Para la realización de este modelo, de manera clásica, se emplea la fuerza gravitatoria y la caída de un peso de masa conocida sobre el cráneo del animal de experimentación (fig. 1A). Para ello, tras anestesiar al roedor se coloca en una superficie horizontal, fijado para evitar el movimiento de la cabeza tras la caída de la pesa. La magnitud de la lesión dependerá de la masa de la pesa y de la altura15.

Figura 1.

Modelos de traumatismo craneoencefálico en roedores. (A) Modelo de caída de peso sobre el cráneo. (B) Modelo de impacto-aceleración por caída libre de un peso: modelo de Marmarou. (C) Modelo de impacto cortical controlado. (D) Modelo de percusión por fluido.

Fuente: Morales DM, Marklund N, Lebold D, Thompson HJ, Pitkanen A, Maxwell WL, et al. Experimental models of traumatic brain injury: do we really need to build a better mousetrap? Neuroscience. 2005;136:971-89. doi:10.1016/j.neuroscience.2005.08.030.

(0.16MB).

Aunque es un modelo fácil de realizar, rápido y económico, su uso no se encuentra muy extendido al presentar una alta variabilidad, ya que se produce la rotura del cráneo en fragmentos óseos de diferente tamaño dependiendo del intercambio de energía al que se realiza el experimento. Otra desventaja es la posibilidad de rebote de la pesa una vez impacta por primera vez sobre el cráneo del animal.

Con objeto de optimizar este modelo, varios grupos de investigación están desarrollando una serie de modificaciones con el fin de aumentar la reproducibilidad y conseguir un daño cerebral específico, alcanzándose la posibilidad de modificar la gravedad del TCE que se desarrolla16.

Este modelo genera una lesión cerebral traumática experimental de tipo focal. Ha sido probado únicamente en roedores. Para su desarrollo es necesario realizar una craneotomía, de manera que un pistón proyecta aire comprimido sobre el encéfalo13.

El dispositivo consiste en un cilindro neumático conectado generalmente con un sistema de rosca a un impactador de 4-5cm de longitud y 1cm de diámetro (fig. 1C). La intensidad del daño cerebral traumático dependerá principalmente de la velocidad del impactador y de la profundidad de la deformación generada. En la mayoría de los trabajos la velocidad utilizada oscila entre 0,5-1,0m/s y la profundidad de la deformación cortical es modulada mediante una barra que sujeta el sistema de impactación. La duración del impacto suele ajustarse entre 25 y 250ms13.

Las lesiones histológicas originadas principalmente en este modelo tras el impacto mecánico son de tipo focal y afectan a la presión intracraneal comprometiendo la presión de perfusión cerebral17,18. En general, el daño cerebral alcanzado con este modelo se caracteriza por una zona de necrosis focal en la corteza, rodeada de un área de edema cerebral, similar a las contusiones en los pacientes con TCE19. Por otro lado, diferentes estudios han demostrado que tras el impacto cortical controlado se puede provocar en menor medida LAD, a nivel subcortical, cerebelo y mesencéfalo, entre otras20,21.

Existen varias ventajas de este modelo. En primer lugar, es posible controlar de una manera eficiente las diferentes variables de tipo mecánico que se desarrollan, de modo que permite una cuantificación más precisa del daño producido sobre el encéfalo.

En segundo lugar, este modelo permite evaluar los efectos producidos por el edema cerebral postraumático, así como el papel de la BHE. Concretamente, mediante este modelo, el grupo de Kiening et al. describieron el papel de la acuaporina-4 (AQP4) en el desarrollo del edema cerebral22. En tercer lugar, su capacidad para estudiar la integridad de la BHE tras el TCE permite explorar diferentes tratamientos farmacológicos que puedan atravesar la BHE. De esta manera se garantiza alcanzar de manera segura las rutas de señalización activadas tras el TCE, tal y como sucede con la melatonina o un mimético de la ApoE23-25. En cuarto lugar, la menor mortalidad de este modelo, al no lesionarse el tronco cerebral, permite conocer a medio plazo los cambios celulares que se producen en el TCE a nivel molecular y genético26-28. La utilización de técnicas de microarray permite analizar alteraciones en un gran número de genes tras aplicar el modelo de impacto cortical controlado. Concretamente se han descrito secuencias de genes relacionados con procesos inflamatorios (IL1α, IL1β y COX2, entre otros), con funciones en el citoesqueleto (sinaptotagmina 4, MAP2, GFAP, nestina y vimentina, entre otros), transducción de señales (ERK y MAPK, entre otros), de regulación del ciclo celular (como las ciclinas)26, así como genes que regulan las rutas de señalización por calcio (proteína kinasa C beta y proteína kinasa 1β calcio/calmodulina dependiente)28. Este modelo también ha sido utilizado para el estudio de cambios fisiopatológicos en relación con el receptor GABAA en cultivos de células granulosas dentadas27. Por último, desde un punto de vista clínico, se ha evaluado el papel de las contusiones cerebrales de repetición, frecuentemente asociadas a determinados deportes de contacto (boxeo, rugby, etc.), permitiendo estudiar a nivel experimental la ansiedad y los problemas motores derivados, así como caracterizar a la corticosterona como posible biomarcador de estas lesiones29.

