Riassunto analitico
Introduzione. Il trauma cranico lieve (mild traumatic brain injury: mTBI) quando isolato è caratterizzato per lo più da sintomi transitori, tuttavia, se ripetuto (repetitive mild traumatic brain injury: rmTBI) può indurre fenomeni cronici neurodegenerativi. Ad oggi non sono molti i mezzi diagnostici in grado di valutare lo sviluppo degli effetti a lungo termine del rmTBI. In un modello murino di rmTBI abbiamo studiato se i livelli plasmatici del neurofilamento leggero (NfL), un marcatore di danno assonale, potessero fornire indicazioni sulla neurodegenerazione.
Metodi. Topi adulti, maschi e femmine, del ceppo C57BL/6J sono stati anestetizzati e sottoposti a TBI lieve singolo (smTBI) o ripetuto (cinque impatti controllati ogni 48 ore, rmTBI) eseguito con un dispositivo elettromagnetico. I topi sham sono stati sottoposti alle stesse manipolazioni chirurgiche escluso il TBI. I deficit sensorimotori sono stati valutati periodicamente mediante i test simple neuroassessment of asymmetric impairments e neuroscore, per 12 mesi dopo il rmTBI. Le funzioni cognitive sono state invece valutate con il test novel object recognition eseguito a 6 e 12 mesi. 6 e 12 mesi dopo rmTBI e sham sono stati sottoposti a risonanza magnetica strutturale (magnetic resonance imaging: MRI) per valutare i volumi delle aree cerebrali. I livelli plasmatici di Nfl sono stati analizzati longitudinalmente fino a 12 mesi. L’analisi neuropatologica è stata eseguita a 12 mesi. Un gruppo indipendente di topi è stato infine utilizzato per investigare se la suscettibilità cerebrale all’evento traumatico ripetuto sia dipendente dall’intervallo inter-rmTBI. I topi sono stati esposti a 2 TBI a distanza di 2, 7 o 14 giorni e nelle diverse condizioni sono stati analizzati i livelli plasmatici acuti di NfL e il comportamento iperattivo.
Risultati. Il rmTBI induce un’alterazione acuta ma apparentemente transitoria delle funzioni sensorimotorie. Tuttavia in fase cronica, 12 mesi dopo rmTBI si osserva un nuovo declino della funzione sensorimotoria rispetto ai topi sham (p>0,001 rmTBI vs sham). Allo stesso modo, le funzioni cognitive sono normali a 6 mesi, mentre a 12 mesi i topi mostrano segni di deficit mnemonici (p<0,01 rmTBI vs sham). Dalla quantificazione delle immagini di MRI strutturale si è osservata atrofia del corpo calloso nel gruppo rmTBI sia a 6 che a 12 mesi (p<0,001 vs sham). L'analisi istopatologica eseguita a 12 mesi ha confermato l'atrofia del corpo calloso e ha evidenziato la presenza di danno assonale e neuroinfiammazione nel gruppo rmTBI rispetto ai topi sham. I livelli di NfL plasmatico sono elevati nei topi rmTBI a 1 settimana (p<0,001 vs sham) e correlati all’atrofia del corpo calloso a 12 mesi (Pearson r=0,72, p<0,01). Nel gruppo sperimentale indipendente, esposto a 2 TBI si e’ osservato che aumentando la distanza inter-TBI, i livelli plasmatici di NfL si riducono significativamente con i valori massimi osservati nel gruppo esposto a rmTBI con due giorni di intervallo ai gruppi con 7 e 14 giorni di intervallo (p<0,05). Inoltre, è stata osservata una correlazione tra i livelli di NfL e l’attività motoria, indice di comportamento iperattivo, valutata con il test open field.
Conclusioni. Il rmTBI induce una patologia cronica della sostanza bianca associata a deficit funzionali. L' analisi dei campioni di sangue nei rmTBI ha evidenziato l’esistenza di una correlazione tra i valori di NfL nel plasma a tempi acuti e il grado di atrofia del corpo calloso osservato un anno dopo rmTBI, dimostrando l’utilità di NfL come biomarcatore prognostico. I risultati ottenuti suggeriscono inoltre una possibile applicazione di NfL come indicatore di suscettibilità cerebrale al rmTBI con implicazioni in ambito sportivo per il monitoraggio degli effetti post-traumatici e con possibili indicazioni circa il rientro in campo degli atleti esposti a trauma.
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Abstract
Background. Mild traumatic brain injury (smTBI) is characterized mostly by transient symptoms, but when repeated (rmTBI) in a time window of brain vulnerability can lead to the development of neurodegenerative processes.
Diagnostic tools able to evaluate impending neurodegeneration and functional decline triggered by rmTBI are lacking. In a mouse model of rmTBI we investigate whether plasmatic levels of neurofilament light (NfL), a marker of axonal damage, could inform on chronic neuropathology before the occurrence of functional impairment.
Methods. Anesthetized adult C57BL/6J mice were subjected to one (smTBI procedure) or five (rmTBI procedure) injuries every 48 hours by electromagnetic controlled impact device. Sham mice underwent the same surgical procedure but no injury. Sensorimotor deficits were evaluated up to 12 months post-injury by simple neuro-assessment of asymmetric impairments and neuroscore tests. Cognitive function was evaluated by the novel object recognition test at 6 and 12 months. Structural magnetic resonance imaging (MRI) was done at 6 and 12 months to examine brain volumes. Plasma levels of NfL were assessed longitudinally up to 12 months. Brain histopathology was performed at 12 months. Independent groups of mice were used to evaluate the effect of two mTBIs with an inter-trial intervals of 2-, 7- and 14-days on acute plasma NfL levels and on behavioral hyperactivity.
Results. After an acute transient impairment, sensorimotor function declined again in rmTBI mice not earlier than 12 months post injury (p <0.001 vs sham). Similarly, rmTBI mice showed memory impairment at 12 (p <0.01 vs sham) but not at 6 months. Callosal atrophy, evaluated by structural MRI was evident in rmTBI mice at both 6 and 12 months (p<0,001 vs sham). Histopathology at 12 months showed an atrophy of the corpus callosum with evidence of axonal injury and neuroinflammation in rmTBI compared to sham. Plasma NfL at 1 week was elevated in rmTBI (p <0.001 vs sham), and its level correlated with callosal atrophy at 12 months (Pearson r=0.72, p <0.01). Higher levels of NfL were present in mice subjected to short (2d) compared to longer (7 and 14d) inter-injury intervals (p <0.05). Furthermore, Nfl levels correlated with the mobility time measured with the open field test at three days after the last injury (Pearson r=0.50; p <0.05), where a high time spent in movement was indicative of behavioral hyperactivity.
Conclusions. rmTBI produces chronic white matter pathology associated with functional impairment. NfL levels in plasma early after rmTBI predict white matter atrophy one year after rmTBI and can be used to monitor brain susceptibility to a second mTBI thus supporting its potential clinical application to guide the recovery and the return to practice in activities associated TBI.
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