Name: low-intensity blast wave model for preclinical assessment of closed-head mild traumatic brain injury in rodents
Uploaded: 2020-11-06T13:00:00
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Agradecemos a R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet y J. Robson por sus contribuciones al desarrollo del modelo TBI. NarSAD Young Investigator Grants de la Brain & Behavior Research Foundation (F.P. y M.J.R.), una beca de investigación del Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimer's Disease (F.P.) y un PhRMA Foundation Award (M.J.R.) apoyaron esta investigación. Este trabajo fue apoyado a través de becas predoctorales de la Fundación Americana para la Educación Farmacéutica (A.F.L y B.P.L.).

El protocolo sigue las pautas de cuidado animal de la Universidad de Cincinnati y la Universidad de Virginia Occidental. Todos los procedimientos que involucran animales fueron aprobados por los Comités Institucionales de Cuidado y Uso de Animales (IACUC), y se realizaron de acuerdo con los principios de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio.
1. Instalación de la configuración de TBI de explosión
<ol><li>Adquiera todas las piezas de trabajo que se re...

Presentamos aquí un modelo preclínico de LCT leve que es rentable, fácil de configurar y ejecutar, y permite resultados experimentales de alto rendimiento, confiables y reproducibles. Este modelo proporciona un blindaje protector a los órganos periféricos para permitir una investigación centrada en los mecanismos leves de LCT al tiempo que limita las variables de confusión de la lesión sistémica. Por el contrario, se sabe que otros modelos de blastocitos infligen daño a los órganos periféricos2,39,40.<sup cla...

