En skalbar modell för att studera effekterna av trubbig kraftskada hos vuxna zebrafiskar
Summary
Vi modifierade Marmarou vikt droppe modell för vuxna zebrafisk att undersöka en bredd av patologier efter trubbigt våld traumatiska hjärnan skada (TBI) och mekanismerna bakom efterföljande neuronal regenerering. Denna trubbiga TBI-modell är skalbar, inducerar en mild, måttlig eller svår TBI och rekapitulerar skada heterogenitet som observerats i mänskliga TBI.
Abstract
Trubbigt våld traumatiska hjärnskador (TBI) är den vanligaste formen av huvudtrauma, som spänner över en rad svårighetsgrader och resulterar i komplexa och heterogena sekundära effekter. Medan det inte finns någon mekanism för att ersätta eller regenerera de förlorade nervcellerna efter en TBI hos människor, zebrafisk har förmågan att regenerera nervceller i hela kroppen, inklusive hjärnan. För att undersöka bredden av patologier som visats i zebrafisk efter en trubbig kraft TBI och för att studera mekanismerna bakom det efterföljande neuronala regenerativa svaret, modifierade vi den vanliga gnagare Marmarou viktfallet för användning i vuxna zebrafisk. Vår enkla trubbigt kraft TBI modell är skalbar, inducera en mild, måttlig eller svår TBI, och rekapitulerar många av de fenotyper som observerats efter mänskliga TBI, såsom kontakt- och posttraumatisk beslag, ödem, subdural och intracerebralt hematomas och kognitiva funktionsnedsättningar, var och en visas på ett skada allvarlighetsgrad-beroende sätt. TBI och sviter, som börjar dyka upp inom några minuter efter skadan, avtar och återgår till nära oskadade kontrollnivåer inom 7 dagar efter skadan. Den regenerativa processen börjar så tidigt som 48 timmar efter skada (hpi), med toppcellsproliferation observerad med 60 hpi. Således producerar vår zebrafisk trubbigt kraft TBI modell karakteristiska primära och sekundära skada TBI patologier som liknar mänskliga TBI, vilket gör det möjligt att undersöka sjukdom debut och progression, tillsammans med mekanismerna för neuronal regenerering som är unik för zebrafisk.
Introduction
Traumatiska hjärnskador (TBC) är en global hälsokris och en ledande orsak till dödsfall och funktionshinder. I USA upplever cirka 2,9 miljoner människor en TBI varje år, och mellan 2006-2014 ökade dödligheten på grund av TBI eller TBI-och sviter med över 50%1. TBC varierar dock i sin etiologi, patologi och kliniska presentation beror till stor del på mekanismen för skada (MOI), vilket också påverkar behandlingsstrategier och förutspådd prognos2. Även om TBC kan vara resultatet av olika MOI, är de främst resultatet av antingen en genomträngande eller trubbigt våld trauma. Penetrerande trauman representerar en liten andel av TBC och genererar en allvarlig och fokal skada som är lokaliserad till de omedelbara och omgivande spetsiga hjärnregionerna3. Däremot är trubbigt våld tBC vanligare i den allmänna befolkningen, spänner över en rad svårighetsgrader (mild, måttlig och svår) och producerar en diffus, heterogen och global skada som påverkar flera hjärnregioner1,4,5.
Zebrafish (Danio rerio) har använts för att undersöka ett brett spektrum av neurologiska förolämpningar som spänner över centrala nervsystemet (CNS)6,7,8,9. Zebrafisk har också, till skillnad från däggdjur, ett medfött och robust regenerativt svar för att reparera CNS-skador10. Nuvarande zebrafisk trauma modeller använder olika skademetoder, inklusive penetration, excision, kemisk förolämpning eller tryckvågor11,12,13,14,15,16. Var och en av dessa metoder använder dock en MOI som sällan upplevs av den mänskliga befolkningen, är inte skalbar över en rad skador allvarlighetsgrad och tar inte itu med heterogenitet eller allvarlighetsgrad-beroende TBI-sequela rapporteras efter trubbigt våld TBI. Dessa faktorer begränsar användningen av zebrafiskmodellen för att förstå de underliggande mekanismerna hos patologierna i samband med den vanligaste formen av TBI i den mänskliga befolkningen (milda trubbiga kraftskador).
