Name: low-intensity blast wave model for preclinical assessment of closed-head mild traumatic brain injury in rodents
Uploaded: 2020-11-06T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Low-intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-head Mild Traumatic Brain Injury in Rodents at JoVE.com

Vi tackar R. Gettens, N. St. Johns, P. Bennet och J. Robson för deras bidrag till utvecklingen av TBI-modellen. NARSAD Young Investigator Grants från Brain & Behavior Research Foundation (F.P. och M.J.R.), ett forskningsbidrag från Darrell K. Royal Research Fund for Alzheimers Disease (F.P.) och ett PhRMA Foundation Award (M.J.R.) stödde denna forskning. Detta arbete stöddes genom predoktorala stipendier från American Foundation for Pharmaceutical Education (A.F.L och B.P.L.).

Protokollet följer riktlinjerna för djurvård från University of Cincinnati och West Virginia University. Alla försök med djur godkändes av Institutional Animal Care and Use Committees (IACUC) och utfördes enligt principerna i Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.
1. Installation av spräng-TBI-inställningen
<ol><li>Skaffa alla arbetsdelar som krävs för installationen, inklusive: stötdämpare bestående av ståldriven och drivsektion, polyestermembran...

Vi presenterar här en preklinisk mild TBI-modell som är kostnadseffektiv, lätt att installera och utföra och möjliggör hög genomströmning, tillförlitliga och reproducerbara experimentella resultat. Denna modell ger skyddande avskärmning till perifera organ för att möjliggöra fokuserad undersökning av milda TBI-mekanismer samtidigt som de förvirrande variablerna för systemisk skada begränsas. Däremot är andra sprängmodeller kända för att orsaka skador på perifera organ2,39,40.</sup...

