Modellering neonatale intraventriculaire bloeding door intraventriculaire injectie van hemoglobine
Summary
We presenteren een model van neonatale intraventriculaire bloeding met rattenpups die de pathologie nabootst die bij mensen wordt gezien.
Abstract
Neonatale intraventriculaire bloeding (IVH) is een veel voorkomend gevolg van vroeggeboorte en leidt tot hersenletsel, posthemorragische hydrocephalus (PHH) en levenslange neurologische tekorten. Hoewel PHH kan worden behandeld door tijdelijke en permanente cerebrospinale vloeistof (CSF) afleidingsprocedures (respectievelijk ventriculaire reservoir en ventriculoperitoneale shunt), zijn er geen farmacologische strategieën om IVH-geïnduceerd hersenletsel en hydrocefalie te voorkomen of te behandelen. Diermodellen zijn nodig om de pathofysiologie van IVH beter te begrijpen en farmacologische behandelingen te testen. Hoewel er bestaande modellen van neonatale IVH zijn, worden die welke betrouwbaar resulteren in hydrocephalus vaak beperkt door de noodzaak van injecties met een groot volume, wat de modellering van de pathologie kan bemoeilijken of variabiliteit in het waargenomen klinische fenotype kan introduceren.
Recente klinische studies hebben hemoglobine en ferritine betrokken bij het veroorzaken van ventriculaire vergroting na IVH. Hier ontwikkelen we een eenvoudig diermodel dat het klinische fenotype van PHH nabootst met behulp van intraventriculaire injecties met een klein volume van het bloedafbraakproduct hemoglobine. Naast het betrouwbaar induceren van ventriculaire vergroting en hydrocefalie, resulteert dit model in witte stofletsel, ontsteking en immuuncelinfiltratie in periventriculaire en witte stofgebieden. Dit artikel beschrijft deze klinisch relevante, eenvoudige methode voor het modelleren van IVH-PHH bij neonatale ratten met behulp van intraventriculaire injectie en presenteert methoden voor het kwantificeren van de ventrikelgrootte na injectie.
Introduction
Neonatale IVH is afkomstig van de kiemmatrix, een plaats van snelle celdeling die grenst aan de laterale ventrikels van de zich ontwikkelende hersenen. Deze zeer vasculaire structuur is kwetsbaar voor hemodynamische instabiliteit gerelateerd aan vroeggeboorte. Bloed wordt vrijgegeven in de laterale ventrikels in germinale matrixbloeding (GMH) -IVH wanneer fragiele bloedvaten in de kiemmatrix scheuren. In het geval van graad IVH kan periventriculaire hemorragische infarct ook bijdragen aan de afgifte van bloedproducten in de hersenen. 1 De combinatie van GMH-IVH kan PHH veroorzaken, vooral na een hooggradige bloeding (graad III en IV)1. PHH kan worden behandeld met de plaatsing van een ventriculoperitoneale shunt, maar shuntplaatsing keert het hersenletsel dat kan optreden door IVH niet om. Hoewel moderne neonatale intensive care de tarieven van IVH2, 3 heeft verlaagd, zijn er geen specifieke behandelingen voor het hersenletsel of hydrocefalie veroorzaakt door IVH zodra het is opgetreden. Een belangrijke beperking bij het ontwikkelen van preventieve behandelingen voor IVH-geïnduceerd hersenletsel en PHH is het onvolledige begrip van IVH-pathofysiologie.
Onlangs is aangetoond dat vroege csf-niveaus van het belangrijkste bloedafbraakproduct hemoglobine geassocieerd zijn met de latere ontwikkeling van PHH bij pasgeborenen met hooggradige IVH4. Bovendien zijn CSF-niveaus van ijzerverwerkingsroute-eiwitten – hemoglobine, ferritine en bilirubine – geassocieerd met ventrikelgrootte bij neonatale IVH. Dit werd ook aangetoond in een multicenter cohort van zuigelingen met premature PHH, waar hogere ventriculaire CSF-niveaus van ferritine geassocieerd waren met grotere ventrikelgrootte5.