La lesión cerebral traumática (LCT) representa más de dos millones de visitas al hospital cada año solo en los Estados Unidos. La LCT leve comúnmente resultante de accidentes automovilísticos, eventos deportivos o caídas representa aproximadamente el 80% de todos los casos de LCT1. La LCT leve se considera la "enfermedad silenciosa", ya que los pacientes a menudo no experimentan síntomas manifiestos en los días y meses posteriores a la lesión inicial, pero pueden desarrollar complicaciones graves relacionadas con la LCT más adelante en la vida2. Además, el TCE leve inducido por explosiones es prevalente entre los miembros del servicio militar, y se ha asociado con disfunción crónica del SNC3,4,5,6. Debido a la creciente incidencia de LCT leve relacionada con blastocitos7,8, la modelización preclínica de los procesos neurobiológicos y fisiopatológicos asociados con LCT leve se ha convertido así en un foco en el desarrollo de nuevas intervenciones terapéuticas para LCT.
Históricamente, la investigación de LCT se ha centrado principalmente en las formas graves de neurotrauma, a pesar del número relativamente menor de casos graves de LCT humana. Se han desarrollado modelos preclínicos de roedores para LCT humana grave, incluyendo los modelos de impacto cortical controlado (ICC)9,10 y lesión por percusión fluida (FPI)11, ambos bien establecidos para producir efectos fisiopatológicos fiables12,13. Estos modelos han sentado las bases para lo que se conoce hoy en día sobre la neuroinflamación, la neurodegeneración y la reparación neuronal en TBI. Aunque se ha desarrollado un conocimiento considerable de la fisiopatología de la LCT, actualmente no hay tratamientos efectivos aprobados por la FDA disponibles para la LCT.
Más recientemente, el enfoque de la investigación de LCT se ha ampliado para incluir un espectro más amplio de patologías relacionadas con LCT con el objetivo final de desarrollar intervenciones terapéuticas efectivas. Sin embargo, se han establecido pocos modelos preclínicos para LCT leve que hayan mostrado efectos medibles, y sólo un pequeño número de estudios han investigado el espectro de LCT leve2,14,15. Dado que la LCT leve representa la gran mayoría de todos los casos de LCT, se necesitan urgentemente modelos fiables de LCT leve para facilitar la investigación sobre la etiología y la neuropatofisiología de la condición humana, con el fin de desarrollar nuevas estrategias terapéuticas.
Junto con ingenieros biomédicos y físicos aeroespaciales, hemos establecido un modelo escalable de onda expansiva de cabeza cerrada para una LCT leve a moderada. Este modelo preclínico de roedores se ha desarrollado específicamente para investigar los efectos de la dinámica de la fuerza, incluidas las ondas expansivas y el movimiento de aceleración / desaceleración, que se asocian con una LCT leve humana obtenida en combate militar, eventos deportivos, accidentes automovilísticos y caídas. Como las ondas expansivas se correlacionan con la dinámica de fuerza que causa una lesión cerebral traumática leve en humanos, este modelo fue diseñado para producir una forma de onda de Friedlander consistente con un impulso, que se mide como libras por pulgada cuadrada (psi) * milisegundo (ms). El nivel de impulso se escala para caer por debajo de las curvas de letalidad pulmonar definidas para ratones y ratas con el fin de realizar investigaciones preclínicas16,17,18. Además, este modelo permite la investigación de lesiones por golpes y contrecoup debido a las rápidas fuerzas de rotación de la cabeza del animal. Este tipo de lesión es inherente a varios tipos de presentaciones clínicas de LCT, incluidas las observadas tanto en poblaciones militares como civiles. Por lo tanto, este modelo versátil se ajusta a una necesidad que abarca múltiples presentaciones clínicas de TBI.
El modelo preclínico aquí presentado produce cambios fisiopatológicos fiables y reproducibles asociados a una lesión cerebral traumática leve clínica, como lo demuestran varios estudios previos17,19,20,21,22,23. Los estudios con este modelo mostraron que las ratas sometidas a una onda expansiva de baja intensidad exhibieron neuroinflamación, lesión axonal, daño microvascular, cambios bioquímicos relacionados con la lesión neuronal y déficits en la plasticidad a corto plazo y la excitabilidad sináptica19. Sin embargo, este modelo de LCT leve no indujo ningún cambio neuropatológico macroscópico, incluyendo daño tisular, hemorragia, hematoma y contusión19 que se han observado comúnmente en estudios con modelos de LCT invasivos moderados a severos10,24. Investigaciones anteriores19,21,22,23 han demostrado que este modelo preclínico puede ser utilizado para caracterizar los procesos neurobiológicos y fisiopatológicos subyacentes a la etiología del TBI leve y moderado17,19,20,21,22,23. Este modelo también permite probar nuevos compuestos y estrategias terapéuticas, así como la identificación de dianas novedosas y adecuadas para el desarrollo de intervenciones efectivas de LCT19,21,22,23.
Este modelo fue desarrollado para investigar los efectos inducidos por las ondas expansivas, así como las fuerzas de rotación rápidas en los resultados moleculares, celulares y de comportamiento en roedores. Análogamente al modelo de onda expansiva presentado aquí, se han desarrollado una serie de modelos preclínicos que intentan recapitular LCT leve a moderada utilizando ondas de sobrepresión impulsadas por gas2,14,17,25,26,27,28. Algunas de las limitaciones de otros modelos incluyen: el animal se fija a una camilla de malla de alambre y la cabeza se inmoviliza al impactar; los órganos periféricos están expuestos a la onda además del cerebro, lo que crea las variables de confusión del politraumatismo; y los modelos son grandes y estacionarios, lo que limita el cambio y la adaptación de parámetros críticos a mejores condiciones del modelo que recuerdan a la LCT humana.
Los beneficios de esta configuración de tubo de choque accionada por gas de sobremesa son su costo relativamente bajo para los gastos de adquisición y funcionamiento, así como la facilidad de instalación y uso. Además, la configuración permite una operación de alto rendimiento y la generación de ondas expansivas reproducibles controladas y resultados in vivo tanto en ratones como en ratas. Con el fin de controlar las condiciones de prueba consistentes (es decir, ondas de explosión constantes y sobrepresión), la configuración está equipada con sensores de presión. Las ventajas de este modelo para TBI incluyen la escalabilidad de la gravedad de la lesión y que la TBI leve se induce utilizando un procedimiento no invasivo de cabeza cerrada. La sobrepresión máxima y la posterior lesión cerebral aumentan con membranas de poliéster más gruesas de una manera escalable consistente17. La capacidad de escalar la gravedad de la LCT a través del grosor de la membrana es una herramienta útil para determinar el nivel en el que se hacen evidentes las medidas de resultado específicas (por ejemplo, neuroinflamación). Proporcionar un blindaje protector para los órganos periféricos, también permite la investigación enfocada en los mecanismos leves de LCT al evitar o reducir las variables de confusión de la lesión sistémica, como la lesión pulmonar o torácica. Además, esta configuración permite seleccionar la dirección en la que la onda expansiva golpea / penetra en la cabeza (es decir, de frente, lateral, superior o inferior) y, por lo tanto, se pueden investigar diferentes tipos de insultos que inducen LCT. El procedimiento estándar para inducir una LCT leve a moderada descrita aquí emplea la exposición lateral para evaluar los efectos de la lesión por ondas expansivas en combinación con la lesión por golpe y contrecoup debido a las fuerzas de rotación rápidas. Además, para investigar exclusivamente las lesiones inducidas por explosiones, se puede emplear la exposición a ondas de explosión de arriba hacia abajo en este modelo.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3/8 SAE High Pressure Hydraulic Hose</td>
			<td>Eaton Aeroquip</td>
			<td>R2-6-6-36M</td>
			<td>Available from Grainger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#39;&#39; Quick Connect Female Plugs</td>
			<td>Karcher</td>
			<td>KAR 86410440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#39;&#39; Quick Connect Male Plugs</td>
			<td>Karcher</td>
			<td>KAR 86410440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ANY-maze video tracking software</td>
			<td>Stoelting Co.</td>
			<td>ANY-maze software</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear Mylar membrane</td>
			<td>ePlastics.com</td>
			<td>POLYCLR0.003</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Compound Slide Table (X2)</td>
			<td>Grizzly Industrial</td>
			<td>G5757</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deadman Gas Control Ball Valve</td>
			<td>Coneraco Inc.</td>
			<td>71-502-01</td>
			<td>&#34;Apollo&#34;, Available from Grainger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Driver and driven section (murine)</td>
			<td>own design/production</td>
			<td>n/a</td>
			<td>For further information please contact the authors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Driver and driven section (rat)</td>
			<td>own design/production</td>
			<td>n/a</td>
			<td>For further information please contact the authors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ear Muffs</td>
			<td>3M</td>
			<td>37274</td>
			<td>Available from Grainger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gas Regulator - Hi Flow 3500-600-580</td>
			<td>Harris</td>
			<td>3003539</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helium Gas</td>
			<td>AirGas</td>
			<td>HE 300</td>
			<td>Tanks are available in various sizes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Inhalation Anesthesia System</td>
			<td>VetEquip</td>
			<td>901806</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Input Module</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>NI 9223</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Baxter</td>
			<td>NDC 10019-360-40</td>
			<td>Ordered by veterinarian</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory Timer/Stopwatch</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>50-550-352</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Labview version 12.0</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Data Acquistion Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic Dial Indicator/Micrometer</td>
			<td>Grizzly Industrial</td>
			<td>G9849</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Software for pressure recording analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen Regulator</td>
			<td>Medline</td>
			<td>HCS8725M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC for Data Processing</td>
			<td>Dell</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyvinylchloride Tubing - 25.4 mm</td>
			<td>FORMUFIT</td>
			<td>P001FGP-WH-40x3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure sensors</td>
			<td>PCB Piezotronics</td>
			<td>102A05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Receiver USB Chassis</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>DAQ-9171</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor Signal Conditioner</td>
			<td>PCB Piezotronics</td>
			<td>482C series</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless NSF-Rated Mounting Table</td>
			<td>Gridmann</td>
			<td>GR06-WT2448</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T Handle Allen Wrench - 3/16&#39;&#39;</td>
			<td>S&#38;K</td>
			<td>73310</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

