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Method Article
简化的创伤性脑损伤 (TBI) 模型促进了治疗方法的发展。该协议概述了使用针头创建刺伤小鼠皮层,从而能够分析出血和炎症。刺伤性 TBI 小鼠模型的优势在于无需专用设备即可执行。
创伤性脑损伤 (TBI) 是由物理损伤引起的,通常由事故或运动相关事件引起。TBI 的原因多种多样,包括脑震荡、脑挫伤、血肿和颅骨骨折。为了复制这些不同的原因,已经使用不同的方案开发了各种 TBI 小鼠模型。物理性脑损伤会导致原发性和继发性脑损伤,从而加剧神经元丢失。原发性损伤发生在损伤后立即发生,通常是由于出血,随后引发继发性损伤,包括病变周围的炎症。因此,开发适用于评估出血扩展和炎症严重程度的 TBI 模型至关重要。该方案引入了一种模拟穿透性脑损伤的方法,称为刺伤 TBI 小鼠模型,以研究与 TBI 病理相关的出血、炎症和神经元丢失的机制。该模型是通过用针刺穿颅骨和大脑来创建的,并且无需专门的实验设备即可轻松执行。此外,使用针头对小鼠大脑皮层造成的轻微伤害不会影响动物术后的行为。此功能使研究人员能够研究脑损伤的局部影响,而无需担心更广泛的行为后果。来自刺伤小鼠大脑皮层的样本数据证明了该模型在评估血液渗漏到实质、神经胶质细胞活化和炎性细胞因子产生方面的有效性。此外,该方案有助于评估凝血剂和抗炎化合物,有助于开发 TBI 治疗剂。
创伤性脑损伤 (TBI) 是由物理损伤引起的,通常由事故引起,包括交通事故和跌倒事故。TBI 分为两种类型:穿透性脑损伤,当尖锐物体刺穿颅骨和大脑时发生,闭合性脑损伤,这是由于大脑内部剧烈摇晃而颅骨没有破裂而引起的1。
TBI 的原因非常多样化,包括脑震荡、脑挫伤、血肿和颅骨骨折;因此,已经使用各种方案开发了 TBI 小鼠模型来复制这些不同的原因。例如,重复性脑震荡 TBI 模型涉及大脑震动,其中小鼠使用电磁控制的橡胶撞击器2 被卡住数次。此外,在减重 TBI 模型中,标准化的减重装置对头部施加强大的外力,导致颅骨完好无损的局灶性钝器损伤3。此外,刺伤 TBI 模型是通过使用针4 刺穿颅骨和大脑来制备的(图 1A)。由于已经开发了几种 TBI 模型,因此根据需要观察的特定病理选择模型非常重要。
由物理损伤引起的脑损伤会导致原发性和继发性脑损伤,从而进一步加剧神经元丢失。原发性损伤发生在损伤后立即发生,由血脑屏障 (BBB) 破坏、出血和血肿引起。因此,尽量减少出血和血肿扩大至关重要,因为这些因素会加剧 TBI 症状的严重程度。继发性损伤是由实质内血液成分引发的,随后导致病变周围发炎5。脑损伤后的预后取决于炎症动力学;因此,快速减轻原发性和继发性损伤以获得良好的预后至关重要 6,7,8。
BBB 由周细胞、内皮细胞之间的紧密连接和星形胶质细胞的末端组成,它们共同作用以限制物质从健康大脑的血管中泄漏9。在所提出的刺伤系统中,BBB 被物理破坏。评估 BBB 完整性的常用方法包括免疫球蛋白 G (IgG) 染色和评估荧光示踪剂(如伊文思蓝和葡聚糖10,11)的泄漏。IgG 染色标记从病变部位渗漏并沉积在大脑中的血液成分。随着 BBB 的恢复,血液成分泄漏到大脑中的减少,这些沉积物逐渐降解。因此,IgG 染色用于评估脑损伤后 BBB 恢复的程度。此外,静脉内给药的示踪剂渗漏到脑实质中的水平反映了 BBB 的恢复。这种方法提供了对 BBB 动力学的更清晰评估,因为示踪剂渗漏直接表明血液成分从血流到脑实质的转变。此外,尽量减少出血会导致较轻的原发性损伤,这可以通过及时的血液凝固和及时的纤维蛋白溶解来支持。因此,量化凝血和纤维蛋白溶解调节剂的表达是分析这一过程的有效方法。关于凝血的分子机制,脑损伤后的出血通过纤维蛋白形成来阻止。随后,富含纤维蛋白的血栓被组织纤溶酶原激活剂 (tPA) 和尿激酶纤溶酶原激活剂 (uPA) 降解。在刺伤 TBI 小鼠模型中,纤维蛋白形成在受伤后 1 天达到峰值,此后减少10。因此,可以通过量化血液成分和示踪剂外渗到脑实质中以及凝血因子的表达来预测 BBB 的恢复水平。
继发性损伤过程中炎症的定量方法包括神经胶质细胞活化和炎性细胞因子表达。长期炎症主要由病灶部位周围过多的小胶质细胞和星形胶质细胞积累诱导。例如,在刺伤性 TBI 模型中,刺伤刺激病灶周围的神经胶质细胞重新激活,以去除细胞碎片和血液成分。这种神经胶质细胞再激活通常在刺伤后 3 天达到峰值12,13。除了吞噬作用外,再激活的神经胶质细胞还分泌过多的炎性细胞因子,导致病变周围的神经元丢失14。据报道,神经胶质炎症的减轻有助于脑损伤后的良好预后12,14。确定炎症水平有助于评估炎症的严重程度和预后。因此,必须开发适用于评估出血扩展和炎症严重程度的 TBI 模型。本研究介绍了一种模拟穿透性脑损伤的刺伤小鼠模型,旨在研究 TBI 病理学中出血、炎症和神经元丢失的机制。
所有动物护理方案均已获得日本御茶水女子大学机构动物护理和使用委员会的批准,并按照日本教育、科学和文化部制定的指导方针执行。使用 6 周龄成年 C57BL/6J 雌性小鼠 (20-25 g)。所有小鼠均在清洁的环境中随意获取食物和水。所用试剂和设备的详细信息列在 材料表中。
1. 大脑皮层刺伤手术
2. 出血评估和 BBB 分解恢复
3. 评估刺伤后大脑的炎症水平
为了分析 BBB 分解的恢复情况,通过测量脑损伤后 1 、 3 、 5 和 7 天的血清 IgG 外渗水平来评估刺伤大脑皮层的出血水平。小鼠 IgG 染色图像显示脑损伤后大脑皮层中血液渗漏和沉积。随着 BBB 的恢复和 IgG 蛋白的降解,这在 7 天后减少(图 2B)。通过测量刺伤区域周围 IgG 染色的强度来量化 IgG 外渗水平,这表明 IgG 外渗在脑损伤后 1 天达到峰值(
