Summary

Rhesus Maymun Beyin omurilik Sıvısında Aβ ve Tau Seviyelerinin Tekrarlayan Transkraniyal Manyetik Stimülasyonu Üzerine Bir Pilot Çalışma

Published: September 03, 2021
doi:

Summary

Burada, farklı frekanslarda (1 Hz/20 Hz/40 Hz) tekrarlayan transkraniyal manyetik stimülasyonun Rhesus maymun beyin omurilik sıvısında Aβ ve tau metabolizması üzerindeki etkisini araştırmak için bir pilot çalışmanın prosedürünü açıklıyoruz.

Abstract

Önceki çalışmalar, invaziv olmayan bir ışık titremesi rejiminin ve işitsel ton stimülasyonunun beyindeki Aβ ve tau metabolizmasını etkileyebileceğini göstermiştir. İnvaziv olmayan bir teknik olarak nörodejeneratif bozuklukların tedavisinde tekrarlayan transkraniyal manyetik stimülasyon (rTMS) uygulanmıştır. Bu çalışmada rTMS’nin rhesus maymun beyin omurilik sıvısında (CSF) Aβ ve tau düzeyleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu tek kör, kendi kendini kontrol eden bir çalışma. Rhesus maymununun bilateral-dorsolateral prefrontal korteksini (DLPFC) uyarmak için üç farklı frekans (düşük frekans, 1 Hz; yüksek frekanslar, 20 Hz ve 40 Hz) kullanıldı. CSF toplamak için kateterizasyon yöntemi kullanılmıştır. Tüm numuneler CSF biyobelirteçlerini (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau) analiz etmek için sıvı çip tespitine tabi tutuldu. CSF biyobelirteç düzeyleri rTMS tarafından uyarılma sonrası zamanla değişti. Stimülasyondan sonra, CSF’deki Aβ42 seviyesi tüm frekanslarda (1 Hz, 20 Hz ve 40 Hz) bir yükseliş eğilimi gösterdi ve yüksek frekanslar için (p < 0.05) düşük frekanstan daha önemli farklılıklar gösterdi.

Yüksek frekanslı rTMS’den sonra, CSF’nin toplam Tau (tTau) seviyesi rTMS sonrası zaman noktasında hemen artmıştır (p < 0.05) ve kademeli olarak 24 saat azaldı. Ayrıca, sonuçlar fosforillenmiş Tau (pTau) seviyesinin 40 Hz rTMS'den hemen sonra arttığını göstermiştir (p < 0.05). Aβ42/Aβ40 oranı 1 Hz ve 20 Hz’de (s < 0.05) bir yükseliş gösterdi. Düşük frekanslı (1 Hz) stimülasyonlu tau seviyelerinde anlamlı bir fark yoktu. Bu nedenle, rTMS'nin yüksek frekansları (20 Hz ve 40 Hz), rhesus maymunu CSF'deki Aβ ve tau seviyeleri üzerinde olumlu etkilere sahip olabilirken, düşük frekanslı (1 Hz) rTMS sadece Aβ seviyelerini etkileyebilir.

Introduction

Amiloid β (Aβ) ve tau önemli CSF biyobelirteçlerdir. Aβ, β ve γ salgılar1 tarafından hidrolize edilmiş transmembran amiloid öncül proteininin (APP) ürünü olan 42 amino asitten (Aβ1-42) oluşur. Aβ1-42, çözünürlük özellikleri nedeniyle beyindeki hücre dışı amiloid plaklarına bir araya gelebilir1,2. Tau, esas olarak aksonlarda bulunan ve anterograd aksonal taşımada yer alan mikrotübül ilişkili bir proteindir3. Anormal tau hiperfosforilasyonu esas olarak kinazlar ve fosfatazlar arasındaki dengesizlikten etkilenerek tau’nun mikrotübüllerden kopması ve nörofibril karışıklıkların (NFT)1 oluşumu ile sonuçlanır. Tau ve fosforillenmiş tau proteinleri (pTau) nörodejeneratif süreç sırasında hücre dışı alana salındığı için CSF’de tau konsantrasyonu artar. Önceki çalışmalar, CSF biyobelirteçlerinin Alzheimer hastalığı (AD) beyninin üç ana patolojik değişikliğiyle ilgili olduğunu göstermiştir: hücre dışı amiloid plaklar, hücre içi NFT oluşumu ve nöron kaybı4. AD’nin erken evresinde anormal Aβ ve tau konsantrasyonları mevcuttur, böylece erken AD tanısına izin verir5,6.

