创伤性脑损伤模型精确分类：从宏观血流到微观线粒体的变化

doi:10.4103/1673-5374.369125

摘要/Abstract

摘要：

目前，控制性脑皮质撞击（CCI）是一种被广泛接受的建立创伤性脑损伤（TBI）动物模型的方法。中度和重度脑损伤的推荐撞击深度分别为1和>2mm；然而，这两种造模方法的效果和基本机制还没有得到证实。实验旨在了解3，4，5 m/s的损伤速度下，1和2 mm的不同损伤参数下的脑血流变化、皮质损伤程度以及运动功能的差异,以及在急性期（7天）和慢性期（30天）的功能变化和线粒体损伤。结果显示，1毫米组受伤区域的脑血流明显增加，脑组织肿胀和隆起，血管通透性增加，并出现大规模渗出。2 mm组的主要病理变化是脑血流减少，脑组织缺失，伤后24h内存在脑血管痉挛闭塞。2mm组小鼠在伤后7d出现了明显的运动和认知功能障碍。30d后，2mm组小鼠的运动功能明显恢复，而认知功能障碍仍然存在。转录组测序的结果显示，与1 mm组相比，2 mm组有更严重的铁死亡。透射电子显微镜观察了线粒体的形态学变化显示，伤后7天两组的线粒体收缩，空泡变大；伤后30天，1 mm组的线粒体变大，而2 mm组的空泡仍然扩大。进一步分析不同组别中线粒体亚群的比例发现模型小鼠在不同时期的线粒体组成模式不同，说明不同TBI损伤程度的差异可能反映在线粒体的微观变化上。总之，实验结果为TBI的准确分类和治疗提供了数据支撑，并为进一步建立标准动物模型提供了可靠的数据和评估方法。

https://orcid.org/0000-0001-7511-7420 (Guo-Hong Cai); https://orcid.org/0000-0002-3210-9567 (Sheng-Xi Wu); https://orcid.org/0000-0002-0638-4741 (Yan Zhao)

Abstract: Controlled cortical impingement is a widely accepted method to induce traumatic brain injury to establish a traumatic brain injury animal model. A strike depth of 1 mm at a certain speed is recommended for a moderate brain injury and a depth of > 2 mm is used to induce severe brain injury. However, the different effects and underlying mechanisms of these two model types have not been proven. This study investigated the changes in cerebral blood flow, differences in the degree of cortical damage, and differences in motor function under different injury parameters of 1 and 2 mm at injury speeds of 3, 4, and 5 m/s. We also explored the functional changes and mitochondrial damage between the 1 and 2 mm groups in the acute (7 days) and chronic phases (30 days). The results showed that the cerebral blood flow in the injured area of the 1 mm group was significantly increased, and swelling and bulging of brain tissue, increased vascular permeability, and large-scale exudation occurred. In the 2 mm group, the main pathological changes were decreased cerebral blood flow, brain tissue loss, and cerebral vasospasm occlusion in the injured area. Substantial motor and cognitive impairments were found on day 7 after injury in the 2 mm group; at 30 days after injury, the motor function of the 2 mm group mice recovered significantly while cognitive impairment persisted. Transcriptome sequencing showed that compared with the 1 mm group, the 2 mm group expressed more ferroptosis-related genes. Morphological changes of mitochondria in the two groups on days 7 and 30 using transmission electron microscopy revealed that on day 7, the mitochondria in both groups shrank and the vacuoles became larger; on day 30, the mitochondria in the 1 mm group became larger, and the vacuoles in the 2 mm group remained enlarged. By analyzing the proportion of mitochondrial subgroups in different groups, we found that the model mice had different patterns of mitochondrial composition at different time periods, suggesting that the difference in the degree of damage among traumatic brain injury groups may reflect the mitochondrial changes. Taken together, differences in mitochondrial morphology and function between the 1 and 2 mm groups provide a new direction for the accurate classification of traumatic brain injury. Our results provide reliable data support and evaluation methods for promoting the establishment of standard mouse controlled cortical impingement model guidelines.

Key words: cerebral blood flow, cognitive impairments, controlled cortical impingement, ferroptosis, mitochondrial dysfunction, motor impairments, mouse model, traumatic brain injury

. 创伤性脑损伤模型精确分类：从宏观血流到微观线粒体的变化[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(10): 2268-2277.

Ding-Ding Yang, Xiang-Dong Wan, An-Di Chen, Zi-Qian Yan, Yi-Fan Lu, Jun-Chen Liu, Ya-Zhou Wang, Jing Wang, Yan Zhao, Sheng-Xi Wu, Guo-Hong Cai. Characteristics of traumatic brain injury models: from macroscopic blood flow changes to microscopic mitochondrial changes[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(10): 2268-2277.

