Summary

En pilotstudie om repetitiv transkraniell magnetisk stimulering av Aβ- och Tau-nivåer i Rhesus Monkey Cerebrospinal Fluid

Published: September 03, 2021
doi:

Summary

Här beskriver vi förfarandet för en pilotstudie för att utforska effekten av repetitiv transkraniell magnetisk stimulering med olika frekvenser (1 Hz/20 Hz/40 Hz) på Aβ och tau metabolism i rhesus apa cerebrospinalvätska.

Abstract

Tidigare studier har visat att en icke-invasiv ljusflimmer regim och auditiva tonstimulering kan påverka Aβ och tau metabolism i hjärnan. Som en icke-invasiv teknik har repetitiv transkraniell magnetisk stimulering (rTMS) tillämpats för behandling av neurodegenerativa sjukdomar. Denna studie undersökte effekterna av rTMS på Aβ och tau nivåer i rhesus apa cerebrospinal vätska (CSF). Detta är en enblinda, självkontrollerad studie. Tre olika frekvenser (låg frekvens, 1 Hz; höga frekvenser, 20 Hz och 40 Hz) av rTMS användes för att stimulera bilaterala-dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) av rhesus apan. En catheterization metod användes för att samla CSF. Alla prover utsattes för vätskechipdetektering för att analysera CSF-biomarkörer (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau). CSF biomarkörnivåer ändrades med tiden efter stimulering av rTMS. Efter stimulering visade Aβ42-nivån i CSF en uppåtgående trend vid alla frekvenser (1 Hz, 20 Hz och 40 Hz), med mer signifikanta skillnader för högfrekvenserna (p < 0,05) än för lågfrekventa.

Efter högfrekvent rTMS ökade den totala Tau -nivån (tTau) av CSF omedelbart vid tidpunkten för post-rTMS (p < 0,05) och minskade gradvis med 24 timmar. Dessutom visade resultaten att nivån av fosforylerad Tau (pTau) ökade omedelbart efter 40 Hz rTMS (p < 0,05). Förhållandet mellan Aβ42/Aβ40 visade en uppåtgående trend vid 1 Hz och 20 Hz (p < 0,05). det fanns ingen signifikant skillnad i tau nivåer med lågfrekventa (1 Hz) stimulering. Hög frekvenser (20 Hz och 40 Hz) av rTMS kan således ha positiva effekter på Aβ- och tau-nivåerna i rhesusapan CSF, medan lågfrekvent rTMS (1 Hz) endast kan påverka Aβ-nivåerna.

Introduction

Amyloid-β (Aβ) och tau är viktiga CSF biomarkörer. Aβ består av 42 aminosyror (Aβ1-42), som är produkten av transmembran amyloid prekursorprotein (APP) hydrolyserat av β- och γ-secretases1. Aβ1-42 kan aggregeras till extracellulära amyloid plack i hjärnan på grund av dess löslighet egenskaper1,2. Tau är ett mikrotubuleassocierade protein som huvudsakligen förekommer i axoner och är involverat i anterograde axonal transport3. Onormal tau hyperphosphorylation framkallas främst av obalansen mellan kinaser och fosfataser, vilket resulterar i avskildhet av tau från mikrotubuler och bildandet av neurofibrillary trassel (NFT)1. Koncentrationen av tau ökar i CSF eftersom tau och fosforylerade tau-proteiner (pTau) släpps ut i det extracellulära utrymmet under den neurodegenerativa processen. Tidigare studier har visat att CSF biomarkörer är relevanta för de tre viktigaste patologiska förändringarna av Alzheimers sjukdom (AD) hjärnan: extracellulära amyloid plack, intracellulär NFT bildning, och neuron förlust4. Onormala koncentrationer av Aβ och tau närvarande i det tidiga skedet av AD, vilket möjliggör tidig AD diagnos5,6.

År 2016 fann Tsai et al. att icke-invasiv ljusflimmer (40 Hz) minskade nivåerna av Aβ1-40 och Aβ1-42 i den visuella cortexen hos fördepåande möss7. Nyligen rapporterade de vidare att auditiva ton stimulering (40 Hz) förbättrad igenkänning och rumsligt minne, minskade amyloid protein nivåer i hippocampus och auditiva cortex (AC) av 5XFAD möss och minskade pTau koncentrationer i P301S tauopathy modell8. Dessa resultat tyder på att icke-invasiva tekniker kan påverka Aβ och tau metabolism.