2016 yılında, Tsai ve arkadaşları, invaziv olmayan ışık titremesinin (40 Hz) ön çökelti farelerinin görsel korteksinde Aβ1-40 ve Aβ1-42 seviyelerini azalttığını buldu7. Son zamanlarda, işitsel ton stimülasyonunun (40 Hz) tanıma ve mekansal hafızayı iyileştirdiğini, hipokampustaki amiloid protein seviyelerini ve 5XFAD farelerinin işitsel korteksini (AC) azalttığını ve P301S tauopati modelinde pTau konsantrasyonlarının azaldığını bildirdiler8. Bu sonuçlar, non-invaziv tekniklerin Aβ ve tau metabolizmalarını etkileyebileceğini göstermektedir.

İnvaziv olmayan bir araç olarak, transkraniyal manyetik stimülasyon (TMS), omurilik, periferik sinirler ve serebral korteks9 dahil olmak üzere sinir dokusunu elektriksel olarak uyarabilir. Ayrıca, uyarılmış bölgede ve fonksiyonel bağlantılarda serebral korteksin uyarılabilirliğini değiştirebilir. Bu nedenle TMS nörodejeneratif bozuklukların tedavisinde ve prognostik ve tanısal testlerde kullanılmıştır. TMS’de en yaygın klinik müdahale şekli olan rTMS, korteks aktivasyonunu teşvik edebilir, korteksin genişletilebilirliğini değiştirebilir ve bilişsel/ motor fonksiyonu düzenleyebilir.

20 Hz rTMS’nin glutamat ve Aβ dahil olmak üzere oksidatif stresörlere karşı in vitro nöroprotektif etkiye sahip olduğu ve farelerde monoklonal hipokampal HT22 hücrelerinin genel canlılığını iyileştirdiği bildirilmiştir10. 1 Hz rTMS stimülasyonundan sonra, β bölgesi APP-cleaving enzimi 1, APP ve hipokampustaki C-terminal parçaları önemli ölçüde azaltıldı. Özellikle, hipokampal CA1’de uzun süreli potensiyasyon, mekansal öğrenme ve hafıza bozukluğu tersine çevrildi11,12. Bai ve arkadaşları, rTMS’nin çalışma belleği testi sırasında Aβ kaynaklı gama salınım disfonksiyonu üzerindeki etkisini araştırdı. RTMS’nin Aβ kaynaklı disfonksiyonu tersine çevirebileceği ve bunun da çalışma belleği için potansiyel faydalar sağlayabileceği sonucuna vardılar13. Bununla birlikte, rTMS’nin tau metabolizması üzerindeki etkileri ve rTMS öncesi ve sonrası CSF’de Aβ ve tau’daki dinamik değişiklikler hakkında çok az rapor vardır. Bu protokol, rTMS’nin rhesus maymunu CSF’deki Aβ ve tau düzeylerindeki farklı frekanslardaki (düşük frekans, 1 Hz; yüksek frekanslar,20 Hz ve 40 Hz) etkilerini araştırma prosedürünü açıklar.

Protocol

Tüm deneyler, Çin Halk Cumhuriyeti Bilim ve Teknoloji Bakanlığı tarafından formüle edilen Laboratuvar Hayvanlarının Bakımı ve Kullanımı Rehberliğinde ve Basel Deklarasyonu ilkeleri kapsamında gerçekleştirildi. Sichuan Üniversitesi Batı Çin Hastanesi Hayvan Bakım Komitesi (Chengdu, Çin) tarafından onay verildi. Şekil 1 burada kullanılan tek kör, kendi kendini kontrol eden çalışma tasarımını göstermektedir. 1. rTMS cihazları <…

Representative Results

Sonuçlar, rTMS’nin rhesus maymunu CSF’deki Aβ ve tau seviyelerini etkileyebileceğini gösterdi. CSF biyobelirteç seviyeleri, rTMS stimülasyonundan sonra farklı frekanslarda (1 Hz, 20 Hz ve 40 Hz) zamanla değişti. Aβ42 ve Aβ42/Aβ40Şekil 4A’da gösterildiği gibi, 1 Hz rTMS stimülasyonundan sonra, Aβ42 se…

Discussion

AD’nin köklü bir biyobelirteç olan Aβ1-42, beyindeki Aβ metabolizması ve amiloid plak oluşumu ile ilgili bir CSF çekirdek biyobelirteçtir ve klinik çalışmalarda ve klinikte yaygın olarak kullanılmıştır26. Son çalışmalar, CSF Aβ42/Aβ40 oranının sadece Aβ42’den daha iyi bir tanı biyobelirteci olduğunu göstermiştir, çünkü AD tipi patolojinin daha iyi bir göstergesidir27,28

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar, maymun sandalyesini ve diğer göreceli cihazları sağladığı için Sichuan Green-House Biotech Co., Ltd’ye teşekkür etmek istiyor. Bu araştırma, kamu, ticari veya kar amacı gütmeyen sektörlerdeki herhangi bir finansman kuruluşundan belirli bir hibe almamaktadır.

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