Vi syftade till att utveckla en snabb och skalbar trubbigt kraft TBI zebrafish modell som ger vägar att undersöka skada patologi, progression av TBI och medfödda regenerativa svar. Vi modifierade den vanliga gnagaren Marmarou17 viktfall och applicerade den på vuxen zebrafisk. Denna modell ger ett reproducerbart intervall av allvarlighetsgrad som sträcker sig från mild, måttlig till svår. Denna modell rekapitulerar också flera aspekter av mänskliga TBI patologi, på ett allvarlighetsgrad-beroende sätt, inklusive beslag, ödem, subdural och intracerebral hematomas, neuronal cell död och kognitiva underskott, såsom lärande och minne nedskrivningar. Dagar efter skada försvinner patologier och underskott, återgår till nivåer som liknar oskadade kontroller. Dessutom visar denna zebrafish modell en robust spridning och neuronal regenerering svar över neuroaxis när det gäller skada allvarlighetsgrad.
Här ger vi detaljer om inläggning och induktion av trubbigt våld trauma, poängsättning posttraumatiskt beslag, bedömning av vaskulär skador, instruktioner om att förbereda hjärnan avsnitt, metoder för att kvantifiera ödem och insikt i proliferative svar efter skada.
Protocol
Representative Results
Discussion
Undersökningar av neurotrauma och tillhörande och sviter har länge varit centrerade på traditionella icke-regenerativa gnagare modeller20. Först nyligen har studier tillämpat olika former av CNS-skador på regenerativa modeller9,11,13,14,21. Även om dessa modeller är insiktsfulla begränsas de antingen av deras användning av en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Hyde-labbmedlemmarna för deras tankeväckande diskussioner, Freimann Life Sciences Center-teknikerna för zebrafiskvård och djurhållning och University of Notre Dame Optical Microscopy Core / NDIIF för användningen av instrument och deras tjänster. Detta arbete stöddes av Center for Zebrafish Research vid University of Notre Dame, Center for Stem Cells and Regenerative Medicine vid University of Notre Dame, och bidrag från National Eye Institute of NIH R01-EY018417 (DRH), National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (JTH), LTC Neil Hyland Fellowship of Notre Dame (JTH), Sentinels of Freedom Fellowship (JTH) och Pat Tillman-stipendiet (JTH).
Materials
| 2-phenoxyethanol | Sigma Alderich | 77699 | |
| #00 buckshot | Remington | RMS23770 | 3.3g weight for sTBI |
| #3 buckshot | Remington | RMS23776 | 1.5g weight for miTBI/moTBI |
| #5 Dumont forceps | WPI | 14098 | |
| 5-ethynyl-2’-deoxyuridine | Life Technologies | A10044 | EdU |
| 5ml glass vial | VWR | 66011-063 | |
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit | Life Technologies | C10340 | |
| CytoOne 12-well plate | USA Scientific | CC7682-7512 | |
| Instant Ocean | Instant Ocean | SS15-10 | |
| Super frost postiviely charged slides | VWR | 48311-703 | |
| Super PAP Pen Liquid Blocker | Ted Pella | 22309 | |
| Tissue freezing medium | VWR | 15148-031 |
References
- Centers for Disease Control and Prevention. Surveillance Report of Traumatic Brain Injury-related Emergency Department Visits, Hospitalizations, and Deaths-United States, 2014. Centers for Disease Control and Prevention, U.S. Department of Health and Human Services. , (2019).
- Galgano, M., et al. Traumatic brain injury: current treatment strategies and future endeavors. Cell transplantation. 26 (7), 1118-1130 (2017).
- Santiago, L. A., Oh, B. C., Dash, P. K., Holcomb, J. B., Wade, C. E. A clinical comparison of penetrating and blunt traumatic brain injuries. Brain injury. 26 (2), 107-125 (2012).
- Korley, F. K., Kelen, G. D., Jones, C. M., Diaz-Arrastia, R. Emergency department evaluation of traumatic brain injury in the United States, 2009-2010. The Journal of Head Trauma Rehabilitation. 31 (6), 379-387 (2016).
- Faul, M., Xu, L., Wald, M., Coronado, V. . Traumatic Brain Injury in the United States: Emergency Department Visits, Hospitalizations and Deaths. , (2010).
