Fare Beyninden Toksinlerin Lenfatik Uzaklaştırılmasının Uyarılması için Uykunun Elektroensefalografik Kontrolleri Altında Fotobiyomodülasyon
Summary
Bu çalışma, doğal derin uyku sırasında yaşlı ve anestezi uygulanmamış BALB/c erkek farelerin beyninden toksinlerin (örneğin, çözünür amiloid beta) lenfatik olarak uzaklaştırılması için elektroensefalografik kontrol altında transkraniyal fotobiyomodülasyonun non-invaziv ve taşınabilir teknolojisini sunmaktadır.
Abstract
Meningeal lenfatik damarlar (MLV’ler), toksinlerin beyinden atılmasında önemli bir rol oynar. Alzheimer ve Parkinson hastalıkları, beyin tümörleri, travmatik beyin yaralanmaları ve intrakraniyal kanamalar dahil olmak üzere MLV anormallikleri ile ilişkili çeşitli beyin hastalıklarının tedavisinin ilerlemesinde MLV fonksiyonlarının uyarılması için yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi umut verici bir yöndür. Uyku, beynin drenaj süreçlerinin en aktif olduğu doğal bir durumdur. Bu nedenle, uyku sırasında beynin drenajının ve MLV’lerin uyarılması en belirgin terapötik etkilere sahip olabilir. Ancak, bu tür ticari teknolojiler şu anda mevcut değildir.
Bu çalışma, uykunun elektroensefalografik (EEG) kontrolü altında, toksinlerin (örneğin, çözünür amiloid beta (Aβ)) yaşlı BALB/c farelerinin beyninden foto-stimülasyonunu foto-stimülasyon etmek için tasarlanmış yeni bir taşınabilir transkraniyal fotobiyomodülasyon (tPBM) teknolojisi sunmaktadır. Teknoloji, farelerin motor aktivitesini koruyarak anestezi olmadan bir ev kafesinin doğal durumunda kullanılabilir. Bu veriler, MLV fonksiyonlarında ve beynin drenaj süreçlerinde yaşa bağlı değişikliklerin düzeltilmesi ve beyin dokularının metabolitlerden ve toksinlerden etkili bir şekilde temizlenmesi için non-invaziv ve klinik olarak umut verici foto teknolojilerin geliştirilmesi için yeni umutlar açmaktadır. Bu teknoloji, hem uyuyan beynin işlevlerinin klinik öncesi çalışmaları hem de uyku ile ilgili beyin hastalıkları için klinik olarak ilgili tedaviler geliştirmek için tasarlanmıştır.
Introduction
Meningeal lenfatik damarlar (MLV’ler), beyin dokularından toksinlerin ve metabolitlerin uzaklaştırılmasında önemli bir rol oynar 1,2,3. Tümörler, travmatik beyin yaralanmaları, kanamalar ve nörodejeneratif süreçler dahil olmak üzere çeşitli beyin hastalıklarında MLV’lerin hasarına, bu patolojilerin ilerlemesine yol açan MLV fonksiyonlarında bir azalma eşlik eder 1,2,3,4,5,6. Bu nedenle, MLV’lerin uyarılması için yöntemlerin geliştirilmesi, beyin hastalıklarının tedavisi için etkili teknolojilerin ortaya çıkmasında yeni ufuklar açmaktadır. Son zamanlarda, etkili transkraniyal fotobiyomodülasyon (tPBM) için non-invaziv teknoloji, MLV’leri uyarmak ve kan ve Aβ gibi toksinleri beyinden uzaklaştırmak için önerilmiştir 5,7,8,9,10,11,12. Derin uykunun beyindeki lenfatik drenaj süreçlerinin aktivasyonu için doğal bir faktör olduğunu belirtmek ilginçtir13,14. Bu gerçeğe dayanarak, uyku sırasında MLV’lerin tPBM’sinin uyanıklık 9,11,12,15 sırasındakinden daha etkili terapötik etkilere sahip olabileceğini varsaymak mantıklıdır. Bununla birlikte, şu anda uyku sırasında tPBM için ticari bir teknoloji yoktur16. Ek olarak, tPBM’nin terapötik etkilerini incelemek için hayvan deneyleri, beyne ışığı doğru bir şekilde iletmek için gerekli olan anestezi altında gerçekleştirilir. Bununla birlikte, anestezi beynin drenajını önemli ölçüde etkiler ve bu da araştırma sonuçlarının kalitesini düşürür17.