low-intensity blast wave model for preclinical assessment of closed-head mild traumatic brain injury in rodents

La lesión cerebral traumática (LCT) es un problema de salud pública a gran escala. La LCT leve es la forma más frecuente de neurotrauma y representa un gran número de visitas médicas en los Estados Unidos. Actualmente no hay tratamientos aprobados por la FDA disponibles para TBI. El aumento de la incidencia de LCT inducida por explosiones relacionada con el ejército acentúa aún más la necesidad urgente de tratamientos efectivos contra la LCT. Por lo tanto, los nuevos modelos animales preclínicos de LCT que recapitulan aspectos de la LCT humana relacionada con los blastos avanzarán en gran medida en los esfuerzos de investigación sobre los procesos neurobiológicos y fisiopatológicos subyacentes a la LCT leve a moderada, así como el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para la LCT.
Aquí presentamos un modelo confiable y reproducible para la investigación de los efectos moleculares, celulares y conductuales de una LCT inducida por explosión leve a moderada. Describimos un protocolo paso a paso para una LCT leve inducida por explosión de cabeza cerrada en roedores utilizando una configuración de sobremesa que consiste en un tubo de choque impulsado por gas equipado con sensores de presión piezoeléctricos para garantizar condiciones de prueba consistentes. Los beneficios de la configuración que hemos establecido son su bajo costo relativo, facilidad de instalación, facilidad de uso y capacidad de alto rendimiento. Otras ventajas de este modelo de LCT no invasiva incluyen la escalabilidad de la sobrepresión del pico de explosión y la generación de resultados reproducibles controlados. La reproducibilidad y relevancia de este modelo de LCT se ha evaluado en una serie de aplicaciones posteriores, incluidos los análisis neurobiológicos, neuropatológicos, neurofisiológicos y conductuales, lo que respalda el uso de este modelo para la caracterización de los procesos subyacentes a la etiología de un TCE leve a moderado.