Som ett icke-invasivt verktyg kan transkraniell magnetisk stimulering (TMS) elektriskt stimulera neural vävnad, inklusive ryggmärgen, perifera nerver och hjärnbarken9. Dessutom kan det ändra hjärnbarkens excitabilitet på den stimulerade platsen och i de funktionella anslutningarna. Därför har TMS använts vid behandling av neurodegenerativa sjukdomar och prognostiska och diagnostiska tester. Den vanligaste formen av klinisk intervention i TMS, rTMS, kan inducera cortex aktivering, ändra excitabiliteten i cortex och reglera kognitiv / motorisk funktion.

det rapporterades att 20 Hz rTMS hade en in vitro neuroprotektiv effekt mot oxidativa stressfaktorer, inklusive glutamat och Aβ och förbättrade den totala livskraften hos monoklonala hippocampal HT22 celler hos möss10. Efter 1 Hz rTMS stimulering minskade β-site APP-cleaving enzym 1, APP och dess C-terminal fragment i hippocampus avsevärt. Särskilt nedskrivningar av långsiktiga potentiering, rumslig inlärning och minne i hippocampal CA1 var omvänd11,12. undersökte effekten av rTMS på Aβ-inducerad gamma oscillation dysfunktion under ett arbetsminnestest. De drog slutsatsen att rTMS kunde vända Aβ-inducerad dysfunktion, vilket resulterar i potentiella fördelar för arbetsminne13. Det finns dock få rapporter om effekterna av rTMS på tau metabolism och de dynamiska förändringarna i Aβ och tau i CSF före och efter rTMS. Detta protokoll beskriver förfarandet för att undersöka effekterna av rTMS vid olika frekvenser (låg frekvens, 1 Hz; höga frekvenser,20 Hz och 40 Hz) på Aβ- och tau-nivåer i rhesusapan CSF.

Protocol

Alla experiment utfördes under vägledning för vård och användning av laboratoriedjur, formulerade av Folkrepubliken Kinas ministerium för vetenskap och teknik, liksom principerna i Baseldeklarationen. Godkännande gavs av djurvårdskommittén vid Sichuan University West China Hospital (Chengdu, Kina). Figur 1 visar den enblinda, självkontrollerade studiedesignen som används här. 1. rTMS-enheter Använd en 8-formad magnetisk fältstimulatorspole …

Representative Results

Resultaten visade att rTMS kunde påverka Aβ- och tau-nivåerna i rhesusapan CSF. CSF-biomarkörnivåerna ändrades med tiden efter rTMS-stimulering vid olika frekvenser (1 Hz, 20 Hz och 40 Hz). Aβ42 och Aβ42/Aβ40Som visas i figur 4A ökade Aβ42-nivåerna gradvis över 24 timmar (p < 0, 05) efter 1 Hz rTMS-stimu…

Discussion

Aβ1-42, en väletablerad biomarkör för AD, är en CSF-kärnbiomarkör relaterad till Aβ-metabolism och amyloidplackbildning i hjärnan och har använts i stor utsträckning i kliniska prövningar och kliniken26. Nyligen genomförda studier har visat att förhållandet CSF Aβ42/Aβ40 är en bättre diagnostisk biomarkör för AD än enbart Aβ42 eftersom det är en bättre indikator på AD-typ patologi27,28<sup clas…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna vill tacka Sichuan Green-House Biotech Co, Ltd för att tillhandahålla apstolen och andra relativa enheter. Denna forskning fick inget specifikt bidrag från något finansieringsorgan inom den offentliga, kommersiella eller ideella sektorn.

