В последние годы совершенствование методов акушерской и неонатальной интенсивной терапии привело к значительному увеличению выживаемости недоношенных детей, а частота черепно-мозговых травм у недоношенных детей растет год от года. Хронические неврологические расстройства, такие как церебральный паралич, эпилепсия, трудности в обучении и когнитивные отклонения, остаются примерно у 35% выживших.
Гипоксия-ишемия и инфекция являются основными причинами повреждения мозга у недоношенных детей. Невропатологию можно разделить на.
(i) повреждение белого вещества (ПБВ), включая перивентрикулярную лейкомаляцию (ПВЛ) и диффузное повреждение белого вещества;
(ii) Кровотечение в непаренхимальных областях, включая перивентрикулярно-интравентрикулярное кровоизлияние, субарахноидальное кровоизлияние и кровоизлияние в сосудистое сплетение;
(iii) Травмы других областей, таких как паренхима мозга, мозжечок и ствол мозга.
Внутрижелудочковое кровоизлияние (ВЖК) было преобладающей формой черепно-мозговой травмы у недоношенных детей 10 лет назад, в то время как в настоящее время ВЖК является наиболее распространенным типом черепно-мозговой травмы, возникающей в основном у недоношенных детей в возрасте от 23 до 32 недель гестационного возраста, и является основной причиной тяжелых неврологических последствий. Из них ПВЛ более распространена при ВМИ и характеризуется перивентрикулярными кистами белого вещества и коагуляционным некрозом, проявляющимся повреждением клеток-предшественников олигодендроцитов, диффузным повреждением и нарушением формирования миелиновой оболочки, реактивным глиозом и активацией микроглиальных клеток. Однако в последние годы нейровизуализационные исследования показали, что диффузное поражение белого вещества перевешивает возникновение ПВЛ и преобладает.
При изучении черепно-мозговой травмы у недоношенных детей получение моделей животных является необходимым условием для проведения фундаментальных исследований. С помощью моделей животных можно более детально изучить этиологию, патологию, патогенез, а также лечение и прогноз черепно-мозговой травмы у недоношенных детей. Существует множество животных моделей черепно-мозговой травмы у недоношенных детей, и в данной статье рассматривается текущее состояние исследований.
1. широко используемые животные для изучения черепно-мозговой травмы у недоношенных младенцев
Выбор животной модели черепно-мозговой травмы у недоношенных младенцев, которая наилучшим образом соответствовала бы процессу развития человека, затруднен из-за различий в структуре мозга и стадиях развития разных видов, а также из-за разной скорости развития различных областей мозга. В результате не существует животной модели, которая наилучшим образом имитировала бы болезнь у человека. Независимо от формы травмы, ключом к выбору животного является вид животного и возраст созревания его центральной нервной системы.
В целом, гораздо легче создать модели, приближенные к распределению и морфологическим характеристикам повреждения ВМП человека у животных с полицефалической извилиной, таких как кролики, собаки, свиньи, кошки и овцы, чем у грызунов. Однако в последние годы большее развитие получила модель гипоксически-ишемического повреждения мозга (ГИПМ) у крыс на 1-7 сутки постнатального периода, поскольку модели с использованием мелких животных более выгодны для наблюдения за долгосрочными невропатологическими состояниями и поведенческими аспектами.
Грызун является наиболее популярной моделью для экспериментальных исследований из-за его быстрого воспроизводства и низкой стоимости. Новорожденные крысята, родившиеся в 1 д (постнатальный день 1, P1), 2 д (постнатальный день 2, P2), 3 д (постнатальный день 3, P3) и 5 д (постнатальный день 5, P5), приблизительно эквивалентны жизнеспособным недоношенным младенцам, родившимся в 18-20, 20-24, 24-28 и 28-32 недели гестационного возраста, соответственно. Неонатальная крыса на постнатальный день 7 (P7) использовалась в качестве животной модели полноплодных младенцев, но последние исследования показали, что это эквивалентно почти полному сроку (приблизительно 32-36 недель), а полный срок наступает примерно через 10 дней после рождения.