Aβ, normal nöral aktivitenin metabolik bir ürünüdür18. Kültürlenmiş sıçan kortikal nöronlarında kurulduğu gibi, Aβ onlardan hücre dışı boşluğa yüksek oranlarda salınır (Aβ için 2-4 molekül / nöron / s)19. Hücre dışı ve perivasküler boşluklarda bulunan çözünmüş Aβ formunun nöronlar ve sinapslar20 için en toksik olduğuna dair kanıtlar vardır. Çözünür Aβ, 1-2.5 saat21 sırasında insan beyninden hızla temizlenir. MLV’ler, yaşla birlikte azalan ve yaşlı beyinde Aβ birikimine yol açan çözünür Aβ’nınbeyinden 1,7 uzaklaştırılması için tünellerdir 1,22. Beyindeki Aβ seviyelerinin hücre dışı anormalliklerinin yaşlanmadaki bilişsel performansla ilişkili olduğuna ve Alzheimer hastalığının (AD) gelişimi ile ilişkili olduğuna dair kanıtlar vardır23,24. Bu nedenle, yaşlı ve yaşlı kemirgenler, AD25,26 dahil olmak üzere amiloidoz çalışması için transgenik modellere alternatif olarak kabul edilir.
Bu çalışma, Aβ’nın beyinden periferik lenfatik sisteme (derin servikal lenf düğümleri, dcLN’ler) lenfatik klirensini uyarmak için farklı yaşlardaki anestezi uygulanmamış erkek BALB/c farelerinde derin veya hızlı olmayan göz hareketi (NREM) uykusunun elektroensefalografik (EEG) kontrolü altında orijinal ve taşınabilir bir tPBM teknolojisi sunmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
MLV’ler, özellikle MLV fonksiyonu azalan yaşlı deneklerde, beynin drenajının modülasyonu ve beyindeki hücresel kalıntıların ve atıkların uzaklaştırılması için yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi için önemli bir hedeftir 1,22. Homeostatik bir durumda, derin uyku, beyin dokusu temizliğinin doğal aktivasyonu ile ilişkilidir13,14. Bu nedenle, derin uyku sırasında MLV’lerin uyarı…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Rusya Bilim Vakfı’ndan (No. 23-75-30001) bir hibe ile desteklenmiştir.
Materials
| 0.1% Tween20 | Helicon, Russia | SB-G2009-100ML | |
| Catheter | Scientific Commodities Inc., USA | PE-10, 0.28 mm ID × 0.61 mm OD | |
| CO2 chamber | Binder, Germany | CB-S 170 | |
| Confocal microscop | Nikon, Japan | A1R MP | |
| Dental acrylic | Zermack, Poland-Russia | Villacryl S, V130V4Z05 | |
| Drill | Foredom, Russia | SR W-0016 | |
| Dumont forceps | Stoelting, USA | 52100-07 | |
| Evans Blue dye | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | 206334 | |
| Hamilton | Hamilton Bonaduz AG, Switzerland | 29 G needle | |
| Ibuprofen | Sintez OJSC, Russia | N/A | Analgesic drug |
| Insulin needle | INSUPEN, Italy | 31 G, 0.25 mm x 6 mm | |
| Micro forceps | Stoelting, USA | 52102-02P | |
| Microcentrifuge | Gyrozen, South Korea | GZ-1312 | |
| Microinjector | Stoelting, USA | 53311 | |
| Non-sharp tweezer | Stoelting, USA | 52108-83P | |
| PINNACLE system | Pinnacle Technology, USA | 8400-K3-SL | System for recording EEG (2 channels) and EMG (1 channel) of mice |
| Shaving machine | Braun | Series 3310s | |
| Single and multi-channel pipettes | Eppendorf, Austria | Epp 3120 000.020, Epp 3122 000.019 | |
| Sodium chloride | Kraspharma, Russia | N/A | |
| Soldering station | AOYUE, China | N/A | |
| Stereotaxic frame | Stoelting, USA | 51500 | |
| Straight dissecting scissors | Stoelting, USA | 52132-10P | |
| Tetracycline | JSC Tatkhimfarmpreparaty, Russia | N/A | Eye ointment |
| Tweezer | Stoelting, USA | 52100-03 | |
| Ultrasonic cell disrupter | Biobase, China | USD-500 | |
| Wound retractor | Stoelting, USA | 52125 | |
| Xylanit | Nita-Farm, Russia | N/A | Muscle relaxant |
| Zoletil 100 | Virbac Sante Animale, France | N/A | General anesthesia |
Referenzen
- Da Mesquita, S., et al. Functional aspects of meningeal lymphatics in ageing and Alzheimer’s disease. Nature. 560 (7717), 185-191 (2018).