Materials

Anesthesia Puncture Kit for Single Use Weigao, Shandong, China
CCY-I magnetic field stimulator YIRUIDE MEDICAL, Wuhan, China
GraphPad Prism version 7.0 GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, USA
Human Amyloid Beta and Tau Magnetic Bead Panel EMD Millipore Corporation, Billerica, MA 01821 USA liquid chip detection
MILLIPLEX Analyst 5.1 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA 01821 USA
Monkey Chair HH-E-1 Brainsight, Cambridge, MA 02140 USA
Zoletil 50 Virbac, France zolazepam–tiletamine

Referenzen

  1. Niemantsverdriet, E., Valckx, S., Bjerke, M., Engelborghs, S. Alzheimer’s disease CSF biomarkers: clinical indications and rational use. Acta Neurologica Belgica. 117 (3), 591-602 (2017).
  2. Ohnishi, S., Takano, K. Amyloid fibrils from the viewpoint of protein folding. Cellular and Molecular Life Sciences. 61 (5), 511-524 (2004).
  3. Hernandez, F., Avila, J. Tauopathies. Cellular and Molecular Life Sciences. 64 (17), 2219-2233 (2007).
  4. Ballard, C., et al. Alzheimer’s disease. Lancet. 377 (9770), 1019-1031 (2011).
  5. De Meyer, G., et al. Diagnosis-independent Alzheimer disease biomarker signature in cognitively normal elderly people. Archives of Neurology. 67 (8), 949-956 (2010).
  6. Jansen, W. J., et al. Prevalence of cerebral amyloid pathology in persons without dementia: a meta-analysis. JAMA. 313 (19), 1924-1938 (2015).
  7. Iaccarino, H. F., et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature. 540 (7632), 230-235 (2016).
  8. Martorell, A. J., et al. Multi-sensory gamma stimulation ameliorates Alzheimer’s-associated pathology and improves cognition. Cell. 177 (2), 256-271 (2019).
  9. Kobayashi, M., Pascual-Leone, A. Transcranial magnetic stimulation in neurology. Lancet Neurology. 2 (3), 145-156 (2003).
  10. Post, A., Muller, M. B., Engelmann, M., Keck, M. E. Repetitive transcranial magnetic stimulation in rats: evidence for a neuroprotective effect in vitro and in vivo. European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3247-3254 (1999).
  11. Huang, Z., et al. Low-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation ameliorates cognitive function and synaptic plasticity in APP23/PS45 mouse model of Alzheimer’s disease. Frontiers in Aging Neuroscience. 9, 292 (2017).
  12. Tan, T., et al. Low-frequency (1 Hz) repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) reverses Abeta(1-42)-mediated memory deficits in rats. Experimental Gerontology. 48 (8), 786-794 (2013).
  13. Bai, W., et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation reverses Abeta1-42-induced dysfunction in gamma oscillation during working memory. Currrent Alzheimer Research. 15 (6), 570-577 (2018).
  14. Heo, J. H., et al. Spatial distribution of glucose hypometabolism induced by intracerebroventricular streptozotocin in monkeys. Journal of Alzheimers Disease. 25 (3), 517-523 (2011).
  15. Lee, Y., et al. Insulin/IGF signaling-related gene expression in the brain of a sporadic Alzheimer’s disease monkey model induced by intracerebroventricular injection of streptozotocin. Journal of Alzheimers Disease. 38 (2), 251-267 (2014).
  16. Zhang, Y., et al. Temporal analysis of blood-brain barrier disruption and cerebrospinal fluid matrix metalloproteinases in rhesus monkeys subjected to transient ischemic stroke. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (8), 2963-2974 (2017).
  17. Liao, X., et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation as an alternative therapy for cognitive impairment in Alzheimer’s disease: a meta-analysis. Journal of Alzheimers Disease. 48 (2), 463-472 (2015).
  18. Hwang, J. M., Kim, Y. H., Yoon, K. J., Uhm, K. E., Chang, W. H. Different responses to facilitatory rTMS according to BDNF genotype. Clinical Neurophysiology. 126 (7), 1348-1353 (2015).
  19. Uhm, K. E., Kim, Y. H., Yoon, K. J., Hwang, J. M., Chang, W. H. BDNF genotype influence the efficacy of rTMS in stroke patients. Neuroscience Letters. 594, 117-121 (2015).