Модели с использованием крупных неонатальных животных обеспечивают физиологические параметры, которые более близки к внутриутробной или пренатальной ситуации у человека. Модели нечеловеческих приматов представляют большую ценность для исследований, чем животные низших классов, такие как макаки-резусы, макаки и бабуины. Недоношенный бабуин — это модель, которая имеет большое сходство с человеческим неонатальным созреванием и формами повреждения мозга и может помочь предоставить доказательства факторов, связанных с преждевременными родами у людей. Фетальные обезьяны использовались для создания животных моделей ХИБД, но их применение для фундаментальных экспериментальных исследований ограничено из-за их дороговизны и ограниченного количества.
2. Животные модели повреждения мозга у недоношенных младенцев, вызванного гипоксией-ишемией
В 1960 году Левин впервые использовал перевязку общей сонной артерии и гипоксию для создания животной модели ГИБДД, а в 1981 году Райс с успехом применил эту методику к неонатальным крысам. Модель HIBD была создана путем перевязки односторонней общей сонной артерии у неонатальных крыс P7 и помещения их в гипоксическую камеру с ограниченной гипоксией. Эта модель позволяла наблюдать повреждение тканей не только коры головного мозга, гиппокампа, стриатума и таламуса, но и подкоркового и перивентрикулярного белого вещества, и вскоре стала широко использоваться в лабораториях по всему миру как классическая модель неонатальной ГИБДД. Впоследствии ученые сфокусировали свои исследования ХИБД на повреждении белого вещества мозга и создали различные животные модели ХИБД у недоношенных детей.
Шелдон и др. перевязали одностороннюю общую сонную артерию у новорожденных крыс P1, а затем ввели 6% кислородную гипоксию на 3,5 ч. Они обнаружили соответствующее повреждение тканей в ипсилатеральном полушарии головного мозга. Реактивные изменения в астроцитах и микроглии наблюдались на 1-м дне, потеря нейронов и отек в коре и хвостатом ядре на 2-м дне, уменьшение отека на 3-м дне и обширные реактивные изменения в области повреждения со значительной потерей белого вещества на поврежденной стороне на 10-м дне. Эта модель имитирует ХИБД в очень незрелом мозге, воспроизводима и помогает выяснить механизмы потери нейронов и ПВЛ.
Альфреда давала неонатальным крысам P3 в течение 60 минут вдыхать 5% кислород и через 24 часа обнаружила, что 14 из 30 животных в этой модели умерли, а у 9 выживших были повреждения мозга, степень которых соответствовала выжившим недоношенным младенцам с повреждениями мозга. Uehara и др. создали модель ПВЛ путем перевязки двусторонних общих сонных артерий у новорожденных крыс P5. 90,9% белого вещества головного мозга было изменено в возрасте 7 дней, включая коагуляционный некроз и кистозное повреждение во внутренней капсуле и вокруг нее, а также внутреннюю капсулу и Ишемические нейроны были видны в 22,7% коры головного мозга; белое вещество было более подвержено повреждению, чем кора головного мозга, когда церебральное перфузионное давление у крыс снижалось примерно на 25%.
Goñi-de-Cerio и др. перевязывали незрелым эмбрионам ягнят одностороннюю общую сонную артерию на 1 ч. Через 3 ч они обнаружили, что некроз нейронов наблюдался в основном в среднем мозге, попоне, глубоких ядрах мозжечка и базальных ядрах, в то время как апоптотические клетки были широко распространены в белом и сером веществе и не были прикреплены к одной области мозга. У некоторых плодов ягнят наблюдались обширные асимметричные изменения клеточной мембраны и нарушение целостности митохондрий. Эта модель подтверждает, что ранние формы клеточной смерти, такие как апоптоз и некроз после гипоксии-ишемии, специфичны для региона мозга и имеют значительные кинетические характеристики, что говорит о важности спасения клеток, особенно апоптотических, в терапевтических стратегиях.
Недостатком этих моделей является то, что они не имитируют внутриутробную гипоксию, вызванную пренатальными факторами, такими как плацентарная недостаточность, факторы пуповины или материнские причины, которые являются более сложными и разнообразными в своем патогенезе. Модель внутриутробного ХИБД часто создается путем двустороннего пережатия маточных артерий у беременных крыс. Гистопатологические изменения в мозге заключались в дегенерации нейронов, отеке и некрозе, образовании глиальных узелков и некрозе разжиженной ткани мозга с образованием полостей. Модель HIBD была разработана на свиньях. Этот метод привел к увеличению желудочков мозга, уменьшению объемов коры, стриатума и гиппокампа, уменьшению количества нейронов в тканях мозга и ингибированию роста дендритов и аксонов у плода свиньи.
