Method Article
Un modèle imitant le scénario clinique des brûlures et des infections est nécessaire pour faire avancer la recherche sur les brûlures. Le présent protocole démontre un modèle simple et reproductible d’infection par brûlure chez le rat, comparable à celui de l’homme. Cela facilite l’étude des brûlures et des infections après brûlure pour le développement de nouveaux traitements antibiotiques topiques.
Les méthodologies d’induction des brûlures ne sont pas décrites de manière cohérente dans les modèles de rats. Un modèle uniforme de brûlure, qui représente le scénario clinique, est nécessaire pour effectuer des recherches reproductibles sur les brûlures. Le présent protocole décrit une méthode simple et reproductible pour créer des brûlures de toute épaisseur de ~20% de la surface corporelle totale (TBSA) chez les rats. Ici, une tige de cuivre de 22,89 cm2 (5,4 cm de diamètre) chauffée à 97 °C dans un bain-marie a été appliquée sur la surface de la peau du rat pour provoquer la brûlure. Une tige de cuivre avec une conductivité thermique élevée a pu dissiper la chaleur plus profondément dans le tissu cutané pour créer une brûlure de pleine épaisseur. L’analyse histologique montre un épiderme atténué avec des dommages coagulatifs à toute l’épaisseur du derme et du tissu sous-cutané. De plus, ce modèle est représentatif des situations cliniques observées chez les patients hospitalisés souffrant de brûlures à la suite de brûlures telles qu’une dysrégulation immunitaire et des infections bactériennes. Le modèle peut récapituler l’infection bactérienne systémique par les bactéries à Gram positif et à Gram négatif. En conclusion, cet article présente un modèle de brûlure de rat robuste et facile à apprendre qui imite les situations cliniques, y compris la dysrégulation immunitaire et les infections bactériennes, ce qui est d’une utilité considérable pour le développement de nouveaux antibiotiques topiques pour les brûlures et les infections.
Les brûlures sont parmi les formes de traumatisme les plus dévastatrices, avec des taux de mortalité atteignant 12%, même dans les centres spécialisésdans les grands brûlés 1,2,3. Selon des rapports récemment publiés, ~ 486 000 patients brûlés nécessitent des soins médicaux chaque année aux États-Unis, avec près de 3 500 décès 1,2,3,4,5,6. Les brûlures constituent un défi majeur pour le système immunitaire des patients et créent une plaie ouverte importante, qui est lente à guérir, les laissant vulnérables à la colonisation cutanée, pulmonaire et systémique par des bactéries nosocomiales et opportunistes. La dérégulation immunitaire combinée à l’infection bactérienne est associée à une augmentation de la morbidité et de la mortalité chez les patients brûlés7.
Un modèle de brûlure et d’infection animale est essentiel pour étudier la pathogenèse des infections bactériennes à la suite de lésions cutanées et d’une suppression immunitaire associée à un traumatisme par brûlure. De tels modèles permettent la conception et l’évaluation de nouvelles méthodes de traitement des infections bactériennes chez les patients brûlés. Les rats et les humains partagent des caractéristiques physiologiques et pathologiques cutanées similaires qui ont été précédemment documentées8. De plus, les rats sont de plus petite taille, ce qui les rend plus faciles à manipuler, plus abordables et plus faciles à se procurer et à entretenir que les modèles animaux plus grands.
Ces caractéristiques font des rats un animal modèle idéal pour étudier les brûlures et les infections9. Malheureusement, la technique d’induction des brûlures est incohérente et souvent décrite de manière minimale10,11,12,13,14. Le présent protocole est conçu pour mettre au point une procédure simple, rentable et reproductible pour créer une brûlure constante sur toute l’épaisseur dans un modèle de rat qui simule le scénario clinique et peut être utilisé pour évaluer l’immunosuppression et l’infection bactérienne.
Toutes les procédures ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’Université de Caroline du Nord et ont été menées conformément à ses lignes directrices établies. Des rats Sprague Dawley mâles et femelles (250-300 g) âgés de 7 à 9 semaines ont été utilisés pour les expériences. Tous les animaux ont été logés dans un cycle lumière-obscurité de 12 h:12 h avec un accès gratuit à la nourriture et à l’eau ad libitum. Travaillez toujours avec votre vétérinaire institutionnel au sujet d’un plan analgésique avant le début de l’étude.