In deze studie ontwikkelden we een klinisch relevant model van IVH-geïnduceerd hersenletsel en hydrocefalie met behulp van hemoglobine-injectie in de hersenkamers, wat kwantificering van hersenletsel en PHH mogelijk maakt en het testen van nieuwe therapeutische strategieën (figuur 1) 6, 7. Dit IVH-model maakt gebruik van neonatale rattenpups, die voor de duur van de procedure onder algemene anesthesie worden geplaatst. Een middellijnincisie wordt op de hoofdhuid gemaakt en coördinaten afgeleid van schedeloriëntatiepunten – de bregma of lambda – worden gebruikt om de laterale ventrikels te richten voor injectie. Langzame injectie met behulp van een infusiepomp levert hemoglobine in de ventrikel. Dit protocol is eenvoudig te gebruiken, veelzijdig en kan verschillende componenten van IVH modelleren die resulteren in PHH.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit IVH-model met behulp van hemoglobine-injectie maakt de studie mogelijk van de pathologie van IVH specifiek gemedieerd door hemoglobine. Voor complementaire studies kan hemoglobine ook gemakkelijk in vitro worden toegediend en verstoort het geen biochemische testen voor eiwitten gemaakt door microglia / macrofagen die aanwezig zijn in volbloed.
De leidende theorieën van IVH-PHH omvatten de mechanische obstructie van de CSF-circulatie, de verstoring van trilharen langs de ependymal…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
JMS ontving financiering van NIH / NINDS R01 NS110793 en K12 (Neurosurgeon Research Career Development Program). BAM ontving financiering van NIH / NINDS K08 NS112580-01A1, University of Kentucky Neuroscience Research Priority Area Award en een Hydrocephalus Association Innovator Award.
Materials
| 0.3 mL insulin syringe | BD Microfine + Insulin Syringe | 230-4533 | 0.3-0.5 mL synringes will work |
| 1.5 mL microtube | USA Scientific | 1615-5500 | Lot No. K194642H -3 511 |
| 4.7T MRI | Agilent/Varian | 4.7T/33 cm | Agilent/Varian DirectDrive 4.7-T (200-MHz) MRI system |
| 6-0 monofilament suture | ETHICON | 667G | |
| 9.4T MRI | Bruker | BioSpec 94/20 | Used in this protocol without the cryoprobe |
| Analytical balance | CCURIS Instruments | W3200-320 | |
| Artificial CSF (aCSF) | Tocris Bioscience | 3525 | Batch No: 72A |
| Betadine | Purdue Products L.P. | 301005-00 | NDC 67618-150-09 |
| Carprofen (injectable) | Zoetis Inc. | PI 4019448 | Rimadyl |
| Ethanol | Decon Laboratories | 2701 | |
| Heating pad | Sunbeam | E12107-819 | UL 612A, Z-1228-001 |
| Hemoglobin | MP Biomedicals | 100714 | LOT NO. SR02321 |
| Isoflurane | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-25 | |
| Isoflurane vaporizer | VETEQUIP | 911103 | |
| Light for stereotactic insturment | Dolan-Jenner industries | Fiber-Lite MI-150 | |
| Microinjection syringe pump | World Precision Instruments | MICRO21 | Serial 184034 T08K |
| MRI software | Bruker BioSpin | Paravision 360 3.2 | |
| Oxygen | Airgas Healthcare | UN1072 | LOT NUMBER S1432080XA02 |
| Sprague Dawley rats | Charles River Laboratories | Strain code: 001 | |
| Stereotactic instrument | KOPF Instuments | Model 900LS Lazy Susan | |
| Sterile cotton tipped applicator | Fischerbrand | 23-400-118 | |
| Surgical blade | covetrus | #10 | |
| Topical triple antibiotic | Triple Antibiotic Ointment | NDC 51672-2120-1 | |
| Ventricle volume quantification software | ITK-SNAP | ITK-SNAP 4.0.0 beta |
References
- Robinson, S. Neonatal posthemorrhagic hydrocephalus from prematurity: Pathophysiology and current treatment concepts: A review. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 9 (3), (2012).
- Hasselager, A. B., Børch, K., Pryds, O. A. Improvement in perinatal care for extremely premature infants in Denmark from. Danish Medical Journal. 63 (1), (1994).