- Chen, J., et al. Meningeal lymphatics clear erythrocytes that arise from subarachnoid hemorrhage. Nat Commun. 11, 3159 (2020).
- Zou, W., et al. Blocking meningeal lymphatic drainage aggravates Parkinson’s disease-like pathology in mice overexpressing mutated α-synuclein. Transl Neurodegener. 8, 7 (2019).
- Hu, X., et al. Meningeal lymphatic vessels regulate brain tumor drainage and immunity. Cell Res. 30 (3), 229-243 (2020).
- Dong-Yu, L., et al. Photostimulation of brain lymphatics in male newborn and adult rodents for therapy of intraventricular hemorrhage. Nat Comm. 14 (1), 6104 (2023).
- Bolte, A., et al. Meningeal lymphatic dysfunction exacerbates traumatic brain injury pathogenesis. Nat Commun. 11 (1), 4524 (2020).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Mechanisms of phototherapy of Alzheimer’s disease during sleep and wakefulness: the role of the meningeal lymphatics. Front Optoelectron. 16, 22 (2023).
- Dongyu, L., et al. Photostimulation of lymphatic clearance of β- amyloid from mouse brain: new strategy for the therapy of Alzheimer’s disease. Front Optoelectron. 16, 45 (2023).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Mechanisms of phototherapy of Alzheimer’s disease during sleep and wakefulness: the role of the meningeal lymphatics. Front Optoelectron. 16, 22 (2023).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Intranasal delivery of liposomes to glioblastoma by photostimulation of the lymphatic system. Pharmaceutics. 15 (1), 36 (2023).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Night photostimulation of clearance of beta-amyloid from mouse brain: New strategies in preventing Alzheimer’s disease. Cells. 10 (12), 3289 (2021).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Technology of the photobiostimulation of the brain’s drainage system during sleep for improvement of learning and memory in male mice. Biomed Opt Express. 15 (1), 44-58 (2024).
- Fultz, N., et al. Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Science. 366 (6465), 628-631 (2019).
- Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342 (6156), 373-377 (2013).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Phototherapy of Alzheimer’s disease: Photostimulation of brain lymphatics during sleep: A systematic review. Int J Mol Sci. 24 (13), 10946 (2023).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Brain waste removal system and sleep: Photobiomodulation as an innovative strategy for night therapy of brain diseases. Int J Mol Sci. 24 (4), 3221 (2023).
- Hablitz, L. M., et al. Increased glymphatic influx is correlated with high EEG delta power and low heart rate in mice under anesthesia. Sci Adv. 5 (2), eaav5447 (2019).
- Fukumoto, H., et al. Primary cultures of neuronal and non-neuronal rat brain cells secrete similar proportions of amyloid beta peptides ending at A beta40 and A beta42. Neuroreport. 10 (14), 2965-2969 (1999).
- Moghekar, A., et al. Large quantities of Abeta peptide are constitutively released during amyloid precursor protein metabolism in vivo and in vitro. J Biol Chem. 286 (16), 15989-15997 (2011).
- Wells, C., Brennan, S., Keon, M., Ooi, L. The role of amyloid oligomers in neurodegenerative pathologies. Int J Biol Macromol. 181, 582-604 (2021).
- Savage, M., et al. Turnover of amyloid beta-protein in mouse brain and acute reduction of its level by phorbol ester. J Neurosci. 18 (5), 1743-1752 (1998).
- Ahn, J., et al. Meningeal lymphatic vessels at the skull base drain cerebrospinal fluid. Nature. 572 (7767), 62-66 (2019).
- Stevens, D., et al. Regional amyloid correlates of cognitive performance in ageing and mild cognitive impairment. Brain Commun. 4 (1), fcac016 (2022).
- Ma, C., Hong, F., Yang, S. Amyloidosis in Alzheimer’s disease: Pathogeny, etiology, and related therapeutic directions. Molecules. 27 (4), 1210 (2022).