1. Préparer les rats à la brûlure
2. Provoquer la brûlure chez le rat
3. Préparation de l’inoculum bactérien et de l’infection
4. Évaluation de la brûlure
5. Post-traitement des échantillons de rats et dénombrement des bactéries
Le protocole présenté ici est hautement reproductible et a entraîné une brûlure au troisième degré de pleine épaisseur chez les rats. La plaie de brûlure apparaît blanc cireux après induction de la brûlure (Figure 2B). La couleur de la brûlure est passée du blanc au brun au cours des 72 heures suivant la brûlure (figure 2B-E).
L’analyse histologique a confirmé une combustion sur toute l’épaisseur (profondeur >2,61 mm à 24 heures après la combustion; Figure 3B). Par rapport à la peau intacte non brûlée, les échantillons de peau d’animaux brûlés ont montré des signes de blessures dans toutes les couches à 24, 48 et 72 heures après la brûlure (Figure 3). De plus, l’analyse histologique a montré une destruction complète de la couche épidermique et des dommages à toute l’épaisseur du derme avec implication de la graisse sous-cutanée et du muscle squelettique (Figure 3B).
Pour évaluer la clairance bactérienne, divers tissus ont été prélevés à 24, 48 et 72 heures après l’infection par P. aeruginosa et S. aureus. Des bactéries ont été récupérées au site d’infection pour tous les rats brûlés (figure 4A,B). De plus, le nombre de bactéries récupérées dans la peau de rats brûlés était inférieur à l’inoculum initial pour P. aeruginosa 24 heures après l’infection, tandis que les échantillons de tissus prélevés 48 et 72 heures après la brûlure et l’infection ont montré une augmentation de la charge bactérienne (figure 4A). En revanche, une augmentation de 2 log10 a été observée à tous les points temporels de S. aureus dans la peau par rapport à l’inoculum initial (figure 4B). Cela suggère que S. aureus a pu établir l’infection en raison de sa réplication active dans les tissus et pas seulement en raison de l’immunosuppression induite par la brûlure.
Différentes couches de la peau (c.-à-d. le tissu sous-cutané, les muscles et les organes distaux) ont également été analysées pour examiner la dissémination bactérienne. Le tissu sous-cutané et les muscles présentaient une charge bactérienne plus élevée que le poumon et la rate. Prises ensemble, ces données montrent que les rats brûlés développent une infection systémique 24 h ou 48 h après l’inoculation de la plaie avec P. aeruginosa (figure 4A) ou S. aureus, respectivement (figure 4B). Des numérations globulaires complètes ont également été obtenues à l’aide d’un analyseur hématologique (voir le tableau des matières) au départ et 72 heures après une brûlure. Le nombre total de globules blancs a diminué au fil du temps, ce qui indique une immunosuppression. Le nombre de neutrophiles a diminué après la brûlure, mais a augmenté après l’infection à 72 heures par rapport à la ligne de base (tableau 1). Cependant, une augmentation du nombre de globules rouges et de plaquettes a été observée après une brûlure et une infection, indiquant une inflammation systémique.
