olmak genellikle zor veya insanlık dışıdır. Ek olarak, ciddi yaralanmalar genellikle onarılamaz ve ince fizyolojik değişikliklerin tespiti engellenebilir. Bu model aynı zamanda çeşitli yaralanmalar arası aralıkların ölçeklenebilir bir şekilde araştırılmasına izin verir; tekrarlayan hafif TBI için daha fazla karakterizasyon gerektiren kritik bir parametredir. TBI'dan sonra, beyin bütünlüğünü korumaya ve yaygın nöronal hücre ölümünü önlemeye yardımcı olan bir CNS hasarı yanıtı tetiklenir. Yaralanma yanıtı, aslında, ilk yaralanmadan sonra kısa bir süre içinde başka bir yaralanmanın indüksiyonundan önemli ölçüde etkilenebilir. Bu model, tekrarlayan hafif TBI için klinik çalışma tasarımının önemli bir yönü olan yaralanmalar arası aralığın araştırılmasına izin verir. Dahası, bu ölçeklenebilir model, aynı anda birden fazla parametrenin araştırılmasını ve yeni müdahalelerin terapötik aktivitesinin değerlendirilmesini kolaylaştıran hızlı bir yüksek verimli iş akışına izin verir.
Bu modelin bir sınırlaması, tüp çıkışı ile hayvanın başı arasındaki patlama dalgasının özelliklerini kontrol edememektir. Şok tüpünden çıktıktan sonra patlama dalgası çalkantılı olmasına rağmen, sonuç ölçümleri kemirgen başının tutarlı bir şekilde konumlandırılmasıyla hala güvenilir ve tekrarlanabilirdir18. Bu nedenle, tüm çalışmalar arasında deney ayarlarının (yani, kafa pozisyonu ve şok tüpü çıkışından uzaklığı) sabit tutulması önemlidir. Model tasarımını ve protokolünü optimize etmek için, tüp çıkışı ile kafa yerleştirme alanı arasındaki dalga formu dinamikleri ölçülmüş (Şekil 3) ve sayısal simülasyonlar kullanılarak modellenmiştir18. Gelecekteki projeler, kuvvet dinamiklerinin kafatasından meninkslere, beyin omurilik sıvısına ve son olarak beyin dokusuna nasıl aktarıldığını belirlemek için sonlu elemanlar modellemesini entegre edecektir. Kuvvet dinamikleri ve biyofiziğin karmaşık etkileşimi ve bunun sonucunda ortaya çıkan fizyolojik tepkiler, TBI araştırmalarında şimdiye kadar keşfedilmemiş olan önemli alanlardır.
Özetle, burada hafif TBI'nın etkilerini araştırmak için geliştirilmiş bir patlama dalgası yaralanması modelinin bir protokolünü ve görselleştirilmiş deneyini sunuyoruz. Mühendislerin, doktorların ve biyomedikal bilim adamlarının kolektif deneyimleri, biyofiziksel / fizyolojik geçerliliğinin ve nörobiyolojik alaka düzeyinin optimizasyonuna katkıda bulunmuştur. Bu model tamamen doğrulanmıştır ve özellikle hafif TBI17,19,20,21,22,23'ün erken dinamiklerini anlamada anlamlı sonuçlar vermiştir. Hafif TBH'yi daha fazla incelemek için bu preklinik modelden yararlanmak, TBI'nın patofizyolojisi ve etiyolojisi hakkındaki anlayışımızı önemli ölçüde geliştirecek ve TBI'dan muzdarip hastaların yararına yeni müdahalelerin geliştirilmesine katkıda bulunacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar, rakip çıkarları olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet ve J. Robson'a TBI modelinin geliştirilmesine katkılarından dolayı teşekkür ederiz. Beyin ve Davranış Araştırma Vakfı'ndan (F.P. ve M.J.R.) NARSAD Genç Araştırmacı Hibeleri, Darrell K. Kraliyet Alzheimer Hastalığı Araştırma Fonu'ndan (F.P.) bir Araştırma Bursu ve bir PhRMA Vakfı Ödülü (M.J.R.) bu araştırmayı destekledi. Bu çalışma, Amerikan Farmasötik Eğitim Vakfı'ndan (A.F.L ve B.P.L.) DOKTORA ÖNCESI burslarla desteklenmiştir.
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
- Bazarian, J. J., et al. Mild traumatic brain injury in the United States, 1998--2000. Brain Injury. 19 (2), 85-91 (2005).
- Meabon, J. S., et al. Repetitive blast exposure in mice and combat veterans causes persistent cerebellar dysfunction. Science Translational Medicine. 8 (321), (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jorge, R. E., et al. White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. American Journal of Psychiatry. 169 (12), 1284-1291 (2012).
- 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).
- Eskridge, S. L., et al. Injuries from combat explosions in Iraq: injury type, location, and severity. Injury. 43 (10), 1678-1682 (2012).
- Lighthall, J. W. Controlled cortical impact: a new experimental brain injury model. Journal of Neurotrauma. 5 (1), 1-15 (1988).
- 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).
- McIntosh, T. K., et al. Traumatic brain injury in the rat: characterization of a lateral fluid-percussion model. Neuroscience. 28 (1), 233-244 (1989).
- Thompson, H. J., et al. Lateral fluid percussion brain injury: a 15-year review and evaluation. Journal of Neurotrauma. 22 (1), 42-75 (2005).
- Osier, N., Dixon, C. E. Mini Review of Controlled Cortical Impact: A Well-Suited Device for Concussion Research. Brain Sciences. 7 (7), (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hernandez, A., et al. Exposure to mild blast forces induces neuropathological effects, neurophysiological deficits and biochemical changes. Molecular Brain. 11 (1), 64 (2018).
- Bittar, A., et al. Neurotoxic tau oligomers after single versus repetitive mild traumatic brain injury. Brain Communications. 1 (1), (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Dixon, C. E., et al. A fluid percussion model of experimental brain injury in the rat. Journal of Neurosurgery. 67 (1), 110-119 (1987).
- Long, J. B., et al. Blast overpressure in rats: recreating a battlefield injury in the laboratory. Journal of Neurotrauma. 26 (6), 827-840 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Huber, B. R., et al. Blast exposure causes dynamic microglial/macrophage responses and microdomains of brain microvessel dysfunction. Neuroscience. 319, 206-220 (2016).
- 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).
- 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).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injury. Nature Reviews: Neuroscience. 14 (2), 128-142 (2013).
- 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).
- 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).