在这里,介绍了使用针头创建 TBI 小鼠模型的方案。该方案允许使用组织学和分子生物学方法对脑损伤后 BBB 分解和炎症的恢复情况进行定量评估。替代方案,例如重复性脑震荡 TBI 模型和体重下降 TBI 模型,也可用于分析 BBB 分解和炎症。这些模型使用专用机器在受控条件下复制 TBI 病理学,包括冲击强度、范围和大脑区域的特定参数。此外,它们可能导致颅骨完整的闭合...
作者没有什么可披露的。
我们感谢 Ayana Hamano、Minori Yamashita、Misaki Endo、Hirono Kobayashi 和 Nito Nakahira 在免疫组织化学和实时 qPCR 方面的帮助。这项工作得到了 JSPS KAKENHI 19K16122、武田科学基金会、安斯泰来代谢紊乱研究基金会、三菱基金会、脑科学基金会和 K.H. 上原纪念基金会的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
19 G x 1•1/2" needle | TERUMO | NN-1938R | |
27 G x 3/4" needle | TERUMO | NN-2719S | |
anti-GFAP antibody | Sigma-Aldrich | G9269 | |
anti-Iba1 antibody | Wako | 019-19741 | |
Atipamezole Hydrochloride | Nippon Zenyaku Kogyo | Product name: Antisedan | |
Biotin-conjugated mouse IgG antibody | Vector Laboratories | BA-9200 | |
Biotin-conjugated rabbit IgG antibody | Vector Laboratories | BA-1000 | |
Bovine albumin | Nacalai tesque | 01860-07 | |
Brain Slicer | Visikol | BSLM-2 | |
Butorphanol Tartrate | Meiji Animal Health | Product name: Vetorphale 5 mg | |
Confocal microscope | Zeiss | LSM700 | |
Cryostat | Leica | CM1520 | |
DAB | Sigma-Aldrich | D5637-1G | |
DAPI | Roche | 10236276001 | |
Evans blue | Wako | 056-04061 | |
Fluorescent-conjugated rabbit IgG antibody | Invitrogen | A-21206 | |
Fluoromount-G | Invitrogen | 4958-02 | Water-based mounting medium |
Isoflurane Inhalation Solution | Viatris | v002139 | |
KOD SYBR qPCR Mix | TOYOBO | QKD-201 | qPCR master mix kit |
Medetomidine | Nippon Zenyaku Kogyo | Product name: Domitor | |
Microscope | Olympus | FSX100 | |
Microvolume spectrophotometer | ThermoFisher Scientific | NanoDrop One | |
Midazolam 10 mg/2 mL | Sandoz | 1124401A1060 | |
MOUNT QUICK | Daido Sangyo | DM01 | Water insoluble mounting medium |
Newborn calf serum | Gibco | 16010159 | |
O.C.T. compound | Sakura Finetek Japan | 45833 | Embedding medium |
Peel-A-Way, Truncated 22 mm Square Top | Ted Pella | 27118 | Tissue embedding mold |
Peristaltic perfusion pump | ATTO | SJ-1211 | |
Plate reader | Fisher Scientific | Cytation 3 | |
Real-time qPCR machine | ThermoFisher Scientific | StepOne Plus | |
ReverTra Ace qPCR RT Kit | TOYOBO | FSQ-101 | cDNA synthesis kit |
Superfrost Plus Slide Glass | Fisher Scientific | 12-550-15 | Positive-charged slide glass |
Suture with needle | Alfresa | HT2003NA75-KF2 | |
TRIzol Reagent | Invitrogen | 15596026 | |
VECTASTAIN ABC Standard Kit | Vector Laboratories | PK-4000 | Avidin/biotin-based peroxidase system kit |
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