Figure 1 : Tige de cuivre utilisée pour infliger l’induction de brûlures. Le poids de la tige sur mesure est de 420 g avec un diamètre de 5,4 cm et une hauteur de 6,4 cm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Vue macroscopique de la face dorsale du rat avant et après induction de la brûlure. (A) Rat dorsum après rasage, (B) immédiatement après la brûlure, (C) 24 h après la brûlure, (D) 48 h après la brûlure, et (E) 72 h après la brûlure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Images représentatives des coupes transversales colorées au H&E pour chaque niveau de gravité de la brûlure. (A) L’histologie de la peau de rat simulée montre une distinction claire entre l’épiderme, le derme et les couches de tissus sous-cutanés. (B) L’histologie de la peau 24 h après la brûlure montre un épiderme atténué avec des dommages coagulatifs sur toute l’épaisseur du derme et du tissu sous-cutané avec une profondeur de brûlure maximale de >2,61 mm. (C) À 48 heures après la combustion, la profondeur maximale de combustion était de 2,35 mm, et (D) à 72 h après la combustion, la profondeur maximale de combustion était de 2,20 mm. Les images ont été numérisées à un grossissement de 40x. Barres d’échelle = 500 μm (A-D). Abréviation : H&E = hématoxyline et éosine. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4: Quantification de la charge bactérienne dans différents organes après infection de la plaie brûlée. Les rats ont été infectés par 6 log UFC de la bactérie par injections sous-cutanées 15 minutes après la brûlure. La peau, les tissus sous-cutanés, les muscles, les poumons et la rate ont été prélevés 24, 48 et 72 heures après l’infection pour déterminer la progression de la maladie systémique. Trois rats ont été utilisés à chaque point temporel. (A) Pseudomonas aeruginosa PA01, (B) Staphylococcus aureus ATCC25923. Abréviation : UFC = unités formant colonies. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Type de cellule | Base de référence (moyenne ± écart-type) | 72 h Non infecté (moyenne ± écart-type) | 72 h infectés (moyenne ± écart-type) |
Globules blancs (109/L) | 16,9 ± 4,9 | 7,1 ± 2,0 | 6,50 ± 5,5 |
neutrophiles (109/L); (%) | 4,0 ± 1,1; (24,3 ± 2,8) | 1,4 ± 0,4; (20,2 ± 5,7) | 1,88 ± 1,0; (35,0 ± 12,4) |
lymphocytes (109/L); (%) | 11,6 ± 4,1; (68,5 ± 1,7) | 4,8 ± 1,7; (66,5 ± 7,6) | 3,54 ± 3,9; (46,4 ± 17,0) |
Monocytes (109/L); (%) | 0,9 ± 0,3; (5,4 ± 1,5) | 0,8 ± 0,2; (11,5 ± 1,6) | 1,0 ± 0,6; (17,3 ± 5,5) |
Globules rouges (1012/L) | 7,5 ± 0,3 | 7,1 ± 0,8 | 10,0 ± 1,1 |
Hémoglobine (g/dL) | 14,3 ± 0,7 | 13,4 ± 1,0 | 18,6 ± 2,0 |
Plaquettes (109/L) | 723,3 ± 353,1 | 942,7 ± 43,1 | 1359,0 ± 228,5 |
HCT (%) | 45,6 ± 3,0 | 39,9 ± 3,7 | 55,7 ± 8,2 |
Tableau 1 : Paramètres hématologiques avant et après l’infliction de brûlures et l’infection. Abréviation : HCT = hématocrite.
Fichier supplémentaire 1 : Étapes d’analyse des images H&E dans Aperio ImageScope. Abréviation : H&E = hématoxyline et éosine. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Plusieurs modèles de brûlures ont été présentés pour étudier la physiopathologie des brûlures 8,12,16,17. Dans la présente étude, nous avons utilisé un modèle de rat pour développer un protocole simple et reproductible pour induire une brûlure de pleine épaisseur suivie d’une infection bactérienne pour simuler un traumatisme de brûlure infecté chez les patients. Le choix du rat comme modèle animal pour imiter les conditions humaines est basé sur un équilibre entre le coût, la facilité d’utilisation, la reproductibilité et la fiabilité des données. Le modèle de rat utilisé ici présente de nombreux avantages par rapport aux autres : il est facile à manipuler et est le modèle de brûlure le plus couramment utilisé, ce qui permet des comparaisons dans la littérature. Bien que le rat soit largement utilisé dans le cadre expérimental, les téguments du rat et de l’homme ne sont pas histologiquement identiques18,19. Le tégument du rat est composé de la peau, une couche graisseuse connue sous le nom de panniculus adiposus, et sous cette couche se trouve une gaine de tissu conjonctif lâche associée à du tissu adipeux blanc et à un muscle lisse formant une couche connue sous le nom de panniculus carnosus. Cette dernière couche est absente dans la majeure partie du tégument humain. Ceci est important, car ses cellules musculaires lisses favorisent une contraction rapide et ample de la plaie20. De plus, il faut noter que les mécanismes de cicatrisation des plaies des rats sont sensiblement différents de ceux des humains8. Par conséquent, les chercheurs devraient garder cela à l’esprit lorsqu’ils interprètent les résultats du protocole décrit dans cet article. Néanmoins, l’utilité du modèle du rat pour étudier les brûlures localisées et la septicémie post-brûlure est incontestable et a produit de nombreuses données cliniquement fiables et transférables21. De plus, les rats ont plus de surface que les autres petits animaux, ce qui permet l’induction de brûlures relativement plus grandes, ce qui en fait un bon modèle pour les études de brûlures cliniquement pertinentes.
