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Method Article
Qui, descriviamo i protocolli sperimentali per la creazione di un modello animale di lesione cocleare indotta da esplosione utilizzando onde d'urto indotte da laser (LISW). L'esposizione dell'osso temporale alla LISW consente la riproduzione della fisiopatologia cocleare indotta da blasti. Questo modello animale potrebbe essere una piattaforma per chiarire la patologia cocleare ed esplorare potenziali trattamenti per le lesioni da esplosione.
L'orecchio è l'organo più suscettibile alla sovrapressione da esplosione e le lesioni cocleari si verificano frequentemente dopo l'esposizione all'esplosione. L'esposizione all'esplosione può portare alla perdita dell'udito neurosensoriale (SNHL), che è una perdita dell'udito irreversibile che influisce negativamente sulla qualità della vita. In precedenza sono state documentate patologie cocleari dettagliate indotte da blasti, come la perdita di cellule ciliate, neuroni gangliari spirali, sinapsi cocleari e interruzione delle stereociglia. Tuttavia, determinare il deterioramento neurosensoriale cocleare dopo una lesione da esplosione è difficile perché gli animali esposti alla sovrapressione dell'esplosione di solito sperimentano la perforazione della membrana timpanica (TMP), che causa una concomitante perdita dell'udito conduttiva. Per valutare la disfunzione cocleare neurosensoriale pura, abbiamo sviluppato un modello animale sperimentale di lesione cocleare indotta da blasti utilizzando un'onda d'urto indotta da laser. Questo metodo evita la TMP e le lesioni sistemiche concomitanti e riproduce il declino funzionale della componente SNHL in modo dipendente dall'energia dopo l'esposizione a LISW. Questo modello animale potrebbe essere una piattaforma per chiarire i meccanismi patologici ed esplorare potenziali trattamenti per la disfunzione cocleare indotta da blasti.
La perdita dell'udito e l'acufene sono tra le disabilità più diffuse, riportate fino al 62% dei veterani1. Diverse complicanze uditive indotte da blasti, tra cui la perdita dell'udito neurosensoriale (SNHL) e la perforazione della membrana timpanica (TMP), sono state riportate in individui esposti a sovrapressione blastica2. Inoltre, la ricerca su individui esposti a esplosioni suggerisce che l'esposizione alle esplosioni provoca spesso difetti nella risoluzione temporale uditiva, anche quando le soglie uditive rientrano nell'intervallo normale, il che è noto come "perdita dell'udito nascosta (HHL)"3. È ben noto che esiste una sostanziale perdita di sinapsi cocleari tra le cellule ciliate interne (IHC) e i neuroni uditivi (AN) nella patologia cocleare blasto-correlata4. La degenerazione sinaptica provoca una compromissione dell'elaborazione uditiva ed è un fattore importante che contribuisce allo sviluppo di HHL5. Pertanto, gli organi uditivi sono componenti fragili contenenti strutture complesse e altamente organizzate. Tuttavia, il meccanismo preciso con cui le onde d'urto influenzano l'orecchio interno a livello cellulare rimane poco chiaro. Ciò è dovuto alle sfide nel replicare le precise complessità cliniche e meccaniche delle lesioni da esplosione in ambienti di laboratorio e alla complessità delle patologie cocleari indotte da esplosione.
La componente principale di una lesione da esplosione è l'onda d'urto (SW), caratterizzata da un rapido ed elevato aumento della pressione di picco6. La complessità delle lesioni da esplosione è stata ampiamente studiata in numerosi studi retrospettivi 7,8,9. Esistono vari dispositivi per la generazione di esplosioni, come il gas compresso10, i tubi d'urto11 e gli esplosivi di piccola magnitudo12, a diversi livelli di pressione. La forma d'onda della pressione del SW generata da dispositivi di recente sviluppo assomigliava molto a quella di una vera esplosione. Un concetto importante nella creazione di un modello animale di ipoacusia neurosensoriale indotta da blasti è quello di ridurre al minimo le lesioni concomitanti, diverse dal danno uditivo, per ridurre la morte degli animali. Pertanto, sono stati sviluppati studi sulle lesioni da esplosione in cui i tubi d'urto sono stati miniaturizzati e l'uscita può essere controllata con precisione in modo che gli animali esposti muoiano raramente. Tuttavia, sebbene questi modelli animali di solito sviluppino complicanze, come la TMP, la valutazione della funzione cocleare è difficile a causa della concomitante perdita dell'udito conduttiva2. In precedenza abbiamo condotto uno studio su animali protetti per l'udito sulle lesioni da esplosione utilizzando tappi per le orecchie e non abbiamo riscontrato alcuna incidenza di TMP13. I tappi per le orecchie potrebbero attenuare parzialmente il grave danno cocleare, ma non la neurodegenerazione uditiva centrale o lo sviluppo dell'acufene. Pertanto, i tappi per le orecchie proteggono le coclee e la membrana timpanica. Tuttavia, per studiare la fisiopatologia cocleare causata dalle lesioni da esplosione è necessario un modello animale di danno cocleare puro indotto da blast senza TMP.