- Campbell, L. J., et al. Notch3 and DeltaB maintain Müller glia quiescence and act as negative regulators of regeneration in the light-damaged zebrafish retina. Glia. 69 (3), 546-566 (2021).
- Green, L. A., Nebiolo, J. C., Smith, C. J. Microglia exit the CNS in spinal root avulsion. PLoS Biology. 17 (2), 3000159 (2019).
- Hentig, J., Byrd-Jacobs, C. Exposure to zinc sulfate results in differential effects on olfactory sensory neuron subtypes in the adult zebrafish. International Journal of Molecular Sciences. 17 (9), 1445 (2016).
- Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., Oshima, T. Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology. 342 (1), 26-38 (2010).
- Becker, C., Becker, T. Adult zebrafish as a model for successful central nervous system regeneration. Restorative Neurology and Neuroscience. 26 (2-3), 71-80 (2008).
- Alyenbawwi, H., et al. Seizures are a druggable mechanistic link between TBI and subsequent tauopathy. eLife. 10, 58744 (2021).
- Kaslin, J., Kroehne, V., Ganz, J., Hans, S., Brand, M. Distinct roles of neuroepithelia-like and radial glia-like progenitor cells in cerebellar regeneration. Development. 144 (8), 1462-1471 (2017).
- McCutcheon, V., et al. A novel model of traumatic brain injury in adult zebrafish demonstrates response to injury and treatment comparable with mammalian models. Journal of Neurotrauma. 34 (7), 1382-1393 (2017).
- Skaggs, K., Goldman, D., Parent, J. Excitotoxic brain injury in adult zebrafish stimulates neurogenesis and long-distance neuronal integration. Glia. 62 (12), 2061-2079 (2014).
- Kishimoto, N., Shimizu, K., Sawamoto, K. Neuronal regeneration in a zebrafish model of adult brain injury. Disease Models & Mechanisms. 5 (2), 200-209 (2012).
- Kroehne, V., Freudenreich, D., Hans, S., Kaslin, J., Brand, M. Regeneration of the adult zebrafish brain from neurogenic radial glia-type progenitors. Development. 138 (22), 4831-4841 (2011).
- Marmarou, A., et al. A new model of diffuse brain injury in rats. Part I: Pathophysiology and biomechanics. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 291-300 (1994).
- Mussulini, B. H., et al. Seizures induced by pentylenetetrazole in the adult zebrafish: a detailed behavioral characterization. PloS One. 8 (1), 54515 (2013).
- Kalueff, A., et al. Towards a comprehensive catalog of zebrafish behavior 1.0 and beyond. Zebrafish. 10 (1), 70-86 (2013).
- Xiong, Y., Mahmood, A., Chopp, M. Animal models of traumatic brain injuries. Nature Reviews Neuroscience. 14, 128-142 (2013).
- Amamoto, R., et al. Adult axolotls can regenerate original neuronal diversity in response to brain injury. eLife. 5, 13998 (2016).
- Yamamoto, S., Levin, H., Prough, D. Mild, moderate and severe: terminology implications for clinical and experimental traumatic brain injury. Current Opinion in Neurology. 31 (6), 672-680 (2008).
- Lund, S., et al. Moderate traumatic brain injury, acute phase course and deviations in physiological variables: an observational study. Scandinavian Journal of Trauma Resuscitation and Emergency Medicine. 24, 77 (2016).
- Levin, H., Arrastia, R. Diagnosis, prognosis, and clinical management of mild traumatic brain injury. The Lancet Neurology. 14 (5), 506-517 (2015).
- Ruff, R. M., et al. Recommendations for diagnosing a mild traumatic brain injury: a National Academy of Neuropsychology education paper. Archives of Clinical Neuropsychology: The Official Journal of the National Academy of Neuropsychologists. 24 (1), 3-10 (2009).
- Ganz, J., Brand, M. Adult neurogenesis in fish. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 8 (7), 019018 (2016).
- Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., Brand, M. Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: origin, proliferation dynamics, migration and cell fate. Developmental Biology. 295, 263-277 (2006).
- Lahne, M., Nagashima, M., Hyde, D. R., Hitchcock, P. F. Reprogramming Muller glia to regenerate retinal neurons. Annual Review of Visual Science. 6, 171-193 (2020).