Différentes méthodes d’induction de combustion ont été publiées, y compris l’eau bouillante16, la barre de laiton chauffée 22, le gabarit en aluminium chauffé17, une plaque chauffante à température constante placée sur des tiges en acier inoxydable23 et l’échaudage sur 45% de la surface du corps24. Un protocole expérimental idéal aurait la capacité d’obtenir des brûlures de taille et de profondeur constantes. Dans la présente étude, 420 g de tiges de cuivre chauffées dans de l’eau à 97 °C ont été utilisées pour transférer la chaleur par conductance directe afin d’induire la brûlure. Lors de l’induction de la brûlure, les bâtonnets ont été directement touchés à la surface de la peau sans appliquer de pression externe, car la conductance d’énergie thermique d’une structure solide à une surface de peau ne dépend pas de la pression employée mais plutôt du gradient de température 25 et de la distance entre la structure solide et la peau17,25. Les facteurs qui ont déterminé le choix du métal comprenaient la conductivité thermique et la capacité de résister à la rouille et à la corrosion.
Le cuivre a une conductivité thermique élevée (398 W / mK; où W est la chaleur en watts, m est la surface en mètres, K est la température en kelvin) par rapport à l’acier inoxydable, l’aluminium ou le laiton avec 16 W / mK, 225 W / mK et 109 W / mK, respectivement9. Les tiges métalliques à haute conductivité thermique dissiperaient l’énergie thermique plus rapidement dans les tissus cutanés que les tiges à faible conductivité thermique et induiraient un niveau de brûlure plus profond dans la même durée d’exposition. De plus, la taille et le poids de la tige ont été mis à l’échelle allométriquement à partir du modèle de brûlure chez les souris 7,26,27 et induisent une combustion TBSA d’environ 20%. Une tige de 1,9 cm de diamètre (la surface de combustion totale est de 11,3 cm2 chez une souris après quatre applications) a été mise à l’échelle à 5,4 cm de diamètre (la surface de combustion totale est de 91,6 cm2 chez un rat après quatre applications) pour induire une combustion similaire de ~20%-30% TBSA chez le rat (TBSA d’un rat de 220 g est de 356,0 cm 2)28, considérant que le TBSA du rat est 6x plus grand que celui de la souris (TBSA d’une souris de 20 g mesure 61,2 cm2)29. Les résultats démontrent clairement que cette méthode induisait une brûlure sur toute l’épaisseur, et l’analyse histologique a indiqué un excellent contraste entre les tissus cutanés normaux et brûlés à différents moments après la brûlure (Figure 3). Ce modèle a également permis de capturer l’immunosuppression, ce qui est observé chez les patients après une brûlure30,31 (tableau 1).