- Johnston, P. G., Gillam-Krakauer, M., Fuller, M. P., Reese, J. Evidence-Based Use of Indomethacin and Ibuprofen in the Neonatal Intensive Care Unit. Clinics in Perinatology. 39 (1), (2012).
- Mahaney, K. B., Buddhala, C., Paturu, M., Morales, D., Limbrick, D. D., Strahle, J. M. Intraventricular Hemorrhage Clearance in Human Neonatal Cerebrospinal Fluid: Associations with Hydrocephalus. Stroke. , (2020).
- Strahle, J. M., et al. Longitudinal CSF Iron Pathway Proteins in Posthemorrhagic Hydrocephalus: Associations with Ventricle Size and Neurodevelopmental Outcomes. Annals of Neurology. 90 (2), (2021).
- Strahle, J. M., et al. Role of Hemoglobin and Iron in hydrocephalus after neonatal intraventricular hemorrhage. Neurosurgery. 75 (6), (2014).
- Garton, T. P., He, Y., Garton, H. J. L., Keep, R. F., Xi, G., Strahle, J. M. Hemoglobin-induced neuronal degeneration in the hippocampus after neonatal intraventricular hemorrhage. Brain Research. 1635, (2016).
- Goulding, D. S., Caleb Vogel, ., Gensel, R., Morganti, J. C., Stromberg, J. M., Miller, A. J., A, B. Acute brain inflammation, white matter oxidative stress, and myelin deficiency in a model of neonatal intraventricular hemorrhage. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 26 (6), (2020).
- Strahle, J., Garton, H. J. L., Maher, C. O., Muraszko, K. M., Keep, R. F., Xi, G. Mechanisms of Hydrocephalus After Neonatal and Adult Intraventricular Hemorrhage. Translational Stroke Research. 3, (2012).
- Jinnai, M., et al. A Model of Germinal Matrix Hemorrhage in Preterm Rat Pups. Frontiers in Cellular Neuroscience. 14, (2020).
- Georgiadis, P., et al. Characterization of acute brain injuries and neurobehavioral profiles in a rabbit model of germinal matrix hemorrhage. Stroke. 39 (12), (2008).
- Cherian, S. S., Love, S., Silver, I. A., Porter, H. J., Whitelaw, A. G. L., Thoresen, M. Posthemorrhagic ventricular dilation in the neonate: Development and characterization of a rat model. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 62 (3), (2003).
- Balasubramaniam, J., Xue, M., Buist, R. J., Ivanco, T. L., Natuik, S., del Bigio, ., R, M. Persistent motor deficit following infusion of autologous blood into the periventricular region of neonatal rats. Experimental Neurology. (1), (2006).
- Volpe, J. J. Brain injury in premature infants: a complex amalgam of destructive and developmental disturbances. The Lancet Neurology. 8 (1), (2009).
- Dobbing, J., Sands, J. Comparative aspects of the brain growth spurt. Early Human Development. 3 (1), (1979).
- Craig, A., et al. Quantitative analysis of perinatal rodent oligodendrocyte lineage progression and its correlation with human. Experimental Neurology. 181 (2), (2003).
- Lodygensky, G. A., Vasung, L., Sv Sizonenko, ., Hüppi, P. S. Neuroimaging of cortical development and brain connectivity in human newborns and animal models. Journal of Anatomy. 217 (4), (2010).
- Dean, J. M., et al. Strain-specific differences in perinatal rodent oligodendrocyte lineage progression and its correlation with human. Developmental Neuroscience. 33 (34), (2011).
- Engelhardt, B. Development of the blood-brain barrier. Cell and Tissue Research. 314 (1), (2003).
- Daneman, R., Zhou, L., Kebede, A. A., Barres, B. A. Pericytes are required for bloodĝ€"brain barrier integrity during embryogenesis. Nature. 468 (7323), (2010).
- Alles, Y. C. J., Greggio, S., Alles, R. M., Azevedo, P. N., Xavier, L. L., DaCosta, J. C. A novel preclinical rodent model of collagenase-induced germinal matrix/intraventricular hemorrhage. Brain Research. 1356, (2010).
- Christian, E. A., et al. Trends in hospitalization of preterm infants with intraventricular hemorrhage and hydrocephalus in the United States. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 17 (3), 2000-2010 (2016).