Traumatisk hjärnskada (TBI) står för mer än två miljoner sjukhusbesök varje år bara i USA. Mild TBI som vanligtvis beror på bilolyckor, sportevenemang eller fall utgör cirka 80 % av alla TBI-fall1. Mild TBI anses vara den "tysta sjukdomen" eftersom patienter ofta inte upplever några öppna symtom under dagarna och månaderna efter den första förolämpningen, men kan utveckla allvarliga TBI-relaterade komplikationer senare i livet2. Dessutom är blastinducerad mild TBI utbredd bland militärtjänstmedlemmar och har associerats med kronisk CNS-dysfunktion3,4,5,6. På grund av den ökande förekomsten av blastrelaterad mild TBI7,8 har preklinisk modellering av neurobiologiska och patofysiologiska processer associerade med mild TBI således blivit ett fokus i utvecklingen av nya terapeutiska ingrepp för TBI.
Historiskt sett har TBI-forskningen främst fokuserat på svåra former av neurotrauma, trots det relativt lägre antalet allvarliga mänskliga TBI-fall. Prekliniska gnagarmodeller för svår human TBI har utvecklats, inklusive modellerna kontrollerad kortikal påverkan (CCI)9,10 och vätskeslagverksskada (FPI)11, som båda är väl etablerade för att ge tillförlitliga patofysiologiska effekter12,13. Dessa modeller har lagt grunden för vad som idag är känt om neuroinflammation, neurodegeneration och neuronal reparation i TBI. Även om betydande kunskap om patofysiologin hos TBI har utvecklats, finns det för närvarande inga effektiva, FDA-godkända behandlingar tillgängliga för TBI.
På senare tid har TBI-forskningens fokus breddats till att omfatta ett bredare spektrum av TBI-relaterade patologier med det slutliga målet att utveckla effektiva terapeutiska ingrepp. Ändå har få prekliniska modeller för mild TBI etablerats som har visat mätbara effekter, och endast ett litet antal studier har undersökt det milda TBI-spektrumet2,14,15. Eftersom mild TBI står för den stora majoriteten av alla TBI-fall är tillförlitliga modeller av mild TBI brådskande nödvändiga för att underlätta forskning om etiologi och neuropatologi för det mänskliga tillståndet för att utveckla nya terapeutiska strategier.
I samarbete med biomedicinska ingenjörer och flygfysiker har vi etablerat en skalbar, sluten sprängvågsmodell för mild till måttlig TBI. Denna prekliniska gnagaremodell har utvecklats speciellt för att undersöka effekterna av kraftdynamik, inklusive sprängvågor och acceleration / retardationsrörelse, som är förknippade med mänsklig mild TBI som erhållits i militär strid, sportevenemang, bilolyckor och fall. Eftersom sprängvågor korrelerar med kraftdynamiken som orsakar mild TBI hos människor, var denna modell utformad för att producera en konsekvent Friedlander-vågform med en impuls, som mäts som pund per kvadrattum (psi) * millisekund (ms). Impulsnivån skalas för att falla under definierade lungdödlighetskurvor för möss och råttor för att genomföra prekliniska undersökningar16,17,18. Dessutom möjliggör denna modell undersökning av kup- och contrecoup-skada på grund av snabba rotationskrafter i djurets huvud. Denna typ av skada är inneboende i flera typer av kliniska TBI-presentationer, inklusive de som observerats i både militär och civil befolkning. Därför passar denna mångsidiga modell ett behov som omfattar flera kliniska presentationer av TBI.
Den prekliniska modellen som presenteras här ger tillförlitliga och reproducerbara patofysiologiska förändringar associerade med klinisk mild TBI, vilket framgår av ett antal tidigare studier17,19,20,21,22,23. Studier med denna modell visade att råttor som utsattes för en lågintensiv blastvåg uppvisade neuroinflammation, axonal skada, mikrovaskulär skada, biokemiska förändringar relaterade till neuronal skada och underskott i kortvarig plasticitet och synaptisk excitabilitet19. Denna milda TBI-modell inducerade dock inga makroskopiska neuropatologiska förändringar, inklusive vävnadsskador, blödning, hematom och kontusion19 som vanligen har observerats i studier med måttliga till svåra invasiva TBI-modeller10,24. Tidigare forskning19,21,22,23 har visat att denna prekliniska modell kan användas för att karakterisera neurobiologiska och patofysiologiska processer som ligger till grund för etiologin för mild och måttlig TBI17,19,20,21,22,23. Denna modell möjliggör också testning av nya terapeutiska föreningar och strategier, samt identifiering av nya, lämpliga mål för utveckling av effektiva TBI-interventioner19,21,22,23.
Denna modell utvecklades för att undersöka effekter inducerade av sprängvågor samt snabba rotationskrafter på molekylära, cellulära och beteendemässiga resultat hos gnagare. Analogt med sprängvågsmodellen som presenteras här har ett antal prekliniska modeller utvecklats som försöker rekapitulera mild till måttlig TBI med hjälp av gasdrivna övertrycksvågor2,14,17,25,26,27,28. Några av begränsningarna hos andra modeller inkluderar: djuret är fixerat till en trådnätgurney och huvudet är immobiliserat vid stötar; de perifera organen utsätts för vågen förutom hjärnan, vilket skapar de förvirrande variablerna av polytrauma; och modellerna är stora och stationära, vilket begränsar förändring och anpassning av kritiska parametrar till bättre modellförhållanden som påminner om mänsklig TBI.
Fördelarna med denna bänkskiva, gasdrivna stötdämparinstallation är dess relativt låga kostnader för förvärv och driftskostnader, samt enkel installation och användning. Dessutom möjliggör installationen drift med hög genomströmning och generering av kontrollerade reproducerbara sprängvågor och in vivo-resultat hos både möss och råttor. För att styra för konsekventa testförhållanden (dvs. konstant sprängvåg och övertryck) är installationen utrustad med trycksensorer. Fördelarna med denna modell för TBI inkluderar skalbarhet av skadans svårighetsgrad och att mild TBI induceras med hjälp av ett icke-invasivt, slutet huvudförfarande. Toppövertryck och efterföljande hjärnskada ökar med tjockare polyestermembran på ett konsekvent skalbart sätt17. Förmågan att skala TBI-svårighetsgraden genom membrantjocklek är ett användbart verktyg för att bestämma nivån, vid vilken specifika resultatåtgärder (t.ex. neuroinflammation) blir uppenbara. Genom att tillhandahålla skyddande avskärmning för de perifera organen möjliggörs också fokuserad undersökning av milda TBI-mekanismer genom att undvika eller minska förvirrande variabler av systemisk skada, såsom lung- eller bröstskada. Dessutom gör denna inställning det möjligt att välja riktning, genom vilken sprängvågen träffar / tränger in i huvudet (dvs. head-on, side, top eller under) och därför kan olika typer av TBI-inducerande förolämpningar undersökas. Standardförfarandet för att inducera mild till måttlig TBI som beskrivs här använder sidoexponering för att utvärdera effekterna av sprängvågsskada i kombination med kup- och kontrecoupskada på grund av snabba rotationskrafter. För att undersöka uteslutande spränginducerad skada kan dessutom exponering för sprängvåg uppifrån och ner användas i denna modell.