Les infections bactériennes sont une menace importante qui compromet le processus de guérison des patients brûlés et sont souvent la principale cause de morbidité et de mortalité après des brûlures. Pour simuler des conditions similaires, le rat a été infecté à la suite d’une brûlure avec P. aeruginosa ou S. aureus. Initialement, nous avons essayé l’application topique de la bactérie, mais l’aspect cireux de la surface brûlée a inhibé l’absorption de l’inoculum bactérien. Ce modèle a également permis de récapituler la progression systémique de la maladie à la suite d’une infection bactérienne du site de la brûlure, comme on l’a vu avec la charge bactérienne récupérée dans les poumons et la rate (Figure 4). En conclusion, nous avons démontré une méthode simple et reproductible pour créer des brûlures de pleine épaisseur qui présentent bon nombre des caractéristiques observées dans les brûlures humaines. Ce protocole peut aider à étudier une grande variété de nouveaux traitements topiques pour le traitement des brûlures infectées. Ce modèle peut également être utilisé comme modèle rentable pour évaluer différents pansements.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Les auteurs remercient la Division de médecine comparée de l’Université de Caroline du Nord pour la fourniture et les soins des animaux. Nous remercions Lauren Ralph et Mia Evangelista du noyau des services de pathologie pour leur assistance technique spécialisée en histopathologie / pathologie numérique, y compris la coupe tissulaire et l’imagerie. Cette recherche a été financée par une subvention de recherche du ministère de la Défense (numéro d’attribution W81XWH-20-1-0500, GR et TV).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 mL syringe | BD, USA | 309597 | Used to inject the analgesic |
1.7 mL Microtube | Olympus, USA | 24-282 | Used to carry morphine |
10% NBF | VWR, USA | 16004-115 | Used to fix the skin piece for staining |
30 mL syringe | BD, USA | 302832 | Used to inject the lactate ringer solution |
70% ethyl alcohol | Fischer Scientific, USA | BP28184 | |
Aperio AT2 Digital Pathology Slide Scanner with ImageScope software | Aperio, Technologies Inc., Vista, CA, USA | n/a | Scanning of H & E slides and analysis |
Cetrimide agar plates | BD, USA | 285420 | Selective media plates for Pseudomonas aeruginosa growth |
Copper rods | n/a | n/a | Used to induce the burn injury |
Cotton tipped applicators | OMEGA Surgical supply, USA | 4225-IMC | Used to apply eye ointment |
Electric shaver | Oster, USA | Golden A5 | Used to remove the dorsal side hairs |
Eye lube | Dechra, UK | n/a | The eye wetting agent to provide long lasting comfort and avoid eye dryness |
Fluff filled underpads | Medline, USA | MSC281225 | Used in the burn procedure |
Forcep | F.S.T. | 11027-12 | Used to hold the skin piece |
Gauze sponges | Oasis, USA | PK412 | Used to clean the applied nair cream from the dorsal side |
Heat-resistant gloves | n/a | n/a | Used to hold the heated copper rods |
Hematology Analyzer | IDEXX laboratories, USA | ProCyte Dx | |
Induction chamber | Kent Scientific, USA | vetFlo-0730 | Used to anesthesize the animals |
Insulin syringe | BD, USA | 329461 | |
Isoflurane | Pivetal, USA | NDC46066-755-04 | Used to anesthesized rats to induce a loss of consciousness |
Isoflurane vaporiser | n/a | n/a | |
Lactated ringer's solution | icumedical, USA | NDC0990-7953-09 | Used to resuscitate the rats |
L-shaped spreader | Fischer Scientific, USA | 14-665-230 | |
Mannitol Agar | BD, USA | 211407 | Selective media plates for Staphylococcus aureus growth |
Minicollect tubes (K2EDTA) | greiner bio-one, USA | 450480 | Used to collect the blood |
Morphine | Mallinckrodt, UK | NDC0406-8003-30 | This analgesia was used to induce the inability to feel burn injury pain |
Muller Hinton Broth | BD, USA | 275730 | |
Muller Hinton II Agar | BD, USA | 211438 | |
Nair hair removal lotion | Nair, USA | n/a | Used to remove the residual hairs on dorsal side |
Needle 23 G | BD, USA | 305193 | Used to inject the lactate ringer solution |
Normal saline | n/a | n/a | |
Spectrophotometer | ThermoScientific, USA | Genesys 30 | |
Sprague-Dawley rats, male and female | Charles River Labs | n/a | 7-9 weeks old for burn induction |
Surgical Scissor | F.S.T. | 14501-14 | Used to cut the desired skin piece |
Tissue collection tubes | Globe Scientific | 220101236 | |
Tissue Homogenizer | Kinematica, Inc, USA | POLYTRON PT2100 | Used to homogenize the tissue samples |
Water bath | Fischer Scientific, USA | n/a | Used to induce the burn injury |
Weighted heating pad | Comfytemp, USA | n/a | Used during the procedure to keep rat's body warm |
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