In precedenza abbiamo sviluppato un modello topico di lesione da esplosione dell'orecchio interno in ratti e topi utilizzando un'onda d'urto indotta da laser (LISW)14,15. Questo metodo può essere eseguito in modo sicuro e semplice a livello di laboratorio standard ed è stato utilizzato per generare modelli di lesioni da esplosione polmonare e alla testa16,17. L'energia del LISW può essere regolata modificando il tipo e la potenza del laser, consentendo il controllo del grado di danno cocleare. Il modello di lesione cocleare indotta da LISW è prezioso per studiare i meccanismi della SNHL causata da lesioni da esplosione e per studiare potenziali trattamenti. In questo studio, descriviamo protocolli sperimentali dettagliati per la creazione di un modello murino di danno cocleare indotto da blasti utilizzando LISW e dimostriamo la degenerazione cocleare, inclusa la perdita di cellule ciliate (HC), sinapsi cocleari e neuroni gangliari spirali (SGN), in modo dipendente dall'energia nei topi dopo l'esposizione a LISW.
Tutte le procedure sperimentali sono state approvate dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali del National Defense Medical College (approvazione #18050) ed eseguite in conformità con le linee guida del National Institutes of Health e del Ministero dell'Istruzione, della Cultura, dello Sport, della Scienza e della Tecnologia del Giappone. Sono stati fatti tutti gli sforzi per ridurre al minimo il numero di animali e la loro sofferenza.
1. Animali
2. Impostazioni sperimentali dell'esposizione a LISW
3. Test di funzionalità cocleare
NOTA: I test di risposta uditiva del tronco encefalico (ABR) sono stati eseguiti come precedentemente riportato14,15.
4. Valutazione istologica
NOTA: La valutazione istologica è stata eseguita come precedentemente descritto14,15.
5. Analisi statistica
Forma d'onda LISW
La riproducibilità della forma d'onda della pressione LISW è stata misurata 5x a 2,0 J/cm2 come segue. Le forme d'onda erano generalmente simili e stabili e mostravano un forte aumento con l'ampiezza del tempo, la pressione di picco e l'impulso di 0,43±0,4 μs, 92,1 ± 6,8 MPa e 14,1 ± 1,9 Pa's (mediana ± SD), che corrisponde alle caratteristiche SW (Figura 1B). I LISW sono caratterizzati da un tempo di s...
Questo studio mirava a convalidare un modello murino di danno cocleare indotto da blasti utilizzando LISW. I nostri risultati hanno dimostrato che in seguito all'applicazione di LISW attraverso l'osso temporale, l'orecchio esposto dei topi mostrava un costante declino patologico e fisiologico della coclea, che era accompagnato da un aumento della sovrapressione di LISW. Questi risultati indicano che questo modello murino è appropriato per replicare varie patologie cocleari regolando l'o...
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato sostenuto da due sovvenzioni di JSPS KAKENHI (Grant Numbers 21K09573 (K.M.) e 23K15901 (T.K.)).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
532 nm Q-switched Nd:YAG laser | Quantel | Brilliant b | |
ABR peak analysis software | Mass Eye and Ear | N/A | EPL Cochlear Function Test Suite |
Acrylic resin welding adhesive | Acrysunday Co., Ltd | N/A | |
confocal fluorescence microscopy | Leica | TCS SP8 | |
cryosectioning compound | Sakura | Tissue-Tek O.C.T | |
CtBP2 antibody | BD Transduction | #612044 | |
Dielectric multilayer mirrors | SIGMAKOKI CO.,LTD | TFMHP-50C08-532 | M1-M3 |
Digital oscilloscope | Tektronix | DPO4104B | |
Earphone | CUI | CDMG15008-03A | |
Hydrophone | RP acoustics e.K. | FOPH2000 | |
Image J software plug-in | NIH | measurement line | https://myfiles.meei.harvard.edu/xythoswfs/webui/_xy-e693768_1-t_wC4oKeBD |
Light microscope | Keyence Corporation | BZ-X700 | |
Myosin 7A antibody | Proteus Biosciences | #25–6790 | |
Neurofilament antibody | Sigma | #AB5539 | |
Plano-convex lens | SIGMAKOKI CO.,LTD | SLSQ-30-200PM | |
Prism software | GraphPad | N/A | ver.8.2.1 |
Scanning electron microscope | JEOL Ltd | JSM-6340F | |
Small digital endoscope | AVS Co. Ltd | AE-C1 | |
Ultrasonic jelly | Hitachi Aloka Medical | N/A | |
Variable attenuator | Showa Optronics Co. | N/A | Currenly avaiable successor: KYOCERA SOC Corporation, RWH-532HP II |
Water-soluble encapsulant | Dako | #S1964 |
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