<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

Traumatisk hjärnskada (TBI) är ett storskaligt folkhälsoproblem. Mild TBI är den vanligaste formen av neurotrauma och står för ett stort antal medicinska besök i USA. Det finns för närvarande inga FDA-godkända behandlingar tillgängliga för TBI. Den ökade förekomsten av militärrelaterad, blastinducerad TBI accentuerar ytterligare det akuta behovet av effektiva TBI-behandlingar. Därför kommer nya prekliniska TBI-djurmodeller som rekapitulerar aspekter av human blastrelaterad TBI att kraftigt främja forskningsinsatserna i de neurobiologiska och patofysiologiska processerna som ligger till grund för mild till måttlig TBI samt utvecklingen av nya terapeutiska strategier för TBI.
Här presenterar vi en tillförlitlig, reproducerbar modell för undersökning av molekylära, cellulära och beteendemässiga effekter av mild till måttlig blastinducerad TBI. Vi beskriver ett steg-för-steg-protokoll för sluten huvud, spränginducerad mild TBI hos gnagare med hjälp av en bänkinstallation bestående av ett gasdrivet chockrör utrustat med piezoelektriska trycksensorer för att säkerställa konsekventa testförhållanden. Fördelarna med installationen som vi har etablerat är dess relativa låga kostnad, enkla installation, användarvänlighet och höga genomströmningskapacitet. Ytterligare fördelar med denna icke-invasiva TBI-modell inkluderar skalbarheten hos blasttoppövertrycket och genereringen av kontrollerade reproducerbara resultat. Reproducerbarheten och relevansen av denna TBI-modell har utvärderats i ett antal nedströms applikationer, inklusive neurobiologiska, neuropatologiska, neurofysiologiska och beteendeanalyser, som stöder användningen av denna modell för karakterisering av processer som ligger till grund för etiologin för mild till måttlig TBI.

Skalbarheten i sprängvågsinställningen testades med tre olika membrantjocklekar, 25,4, 50,8 och 76,2 μm. Topptrycksnivåerna bedömdes vid huvudplaceringsområdet och utgången av chockrörsapparaten med hjälp av piezoelektriska trycksensorer (se figur 1 och figur 2). Topptrycket ökar i överensstämmelse med membrantjockleken vid båda sensorplatserna (figur 3A,B), vilket visar att topptrycket är skalbart ti...

Watch this Scientific Journal Video about Low-intensity Blast Wave Model for Preclinical Assessment of Closed-head Mild Traumatic Brain Injury in Rodents at JoVE.com

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

Vi presenterar här ett protokoll av en blastvågsmodell för gnagare för att undersöka neurobiologiska och patofysiologiska effekter av mild till måttlig traumatisk hjärnskada. Vi etablerade en gasdriven bänkinstallation utrustad med trycksensorer som möjliggör tillförlitlig och reproducerbar generering av spränginducerad mild till måttlig traumatisk hjärnskada.

Lågintensiv sprängvågsmodell för preklinisk bedömning av mild traumatisk hjärnskada hos gnagare med slutet huvud

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 ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Lateral Fluid Percussion: Model of Traumatic Brain Injury in Mice

Lateral Fluid slagverk: Modell av traumatisk hjärnskada hos möss

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

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

Undersökningar om ändringar av hippocampus Kretsens funktion Efter Mild traumatisk hjärnskada

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

En metod för att tillfoga Stängd Head traumatisk hjärnskada i<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

En roman In Vitro modell av Blast traumatisk hjärnskada

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

Effekter av Blast-inducerad Neurotrauma på trycksatt gnagare mellersta cerebrala artärer

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

Investigating Alterations in Caecum Microbiota After Traumatic Brain Injury in Mice

Undersöka förändringar i Caecum Microbiota efter traumatisk hjärnskada hos möss

Increasing evidence shows that the microbiota-gut-brain axis plays an important role in the pathogenesis of brain diseases. Several studies also ...

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

Avancerad diffusions avbildning i hippocampus hos råttor med mild traumatisk hjärnskada

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

Murine Model of Controlled Cortical Impact for the Induction of Traumatic Brain Injury

Murina modell av kontrollerad kortikal effekt för induktion av traumatisk hjärnskada

The Centers for Disease Control and Injury Prevention estimate that almost 2 million people sustain a traumatic brain injury (TBI) every year in the ...

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

Elektromagnetisk styrd sluten huvudmodell av mild traumatisk hjärnskada hos möss

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

Bedömning av förändringar i synaptisk plasticitet med hjälp av en vaken sluten huvudskademodell av mild traumatisk hjärnskada

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