Este modelo genera hipertensión intracraneal transitoria, reproduciendo el efecto de compresión generado por una lesión focal ocupante de espacio (LOE) en el encéfalo y el desarrollo posterior de edema tras la evacuación quirúrgica del mismo. En este modelo se realiza un pequeño trépano a través del cual se aloja una sonda elástica en el espacio epidural, y una vez dentro se infla dicha sonda a modo de globo, produciendo el efecto de una LOE30-33 (fig. 2).

Figura 2.

Modelo de hipertensión intracraneal mediante lesión ocupante de espacio en rata tras craneotomía.

Fuente: Lopez-Valdes et al.33.

(0.04MB).

Las LOE traumáticas son responsables de la hipertensión intracraneal en un 30-50% de los TCE30. Dicho incremento sostenido de la presión intracraneal se reconoce como uno de los principales mecanismos que ensombrecen el pronóstico de los pacientes con TCE y, al igual que sucede en el modelo de impacto cortical controlado, existe una pérdida en la integridad de la BHE que conlleva la formación de edema cerebral.

Este modelo es altamente reproducible, económico y de fácil metodología, ya que las variables de volumen y de tiempo de llenado/evacuación del balón son fácilmente controlables. Sin embargo, es conocido que la lesión cerebral traumática grave no suele ser única, máxime ante la presencia de una LOE de alto volumen, hecho que dificulta la extrapolación de estos resultados a la clínica30-33.

En muchas ocasiones las lesiones producidas por un TCE vienen determinadas por una aceleración rápida de la región craneoencefálica, sin que exista un impacto directo por un objeto. La oscilación y rotación del cerebro dentro del cráneo genera una deformación del mismo, hecho que se traduce en LAD. El movimiento empleado es de tipo rotacional, creándose primero una aceleración prolongada seguida de una deceleración brusca en un corto periodo de tiempo, por lo que se habla de «aceleración-desaceleración» a nivel cerebral.

Este tipo de intercambio indirecto de energía ha sido recreado en distintos modelos animales de TCE, tales como cerdos, ovejas y primates7,34. Varios estudios en cerdos de estatura pequeña de la raza Hanford han demostrado que una aceleración rotacional de la cabeza produce una LAD, pudiéndose ver afectado el tallo troncoencefálico, e incluso se ha constatado la inducción del coma al afectarse el sistema reticular ascendente35,36.

En general estos modelos han demostrado reproducir con efectividad los mecanismos fisiopatológicos que suceden en los pacientes que presentan una LAD tras el TCE. Sin embargo, tienen como principal desventaja su elevado coste, dado que al utilizar animales grandes los requerimientos técnicos y las instalaciones son muy sofisticadas. Por último, es preciso subrayar que, debido a la diferente masa cerebral interespecies, la extrapolación de los resultados obtenidos en cada trabajo depende del tipo de animal utilizado, así como también se hace patente la dificultad de traslación de estos hallazgos a la práctica clínica diaria.

El modelo desarrollado por Marmarou et al. es uno de los más utilizados en roedores, debido a su bajo coste y a su alta reproducibilidad37. Es un modelo de impacto-aceleración por caída libre de un peso sobre el cráneo. Tal y como se muestra en la figura 1B, el animal se coloca sobre una superficie de gomaespuma, se expone el cráneo del roedor y se fija un disco metálico al mismo, el cual permitirá que la energía del impacto se distribuya de manera homogénea, disminuyendo así la posibilidad de fractura craneal y la génesis de lesiones focales. El grado de lesión cerebral se encuentra íntimamente relacionado con el tamaño de la pesa seleccionado y la altura desde la que se deja caer.

Una de las grandes ventajas de este modelo es que consigue simular la LAD traumática y el desarrollo posterior de edema cerebral13,38. El proceso de swelling está asociado con una rotura de la BHE que conlleva una respuesta neuroinflamatoria dentro del compartimento intracraneal39. Por ello, este modelo sirve para estudiar la integridad y la funcionalidad de la BHE, así como para valorar posibles moléculas o tratamientos dirigidos a mejorar los resultados funcionales tras el TCE40. En definitiva, el modelo del grupo de Marmarou simula de una manera apropiada el TCE resultante en los accidentes de tráfico, y además ha demostrado su utilidad para estudiar el TCE por repetición38,41.

Las desventajas de este modelo están relacionadas principalmente con la limitación del investigador para controlar las fuerzas biomecánicas del impacto, pudiéndose producir un efecto de rebote de la pesa sobre el cráneo, generando lesiones no controladas tras el primer intercambio de energía.

Este modelo se diseñó inicialmente para mimetizar la lesión cerebral focal. Pero a pesar de que la mecánica teórica del mismo se orienta a la génesis de un daño focal, en algunos casos, la energía liberada en el impacto puede producir LAD, por lo que se considera un modelo de daño cerebral traumático mixto42-44.