La escalabilidad de la configuración de onda expansiva se probó utilizando tres espesores de membrana diferentes, 25.4, 50.8 y 76.2 μm. Los niveles de presión máxima se evaluaron en el área de colocación de la cabeza y la salida del aparato del tubo de choque utilizando sensores de presión piezoeléctricos (ver Figura 1 y Figura 2). Las presiones máximas aumentan en concordancia con el espesor de la membrana en ambas ubicaciones del sensor (<strong clas...

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Low-intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-head Mild Traumatic Brain Injury in Rodents

Presentamos aquí un protocolo de un modelo de onda expansiva para roedores para investigar los efectos neurobiológicos y fisiopatológicos de la lesión cerebral traumática leve a moderada. Establecimos una configuración de sobremesa impulsada por gas equipada con sensores de presión que permiten una generación confiable y reproducible de lesiones cerebrales traumáticas leves a moderadas inducidas por explosiones.

Modelo de onda blástica de baja intensidad para la evaluación preclínica de la lesión cerebral traumática leve de cabeza cerrada en roedores

Traumatic brain injury (TBI) is a large-scale public health problem. Mild TBI is the most prevalent form of neurotrauma and accounts for a large number of ...

This protocol produces a non-invasive closed-head brain injury that recapitulates the human experience of a sports injury or blast exposure in the open field. The primary advantage of this protocol is that allows for movement of the head in order to capture acceleration/deceleration events inherent to many forms of TBI. This model seeks to recapitulate the human experience of various factors of TBI and allows for the evaluation of clinically relevant TBI sequelae.Due to the acceleration/deceleration effects of the model, we are reproducing the factors and experiences inherent to the common forms of TBI observed clinically. Begin by acquiring all working parts needed for the setup and install them individually on machine slide tables fixed on a stable, easy-to-clean stainless steel surface in a laboratory space approved for animal experiments. Fix the PVC pipe shield perpendicular to the shock tube setup so that the animal's body will be fully covered, allowing only the head to protrude.Wall mount a gas cylinder close to the setup following pertinent safety regulations. After preparing all materials required for the experiment, check the setup for proper installation by adjusting the parameters according to the aim of the study. Carefully cut the polyester membrane and insert it between the driven and driver sections.Secure it by tightening the connecting bolts. Place three pressure sensors at the exit of the shock tube at an angle of 120 degrees apart to monitor the blast wave properties during the TBI induction. Using the micrometer, ensure that the distance from the end of the shock tube apparatus is correct for each respective subject.Keep the rodent's head position constant within studies to allow for consistent injury evaluation. Using the software's graphical user interface, initiate the recording from the pressure sensors. Place the fully anesthetized rodent in the PVC pipe shield with cushioning to protect peripheral organs from the blast wave.Place its head within the head placement area and supported from below by a gauze pad. Determine the head alignment according to each rodent's anatomy with the occipital condyle aligned with the edge of the protective shielding. Open the main valve of the compressed gas tank to produce a pressure spike which ruptures the membrane and a loud explosion that confirms the generation of the pressure wave.The membrane will be visually ruptured when removed after the experiment. Turn off the gas flow immediately after hearing the explosion. Remove the rodent from the apparatus and place it on its side on a flat surface directly adjacent to the shock tube.As soon as it regains its righting reflex, place it in its respective home cage and monitor it for adverse reactions for the next 24 hours. Clean the setup with detergent to remove odor and prepare for the next experiment. Peak pressures increased in concordance with membrane thickness at the head placement area and the exit of the shock tube apparatus, demonstrating that they are scalable.Mice exposed to a blast wave produced with the 76.2 micrometer membrane exhibited a significant increase in righting reflex time compared to sham controls, suggesting that this blast wave induces loss of consciousness. In contrast, mice exposed to a blast wave from the 50.8 micrometer membrane exhibited no significant increases in righting reflex time, indicative of a mild form of TBI. Exposure to a blast wave with the 76.2 micrometer membrane produced a significant decrease in body temperature of the TBI-induced mice during the first hour compared to their sham controls, suggesting a significant physiologic effect.Mice subjected to traumatic brain injury with the 76.2 micrometer membrane exhibited an acute time-dependent reduction in total body weight one-day post-TBI compared to sham controls and a significant decrease in locomotor activity. It is important to adequately secure the membrane for reproducible blast wave generation. Prior to the in vivo experimentation, the blast wave should be captured and evaluated using pressure sensors.Neurologic assessments such as acute righting reflex time, locomotion and/or more complex behavioral assessments of cognition can be performed following TBI protocol. Neuroinflammation and/or neuropathology can also be assessed using relevant biochemical assays.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Lateral Fluid Percussion: Model of Traumatic Brain Injury in Mice