  20. Ahmed, M. A., Darwish, E. S., Khedr, E. M., El Serogy, Y. M., Ali, A. M. Effects of low versus high frequencies of repetitive transcranial magnetic stimulation on cognitive function and cortical excitability in Alzheimer’s dementia. Journal of Neurology. 259 (1), 83-92 (2012).
  21. Tan, T., et al. Low-frequency (1 Hz) repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) reverses Aβ(1-42)-mediated memory deficits in rats. Experimental Gerontology. 48 (8), 786-794 (2013).
  22. Cotelli, M., et al. Improved language performance in Alzheimer disease following brain stimulation. Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry. 82 (7), 794-797 (2011).
  23. Dobrowolska, J. A., et al. CNS amyloid-beta, soluble APP-alpha and -beta kinetics during BACE inhibition. Journal of Neuroscience. 34 (24), 8336-8346 (2014).
  24. Sankaranarayanan, S., et al. First demonstration of cerebrospinal fluid and plasma A beta lowering with oral administration of a beta-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1 inhibitor in nonhuman primates. Journal of Pharmacology Experimental Therapeutics. 328 (1), 131-140 (2009).
  25. Schoenfeld, H. A., et al. The effect of angiotensin receptor neprilysin inhibitor, sacubitril/valsartan, on central nervous system amyloid-beta concentrations and clearance in the cynomolgus monkey. Toxicology and Applied Pharmacology. 323, 53-65 (2017).
  26. Blennow, K., Mattsson, N., Scholl, M., Hansson, O., Zetterberg, H. Amyloid biomarkers in Alzheimer’s disease. Trends in Pharmacological Sciences. 36 (5), 297-309 (2015).
  27. Janelidze, S., et al. CSF Abeta42/Abeta40 and Abeta42/Abeta38 ratios: better diagnostic markers of Alzheimer disease. Annals of Clinical and Translational Neurology. 3 (3), 154-165 (2016).
  28. Vogelgsang, J., Wedekind, D., Bouter, C., Klafki, H. W., Wiltfang, J. Reproducibility of Alzheimer’s disease cerebrospinal fluid-biomarker measurements under clinical routine conditions. Journal of Alzheimers Disease. 62 (1), 203-212 (2018).
  29. Dubois, B., et al. Advancing research diagnostic criteria for Alzheimer’s disease: the IWG-2 criteria. Lancet Neurology. 13 (6), 614-629 (2014).
  30. Schuff, N., et al. MRI of hippocampal volume loss in early Alzheimer’s disease in relation to ApoE genotype and biomarkers. Brain. 132, 1067-1077 (2009).
  31. Stricker, N. H., et al. CSF biomarker associations with change in hippocampal volume and precuneus thickness: implications for the Alzheimer’s pathological cascade. Brain Imaging and Behavior. 6 (4), 599-609 (2012).
  32. Cirrito, J. R., et al. Synaptic activity regulates interstitial fluid amyloid-beta levels in vivo. Neuron. 48 (6), 913-922 (2005).
  33. Duits, F. H., et al. Performance and complications of lumbar puncture in memory clinics: Results of the multicenter lumbar puncture feasibility study. Alzheimers & Dementia. 12 (2), 154-163 (2016).
  34. Engelborghs, S., et al. Consensus guidelines for lumbar puncture in patients with neurological diseases. Alzheimers Dement. 8, 111-126 (2017).
  35. Costerus, J. M., Brouwer, M. C., van de Beek, D. Technological advances and changing indications for lumbar puncture in neurological disorders. Lancet Neurology. 17 (3), 268-278 (2018).
  36. Wang, Y. F., et al. Cerebrospinal fluid leakage and headache after lumbar puncture: a prospective non-invasive imaging study. Brain. 138, 1492-1498 (2015).
  37. Schmidt, F., et al. Detection and quantification of beta-amyloid, pyroglutamyl Abeta, and tau in aged canines. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 74 (9), 912-923 (2015).
check_url/de/63005?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Liao, L., Zhang, Y., Lau, B. W., Wu, Q., Fan, Z., Gao, Q., Zhong, Z. A Pilot Study on the Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation of Aβ and Tau Levels in Rhesus Monkey Cerebrospinal Fluid. J. Vis. Exp. (175), e63005, doi:10.3791/63005 (2021).

View Video