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延伸阅读

NRR：空军军医大学武胜昔团队报道创伤性脑损伤模型线粒体评估新模式

撰文：杨丁丁

创伤性脑损伤（TBI）是全球范围内的重要健康问题[1]。多项研究表明，颅脑损伤可促进退行性疾病的发展[2]。此外，创伤性脑损伤对患者的认知和情绪有显著影响[3]，是脑出血、脑梗死、脑血管痉挛和癫痫的高危因素[4-6]。控制皮质撞击（CCI）是一种广泛接受的诱导创伤性脑损伤建立创伤性脑损伤动物模型的方法[7]。2018年Siebold等[8]对58项CCI小鼠模型进行综述，根据皮质损伤程度以及改良神经功能评分等指标给出建议：采用1mm的打击深度来建立中度CCI模型，用大于2mm的深度来诱发严重脑损伤。然而，这两种模型小鼠在运动认知等方面的不同影响以及导致不同损伤程度背后的潜在机制以及相关的生物标志物还需要进一步研究。

近日，空军军医大学武胜昔教授团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Characteristics of traumatic brain injury models: from macroscopic blood flow changes to microscopic mitochondrial changes ”的研究论文。该研究首先从速度和深度两个参数维度，通过脑血流检测，病理染色，明胶血管成像，观察了不同损伤参数所导致的即时损伤情况，在第7天观察不同参数下模型小鼠的步态分析和转棒实验，即运动能力检测。根据上述结果作者认为致伤参数中致伤深度在模型的损伤程度中占主要作用。为了深入探究打击深度在致伤程度中的作用，作者确定以5m/s为打击速度，进一步探究了1mm组和2mm组模型小鼠在运动和认知等多方面的功能损伤情况。结果发现1mm组和2mm组无论是在早期(7天)运动和晚期（30天）认知上都存在显著差异。为了进一步探究1mm组和2mm组上述差异背后的机制，作者对其进行了损伤区脑组织的转录组测序并且在线粒体相关基因中发现了显著差异。随后，对两组线粒体进行了透射电镜的微观结构分析，根据文献[9]将线粒体分为四类（正常型，正常反应型，反应-退化型，终末型），统计了损伤早期和损伤晚期两组中不同类型线粒体所占比例，结果显示两组模型小鼠损伤区脑组织存在两种不同的线粒体损伤模式。（图1）。

该研究探讨了在损伤速度分别为3、4、5 m/s时，不同损伤参数分别为1、2 mm时，脑血流的变化、皮质损伤程度的差异、运动功能的差异。还探讨了1-2mm组在急性期（7天）和慢性期（30天）的功能变化和线粒体损伤。结果显示，1 mm组损伤区脑血流明显增加，脑组织肿胀肿胀，血管通透性增加，出现大规模渗出。2 mm组的主要病理改变为损伤区脑血流减少、脑组织丢失、脑血管痉挛闭塞（图2）。2 mm组在损伤后第7天发现明显的运动和认知障碍；损伤后30天，2 mm组小鼠的运动功能明显恢复，而认知障碍持续存在（图3）。转录组测序结果显示，与1 mm组相比，2 mm组表达了更多的铁垂病相关基因。透射电镜观察第7天两组线粒体和第30天线粒体形态变化，第7天两组线粒体均缩小，液泡变大；第30天，1 mm组线粒体变大，2 mm组液泡仍然增大（图4）。通过分析不同组中线粒体亚组的比例，研究团队发现模型小鼠在不同时期的线粒体组成模式不同，可能反映了创伤性脑损伤组间损伤程度的差异（图5）。

图1：文章摘要示意图

图2 1mm组和2mm组30分钟内脑血流变化趋势

图3 1mm组和2mm组运动和认知缺陷

图4 第30天，1 mm组线粒体变大

图5 1mm组和2mm组不同类型线粒体占比情况

综上所述，该研究从脑血流、皮质损伤程度、运动能力和认知能力等多方面评估了不同脑创伤模型小鼠的差异，并且利用透射电镜、线粒体复合体活性、活性氧含量等多种手段检测了模型小鼠之间线粒体形态和功能的差异。该研究结果为促进标准小鼠控制皮质撞击模型指南的建立提供了可靠的数据支持和评价方法，并且提示个性化的线粒体调控可能是治疗颅脑损伤的新思路。

该项目得到科技创新2030-重大项目（2021ZD0201000）、多项国家自然科学基金、陕西省自然科学基金和陕西省科技攻关项目等课题资助。

原文链接：https://doi.org/10.4103/1673-5374.369125

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