Para la realización de este modelo, previamente debe llevarse a cabo una craneotomía, de manera que el intercambio de energía viene dado por la aplicación de presión por medio de un fluido directamente sobre la duramadre del animal de experimentación. Para ejercer esta presión se emplea un péndulo unido a un pistón, el cual mueve una determinada masa de líquido, originando la presión prefijada en el experimento (fig. 1D). Este impacto produce desplazamiento y daño por deformación del tejido neuronal. A su vez, la magnitud del daño dependerá de la cantidad de líquido utilizado13,45.

En los primeros modelos el impacto se desarrollaba a nivel de la línea media del cerebro46. Posteriormente, otros grupos comenzaron a realizar la lesión en uno de los dos hemisferios cerebrales, denominándose «modelo de percusión lateral por fluido». Se ha demostrado que la lateralización del daño permite investigar y comparar la extensión de la lesión en ambos hemisferios por separado. Además, pequeñas variaciones en la posición de la craneotomía pueden causar diferencias significativas en la gravedad del daño cerebral47. El modelo de percusión lateral por fluido produce una contusión cortical focal y un daño subcortical difuso. Hicks et al. demostraron con este modelo la persistencia de una serie de cascadas degenerativas tras el TCE en zonas vulnerables del cerebro, tales como el tálamo, el hipocampo ipsilateral, el septum medio, estriado y la amígdala48.

Las manifestaciones histológicas obtenidas con el modelo de percusión por fluido son múltiples, siendo capaz de reproducir la generación de hemorragia intracerebral, swelling, y daño progresivo de la sustancia gris, afecciones propias del daño cerebral traumático en humanos49. Además, en este modelo se ha detectado un aumento de la presión arterial y un aumento de la presión intracraneal. Aunque en principio este modelo pretende simular una lesión de tipo focal, como se ha comentado con anterioridad, es conocido que produce una lesión de tipo mixta, pues desencadena procesos como LAD, neuroinflamación y edema en el parénquima cerebral50,51. Este modelo ha sido empleado en estudios de memoria, déficits cognitivos y de aprendizaje y déficit de comportamiento a nivel experimental50-54.

El modelo de percusión por fluido posee una serie de ventajas, como son su bajo coste, la recreación de una contusión cerebral similar a la que sucede en seres humanos, así como una alta reproducibilidad. Pero a pesar de ser un modelo que se emplea con relativa frecuencia, la principal desventaja es la dificultad de mantener un adecuado control de la calibración y del mantenimiento del sistema de percusión, al poder generarse posibles burbujas de aire en el líquido. Este hecho puede conllevar una cierta variabilidad en el grado de la lesión alcanzada. Por otro lado, este modelo no excluye un daño múltiple, pudiendo afectar, entre otras áreas, al troncoencéfalo45,46.

En este modelo se simula un TCE secundario a la detonación de un explosivo. Los daños cerebrales ocasionados en este tipo de traumas son múltiples y variados. Las explosiones pueden asociar múltiples elementos inertes que son despedidos e impactan a modo de proyectiles en el cráneo, o bien el daño cerebral se produce por la propia onda expansiva tras la detonación. Por ello, a la hora de diseñar modelos experimentales tipo blast, es necesario que sean reproducibles y que contemplen dichos aspectos de manera independiente o simultánea. En los modelos experimentales tipo blast las lesiones en el TCE son tanto focales como difusas, presentándose un daño de tipo mixto55.

Dentro de los múltiples modelos tipo blast, uno de los más utilizados es el modelo de daño cerebral por penetración balística. Este modelo es diseñado con el fin de simular el daño producido por un proyectil u objeto en el cerebro55-57 (fig. 3). También existen otros modelos tipo blast en los que se combinan específicamente un daño de LAD y el desarrollo de contusiones cerebrales55,57 (fig. 4).

Figura 3.

Modelo de simulación de impacto por un proyectil.

Fuente: Risling y Davidsson55.

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Figura 4.

Modelo blast tipo mixto.

Fuente: Risling y Davidsson55.

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En otra versión del modelo tipo blast, el daño es producido por medio de las ondas liberadas a través de la detonación de un explosivo. Para ello, se emplea un cilindro metálico, el cual presenta uno de los extremos cerrados y está en contacto con la detonación. En el otro lado del tubo se coloca al roedor anestesiado introducido en un compartimento que impide cualquier tipo de movimiento una vez se produzca la detonación. Para la detonación se puede emplear un explosivo plástico o aire comprimido58,59. Se han reconocido distintos tipos de fenómenos histológicos tras este tipo de lesión, entre los que se incluyen la LAD, el daño en la sustancia blanca, la neurodegeneración y la activación de la glía60.

Los modelos de lesión cerebral tipo blast generalmente poseen una alta reproducibilidad y gracias a ellos se pueden estudiar múltiples respuestas tras el TCE, como son la respuesta inflamatoria secundaria, contusiones o lesiones axonales55,57,58. Dependiendo del modelo a utilizar, el mayor inconveniente es que suelen requerir un alto gasto económico y, según el caso, presentan una complejidad elevada por el tipo de materiales necesarios para su desarrollo.