Haan и др. зажатие пуповины беременных овец на 10 минут вызвало преходящую асфиксию у почти доношенных плодов ягнят с гистологическим некрозом нейронов в гиппокампе и угнетением активности нейронов на ЭЭГ. Выжившим кроликам P1 были проведены соответствующие нейроповеденческие тесты. Результаты видеотестов показали, что гипоксическая группа имела значительные дефициты в множественной реактивной деятельности, сосании и глотании координации волевых движений, а также повышенный мышечный тонус и активные сгибательные и разгибательные движения конечностей. Гистопатологическое исследование выявило специфические признаки острого повреждения мозга в подкорковых двигательных путях, включая базальные ганглии и таламус.
Стойкое повреждение хвостатого ядра и таламуса было четко связано с гипертонической дискинезией. Это позволяет предположить, что пренатальная ишемия и гипоксия приводят к гипертонусу и аномальному двигательному контролю. Полученные результаты представляют собой уникальную поведенческую модель для изучения механизмов и последствий перинатальной травмы мозга, вызванной антенатальной гипоксией-ишемией.Inder et al. Для изучения влияния преждевременных родов и неонатальной интенсивной терапии на незрелый мозг были отобраны 16 бабуинов с гестационным возрастом 125 дней (184 дня в срок), которым была предоставлена двухнедельная интенсивная терапия, а нейропатологическая волновая спектроскопия продемонстрировала повреждение белого вещества, внутричерепные кровоизлияния и увеличение желудочков, что было сходно с таковым у человека. Результаты черепно-мозговой травмы у недоношенных детей были весьма схожи.
3. Животные модели вызванного инфекцией повреждения мозга у недоношенных младенцев
3.1 Общепризнано, что перинатальные инфекции и воспаление матери и плода тесно связаны с преждевременными родами и черепно-мозговыми травмами. Воспаление является важным патогенезом черепно-мозговой травмы, согласующимся с другими значительными последствиями черепно-мозговой травмы и дисплазии, и подтверждается соответствующими эпидемиологическими данными и многочисленными моделями на животных, однако причинно-следственная связь между ними остается неясной.
Чтобы изучить механизмы воздействия инфекции на незрелый мозг, для исследования ВМИ был использован ряд моделей неонатальных животных. Например, для моделирования ВМИ использовалось пренатальное или постнатальное введение микроорганизмов, таких как бактерии (Colletotrichum или Gardia vaginalis), вирусы (вирус чумы овец) или бактериальные продукты (липополисахариды). Липополисахарид является наиболее часто используемым инфекционным веществом для создания незрелых моделей ВМИ у мышей, кошек, собак и овец. Механизм, с помощью которого он вызывает повреждение мозга, до конца не изучен и может включать иммунный ответ, который в свою очередь инициирует системный воспалительный ответ, приводящий к системной гипогликемии, свертыванию крови, неадекватной перфузии мозговой крови и активации воспалительных клеток в центральной нервной системе.
Введение липополисахарида овцам до 65% гестационного возраста при полном сроке беременности приводило к распределению ВМИ, сходному с тем, которое наблюдалось при окклюзии пуповины. Хотя морфологические изменения были разными, липополисахарид приводил к большей инфильтрации воспалительных клеток в мозг и местных микроглии/макрофагов, чем обширная реакция микроглиальных клеток, спровоцированная дефицитом церебральной перфузии. Более того, инъекции малых доз липополисахарида сами по себе не имели побочных эффектов у крыс P7, но увеличивали степень повреждения мозга после гипоксии-ишемии, что говорит о восприимчивости бактериальных продуктов к незрелому мозгу.
Если липополисахарид 0,5 мг/кг вводили внутрибрюшинно беременным крысам SD на сроке беременности 18-19 дней, то через 7 дней после рождения развивающийся мозг был аномально миелинизирован, и наблюдалась гибель клеток белого вещества. Кроме того, повреждение мозга, вызванное введением малых доз липополисахарида, скажется во взрослом возрасте. Другие бактериальные продукты, такие как кислоты липидных мембран, также использовались в исследованиях толерантности незрелого мозга, что позволяет предположить, что врожденная иммунная система по-разному реагирует на различные лиганды, и это требует дальнейшего изучения.
