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。
【资料图】
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，作者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）。
图1 文章摘要示意图
本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1mm、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1mm、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，1mm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。2mm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）。2mm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，2mm组小鼠的运动功能明显恢复，而认知障碍持续存在（图3）。
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
转录组测序结果：GSEA显示，与假手术组相比，1mm组和2 mm组中富集的前10个条目中线粒体相关功能条目最多，因此我们得出结论，线粒体损伤在CCI模型中非常重要。1mm组和2mm组中线粒体呼吸链相关基因均显著下降，主要是在线粒体质子转运ATP合酶复合物（线粒体呼吸链复合物V）中，并且发现与1mm组相比，2mm组表达了更多的铁死亡相关基因（图4），故作者进一步对三组进行了线粒体复合物活性检测并且在第7d和第30天在2mm组均发现了显著的线粒体复合物V活性的显著降低（图5），在三组铁死亡程度上进行了普鲁士蓝染色和脂质过氧化产物丙二醛含量的检测，并且在三组间均发现了显著差异，2mm组的铁死亡程度显著高于1mm组和sham组（图6）。
图4 sham组1mm组2mm组损伤区转录组学差异基因
图5 sham组1mm组2mm组在7d和30d线粒体复合物活性检测
图6 sham组1mm组2mm组损伤区普鲁士蓝染色及丙二醛含量检测
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，1mm组线粒体变大，2mm组液泡仍然增大（图7）。
图7 第30天，1mm组线粒体形态改变
在线粒体分类中我们通过线粒体电镜形态学改变（图8）统计了（正常型，正常反应型，反应-退化型，终末型）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9）。
图8 线粒体嵴肿胀和线粒体基质肿胀在电镜中的表现
线粒体嵴损伤导致的可逆性空泡（小而圆，按照线粒体嵴方向排布）
线粒体基质伤导致的不可逆性空泡（大小不一而不规则，随机出现）
图9 1mm组和2mm组不同类型线粒体占比情况
综上所述，作者从脑血流、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。该项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。
本项目得到科技创新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://journals.lww.com/nrronline/Fulltext/2023/10000/Characteristics_of_traumatic_brain_injury_models_.33.aspx
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