- Kobro-Flatmoen, A., Hormann, T., Gouras, G. Intracellular amyloid-β in the normal rat brain and human subjects and its relevance for Alzheimer’s disease. J Alzheimers Dis. 95 (2), 719-733 (2023).
- Ahlemeyer, B., Halupczok, S., Rodenberg-Frank, E., Valerius, K., Baumgart-Vogt, E. Endogenous murine amyloid-β peptide assembles into aggregates in the aged C57BL/6J mouse suggesting these animals as a model to study pathogenesis of amyloid-β plaque formation. J Alzheimers Dis. 61 (4), 1425-1450 (2018).
- Zhinchenko, E., et al. Pilot study of transcranial photobiomodulation of lymphatic clearance of beta-amyloid from the mouse brain: Breakthrough strategies for nonpharmacologic therapy of Alzheimer’s disease. Biomed Opt Express. 10 (8), 4003-4017 (2019).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Transcranial photobiomodulation of clearance of beta-amyloid from the mouse brain: Effects on the meningeal lymphatic drainage and blood oxygen saturation of the brain. Adv Exp Med Biol. 1269, 57-61 (2021).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Photobiomodulation of lymphatic drainage and clearance: Perspective strategy for augmentation of meningeal lymphatic functions. Biomed Opt Express. 11 (2), 725-734 (2020).
- Zhinchenko, E., et al. Photostimulation of extravasation of beta-amyloid through the model of blood-brain barrier. Electronics. 9 (6), 1056 (2020).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Photostimulation of cerebral and peripheral lymphatic functions. Transl Biophotonics. 2 (1-2), e201900036 (2020).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Photomodulation of lymphatic delivery of liposomes to the brain bypassing the blood-brain barrier: New perspectives for glioma therapy. Nanophotonics. 10 (12), 3215-3227 (2021).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Photomodulation of lymphatic delivery of Bevacizumab to the brain: The role of singlet oxygen. Adv Exp Med Biol. 1395, 53-57 (2022).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Transcranial photosensitizer-free laser treatment of glioblastoma in rat brain. Int J Mol Sci. 24 (18), 13696 (2023).
- Blázquez-Castro, A. Direct 1O2 optical excitation: A tool for redox biology. Redox Biol. 13, 39-59 (2017).
- Spitler, R., Berns, M. Comparison of laser and diode sources for acceleration of in vitro wound healing by low-level light therapy. J Biomed Opt. 19 (3), 038001 (2014).
- Sato, K., Watanabe, R., Hanaoka, H., Nakajima, T., Choyke, P., Kobayashi, H. Comparative effectiveness of light emitting diodes (LEDs) and Lasers in near infrared photoimmunotherapy. Oncotarget. 7 (12), 14324-14335 (2016).
- Keshri, G., Gupta, A., Yadav, A., Sharma, S., Singh, S. Photobiomodulation with pulsed and continuous wave near-infrared laser (810 nm, Al-Ga-As) augments dermal wound healing in immunosuppressed rats. PLoS One. 11 (11), e0166705 (2016).
- Kim, H., et al. Pulse frequency dependency of photobiomodulation on the bioenergetic functions of human dental pulp stem cells. Sci Rep. 7 (1), 15927 (2017).
- Chen, Z., et al. The pulse light mode enhances the effect of photobiomodulation on B16F10 melanoma cells through autophagy pathway. Lasers Med Sci. 38 (1), 71 (2023).
- Mezey, E., et al. An immunohistochemical study of lymphatic elements in the human brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 118 (3), e2002574118 (2021).
- Chang, J., et al. Characteristic features of deep brain lymphatic vessels and their regulation by chronic stress. Forschung. 6, 0120 (2023).
- Prineas, L. W. Multiple sclerosis: Presence of lymphatic capillaries and lymphoid tissue in the brain and spinal cord. Science. 203 (4385), 1123-1125 (1979).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Pilot identification of the Live-1/Prox-1 expressing lymphatic vessels and lymphatic elements in the unaffected and affected human brain. bioRxiv. , (2021).
- Semyachkina-Glushkovskaya, O., Postnov, D., Kurths, J. Blood-brain barrier, lymphatic clearance, and recovery: Ariadne’s thread in labyrinths of hypotheses. Int J Mol Sci. 19 (12), 3818 (2018).
.