中枢神经系统局灶性封闭系统损伤装置
2024年11月29日
本方案描述了一种定制的超压空气系统，旨在诱导小鼠闭合式中枢神经系统（CNS）损伤，包括眼部、脑部和脊髓创伤。本方案的目标是为研究人员提供一个框架，以便轻松地根据其特定的中枢神经系统创伤研究需求对系统进行调整和扩展。
我们的实验室致力于研究ITON（间接性创伤性视神经病变）后继发性退变的调控机制，旨在为患者开发合理的治疗方法。目前，该领域用于诱导中枢神经系统损伤的设备包括可控皮层撞击装置、重物坠落模型以及压缩空气驱动的冲击管。我们发现，两次冲击之间暴露时间的长短对轴突退变程度具有显著影响；视神经损伤与脑损伤类似，均可显著增加活性氧物质的产生，进而促进继发性轴突退变。
本方案旨在解决对一种能够精确控制损伤位置和严重程度的装置的需求，同时保持对封闭系统损伤的临床相关性。该方案还提供了一种研究某些职业环境中短暂的两次冲击间损伤间隔的方法。此外，该方法成本低廉，易于建立和使用。
尽管其他设备也提供定制功能，但这种封闭式损伤装置因其安装和使用简便而尤为突出。本方案提供了一个详细的框架，简化了这一过程，使其他研究人员能够快速调整并根据自身特定的实验目标和需求建立该装置。首先，通过检测小鼠对脚趾夹捏无反应来确认其已充分麻醉。
将小鼠固定在内层动物固定器中，使其头部和上部后肩通过矩形开口露出，而背部和下肢后部保持遮蔽状态。使用手术胶带穿过小鼠上部后肩以固定小鼠。将内层动物固定器插入外层固定器中。
打开动物固定装置内的次级麻醉管路后，应封闭固定装置的末端，以防止麻醉剂从管路中泄漏，同时避免小鼠在实验过程中移动。将外层动物固定装置上直径为四毫米的圆形开口精确对准小鼠的左眼。使用控制旋钮调节动物固定装置在XY平台上的位置，使其开口与彩弹枪的枪管对齐，且固定装置的外表面距离枪管末端五毫米。
校准后，启动超压空气序列，以0.5秒的间隔输送两次15 PSI的气流脉冲。对于假手术组小鼠，将动物固定装置转向远离枪管方向，用纸板屏蔽挡住气流，并使其暴露于超压空气的噪音中。在假手术组中观察到健康且致密排列的轴突。
相比之下，ITON组表现出轴突变性的迹象，包括轴突形态不规则和髓鞘破裂。与假手术组相比，ITON组的轴突总数显著减少。与假手术组相比，ITON组中变性轮廓的数量显著增加。
与假手术组小鼠相比，ITON小鼠视网膜中观察到小胶质细胞增殖增加，且小胶质细胞延伸至外核层，而假手术组小鼠的小胶质细胞仍局限于其典型的视网膜层内。在ITON和假手术组小鼠中均观察到原始双极细胞与光感受器之间完整的突触连接，未检测到突触病变。
概述
本研究介绍了一种定制的过压空气系统，旨在在小鼠中诱导可控的中枢神经系统（CNS）损伤，特别针对眼部、脑部和脊髓创伤。该方案旨在为研究人员提供一个用户友好的框架，以促进该系统在多种中枢神经系统创伤研究中的适应与扩展。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 创伤机制
- 眼部和中枢神经系统损伤
背景
- 用于诱导中枢神经系统损伤的现有设备包括可控皮层冲击装置和重物坠落模型。
- 两次爆震暴露之间的间隔显著影响轴突退变。
- 视神经损伤会升高活性氧物种水平，从而导致继发性退变。
- 需要在保持临床相关性的同时，精确控制损伤条件。
研究目的
- 开发一种经济高效的设备，用于精确的中枢神经系统损伤建模。
- 促进对短间隔重复损伤的研究。
- 探索继发性退变过程中涉及的反应机制。
使用的方法
- 采用定制的超压空气系统来诱导损伤。
- 生物学模型涉及接受不同损伤方案的小鼠，包括假手术对照条件。
- 未提及任何多组学工作流程。
- 该方案强调实验设置步骤，确保在实验过程中对小鼠进行麻醉和固定。
- 实验通过使用特定的PSI脉冲来诱导损伤。
主要结果
- 与假手术组相比，ITON组小鼠视神经损伤后表现出显著的轴突变性迹象。
- 损伤小鼠视网膜中出现小胶质细胞增殖，表明存在损伤应答反应。
- 未检测到突触病变，提示尽管存在轴突变性，但神经连接仍保持完整。
- 研究结果强调了假手术组与损伤组在轴突完整性及小胶质细胞活性方面的应答差异。
结论
- 本研究提供了一种用于诱导中枢神经系统损伤的新型装置，可实现更可控且可重复的研究。
- 有助于深入理解继发性变性过程及小胶质细胞反应。
- 对阐明创伤机制及潜在治疗策略具有重要意义。
常见问题
行业应用价值
建立稳定的闭合式中枢神经系统损伤模型对于转化神经科学和神经创伤药物研发至关重要。该高压空气系统可实现对小鼠模型中枢神经系统局灶性损伤的精确且可重复的诱导，支持神经保护和再生策略的机制性风险排除及靶点验证。其灵活性及对损伤参数的精确控制，有助于开展跨中枢神经系统区域的比较研究，从而提高早期药物发现流程的预测可靠性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够研究与神经退行性变和修复相关的损伤诱导分子通路。
- 通过分离损伤部位和严重程度变量，支持功能靶点的验证。
- 通过可控地模拟继发性退变过程，促进机制层面的风险评估。
筛选与检测方法开发
- 为下游分子和细胞检测提供标准化、可重复的损伤诱导方法。
- 以轴突完整性与小胶质细胞活化作为读数，实现定量评估。
- 支持在与疾病相关的损伤模型中，建立检测方法用于筛选神经保护化合物。
转化与临床前研究
- 将临床前模型与具有临床相关性的封闭系统中枢神经系统创伤情景相匹配。
- 实现对眼部、脑部和脊髓损伤治疗效果的跨损伤类型比较。
- 通过提供具有转化意义的终点指标，支持对神经创伤候选疗法进行风险调整后的推进。
流程与工作流整合
该系统可整合到从早期机制研究到神经保护干预的临床前验证的整个发现流程中。
- Discovery Biology：促进对损伤机制和继发性退变的假设验证。
- Screening：提供可重复的损伤模型，用于化合物的定量评估。
- Analytics：可测量轴突退变、小胶质细胞反应及损伤严重程度，以进行比较分析。
- Translational Research：通过模拟临床相关的中枢神经系统创伤，连接发现研究与临床前研究阶段。
- Enterprise Reuse：提供一个灵活且可适应的平台，满足多样化的中枢神经系统损伤研究需求。
运营与企业影响
- 科学价值：提高神经创伤研究的预测可信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：标准化损伤诱导方法，提升不同研究间的可重复性和可扩展性。
- 战略价值：通过实现对靶点和通路的可靠验证，为“继续/终止”决策提供依据。
- 项目组合影响：支持对神经保护性和再生性候选药物进行基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备中枢神经系统损伤建模和动物操作方面的专业知识。
- 需要精确校准冲击波递送参数并准确定位损伤区域。
- 要求采用标准化操作流程以确保不同研究间的可重复性。
- 通过调整操作流程，可适用于多种中枢神经系统部位。
- 必须进行严密监测，以确保损伤程度和位置的一致性。