Percusión fluido lateral: Modelo de Lesión Cerebral Traumática en ratones

Traumatic brain injury (TBI) research has attained renewed momentum due to the increasing awareness of head injuries, which result in morbidity and ...

Investigación

Neurociencias

Investigations on Alterations of Hippocampal Circuit Function Following Mild Traumatic Brain Injury

Las investigaciones sobre alteraciones de la función del circuito del hipocampo después de una lesión cerebral traumática leve

Traumatic Brain Injury (TBI) afflicts more than 1.7 million people in the United States each year and even mild TBI can lead to persistent neurological ...

A Method to Inflict Closed Head Traumatic Brain Injury in Drosophila

A Method to Inflict Closed Head Traumatic Brain Injury in Drosophila

Un método para infligir Cerrado Jefe lesión cerebral traumática en<em&gt; Drosophila</em

Traumatic brain injury (TBI) affects millions of people each year, causing impairment of physical, cognitive, and behavioral functions and death. Studies ...

A Novel In Vitro Model of Blast Traumatic Brain Injury

A Novel In Vitro Model of Blast Traumatic Brain Injury

Un modelo de novela In Vitro de lesión cerebral traumática por explosión

Traumatic brain injury is a leading cause of death and disability in military and civilian populations. Blast traumatic brain injury results from the ...

Effects of Blast-induced Neurotrauma on Pressurized Rodent Middle Cerebral Arteries

Efectos de Neurotrauma inducido ráfaga en roedor a presión media de las arterias cerebrales

Though there have been studies on the histopathological and behavioral effects of blast exposure, fewer have been dedicated to blast&#39;s cerebral ...

Advanced Diffusion Imaging in The Hippocampus of Rats with Mild Traumatic Brain Injury

Imágenes de difusión avanzada en el hipocampo de ratas con lesión cerebral traumática leve

Mild traumatic brain injury (mTBI) is the most common type of acquired brain injury. Since patients with traumatic brain injury show a tremendous ...

Electromagnetic Controlled Closed-Head Model of Mild Traumatic Brain Injury in Mice

Modelo electromagnético controlado de cabeza cerrada de lesión cerebral traumática leve en ratones

Highly reproducible animal models of traumatic brain injury (TBI), with well-defined pathologies, are needed for testing therapeutic interventions and ...

Assessing Changes in Synaptic Plasticity Using an Awake Closed-Head Injury Model of Mild Traumatic Brain Injury

Evaluación de los cambios en la plasticidad sináptica utilizando un modelo de lesión cerebral traumática leve con vigilia

Mild traumatic brain injuries (mTBIs) are a prevalent health issue in North America. There is increasing pressure to utilize ecologically valid models of ...

Validación de la respuesta a las lesiones y las evaluaciones conductuales en un modelo de rata mTBI

Rat Model of Closed-Head Mild Traumatic Injury and its Validation

Autor destacado: Avance en la investigación de lesiones cerebrales traumáticas: un modelo de cabeza cerrada para una replicación precisa y una evaluación rápida 

Modelo de Rata de Lesión Traumática Leve de Cabeza Cerrada y su Validación

Animal models are crucial for advancing our understanding of mild traumatic brain injury (mTBI) and guiding clinical research. To achieve meaningful ...