4. другие модели черепно-мозговой травмы у недоношенных детей
Такие препараты, как гипероксия, гипертермия и инъекции агонистов рецепторов возбуждающих аминокислот, использовались для моделирования травмы мозга у недоношенных младенцев. Например, животных с рождения и до 5 дней постнатального периода подвергали воздействию 80% кислорода и дважды в день корректировали его уровень, чтобы создать модель гипероксического повреждения мозга, и были обнаружены изменения, схожие с вышеупомянутыми моделями повреждения мозга. В отличие от этого, Nuñez и др. использовали экзогенный мускариновый спирт, селективный агонист рецепторов γ-аминомасляной кислоты, который вводили неонатальным крысам P1, чтобы создать модель повреждения мозга у недоношенных младенцев. На 7 и 21 день постнатального периода наблюдалось уменьшение количества нейронов гиппокампа. Поведенческие функции, связанные с гиппокампом, были снижены, например, способность к обучению в водном лабиринте, до подросткового возраста.
У крыс P5 и P7, которым вводили эксайтотоксичный госсиполизин из двустороннего бокового рога желудочков и белого вещества между сенсомоторными корами передних конечностей, к 14 дню постнатального периода в группе P5 серое вещество коры было интактным, но наблюдалось очаговое снижение миелинизации и региональная кистозная дегенерация. В группе P7 миелинизация была менее нарушена, но присутствовал обширный иммунореактивный дефицит нейромикрофиламентов. Проверка их кортикоспинальной функции через 28 дней после рождения показала, что с возрастом у всех крыс наблюдалось улучшение, при этом гистологическое исследование не выявило различий в площади перерезки переднего мозга, но значительно увеличилась перивентрикулярная область, особенно в группе P7.
Плотность антимиелиновой иммунореактивности в мозолистом теле была значительно ниже в группе P5, чем в переднем отделе. Эта модель, и в частности группа P5, функционально имитировала модель повреждения перивентрикулярного белого вещества, что также позволяет предположить, что P7 является периодом, когда развитие дентария эквивалентно созреванию кортикоспинальной системы человека и восприимчиво к повреждению перивентрикулярного белого вещества, тогда как P5 является периодом, когда клетки-предшественники олигодендроцитов более чувствительны к эксайтотоксичности.
Внутрижелудочковые кровоизлияния в матриксе подколенной ямки — распространенная неврологическая проблема у недоношенных детей. В группе IVH вокруг желудочков было больше нейтрофилов и микроглии, чем в контрольной группе, а перивентрикулярных апоптотических и дегенеративных нейронов было значительно больше, чем в коре головного мозга. Иммунолабирование белка-предшественника бета-амилоида и нейрофиламентов позволило предположить, что произошло повреждение аксонов.
В нейроповеденческом плане группа IVH была менее способна и неустойчива к ходьбе, чем контрольная группа. Признаков острой системной токсичности не обнаружено. Кроме того, те же результаты перивентрикулярного апоптоза и клеточной инфильтрации при IVH были обнаружены при вскрытии недоношенных детей, тогда как в группе без IVH они не были обнаружены. Таким образом, эта модель может быть использована в качестве животной модели IVH у недоношенных младенцев и может предоставить доказательства острого повреждения мозга, закладывая основу для профилактики IVH и осложнений после кровоизлияния.
Создание животной модели травмы мозга у недоношенных детей позволило нам провести углубленные исследования патофизиологических механизмов, лежащих в основе возникновения травмы мозга у недоношенных детей, получить более четкое представление о процессе развития изменений в тканях при травме и ее исходе, а также помочь в валидации терапевтических стратегий и методов лечения и открыть дальнейшие направления для исследований и разработок. В настоящее время не существует единой животной модели, которая могла бы имитировать все повреждения мозга у недоношенных младенцев, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки, поэтому для приоритетных исследований следует выбирать соответствующие животные модели. Предполагается, что в будущем будет создано больше моделей животных, приближенных к клинике, что улучшит наши исследования черепно-мозговой травмы у недоношенных младенцев.