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Neurowissenschaften

Fotobiomodulazione sotto controllo elettroencefalografico del sonno per la stimolazione della rimozione linfatica delle tossine dal cervello di topo

Published: June 28, 2024
doi:
10.3791/67035
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1Department of Biology,Saratov State University, 2Institute of Physics, Department of Optics and Biophotonics,Saratov State University, 3Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms,Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences

Summary

Questo studio presenta la tecnologia non invasiva e portatile della fotobiomodulazione transcranica sotto controllo elettroencefalografico per la stimolazione della rimozione linfatica delle tossine (ad es. beta amiloide solubile) dal cervello di topi maschi BALB/c invecchiati e non anestetizzati durante il sonno profondo naturale.

Abstract

I vasi linfatici meningei (MLV) svolgono un ruolo importante nella rimozione delle tossine dal cervello. Lo sviluppo di tecnologie innovative per la stimolazione delle funzioni della MLV è una direzione promettente nel progresso del trattamento di varie malattie cerebrali associate ad anomalie della MLV, tra cui il morbo di Alzheimer e il Parkinson, i tumori cerebrali, le lesioni cerebrali traumatiche e le emorragie intracraniche. Il sonno è uno stato naturale in cui i processi di drenaggio del cervello sono più attivi. Pertanto, la stimolazione del drenaggio cerebrale e dei MLV durante il sonno può avere gli effetti terapeutici più pronunciati. Tuttavia, tali tecnologie commerciali attualmente non esistono.

Questo studio presenta una nuova tecnologia portatile di fotobiomodulazione transcranica (tPBM) sotto controllo elettroencefalografico (EEG) del sonno progettata per fotostimolare la rimozione delle tossine (ad esempio, beta amiloide solubile (Aβ)) dal cervello di topi BALB/c invecchiati con la capacità di confrontare l’efficacia terapeutica di diverse risorse ottiche. La tecnologia può essere utilizzata nella condizione naturale di una gabbia domestica senza anestesia, mantenendo l’attività motoria dei topi. Questi dati aprono nuove prospettive per lo sviluppo di fototecnologie non invasive e clinicamente promettenti per la correzione dei cambiamenti legati all’età nelle funzioni MLV e nei processi di drenaggio del cervello e per la pulizia efficace dei tessuti cerebrali da metaboliti e tossine. Questa tecnologia è destinata sia a studi preclinici sulle funzioni del cervello addormentato sia allo sviluppo di trattamenti clinicamente rilevanti per le malattie cerebrali legate al sonno.

Introduction

I vasi linfatici meningei (MLV) svolgono un ruolo importante nella rimozione delle tossine e dei metaboliti dai tessuti cerebrali 1,2,3. Il danno delle MLV in varie malattie cerebrali, tra cui tumori, lesioni cerebrali traumatiche, emorragie e processi neurodegenerativi, è accompagnato da una diminuzione delle funzioni della MLV che porta alla progressione di queste patologie 1,2,3,4,5,6 . Pertanto, lo sviluppo di metodi per la stimolazione dei MLV apre nuovi orizzonti nell’emergere di tecnologie efficaci per il trattamento delle malattie cerebrali. Recentemente, è stata proposta una tecnologia non invasiva per un’efficace fotobiomodulazione transcranica (tPBM) per stimolare i MLV e rimuovere tossine come sangue e Aβ dal cervello 5,7,8,9,10,11,12. È interessante notare che il sonno profondo è un fattore naturale per l’attivazione dei processi di drenaggio linfatico nel cervello 13,14. Sulla base di questo fatto, è logico supporre che il tPBM dei MLV durante il sonno possa avere effetti terapeutici più efficaci rispetto alla veglia 9,11,12,15. Tuttavia, attualmente non esistono tecnologie commerciali per la tPBM durante il sonno16. Inoltre, gli esperimenti sugli animali per studiare gli effetti terapeutici del tPBM vengono eseguiti in anestesia, necessaria per fornire con precisione la luce al cervello. Tuttavia, l’anestesia influisce in modo significativo sul drenaggio del cervello, il che riduce la qualità dei risultati della ricerca17.

Aβ è un prodotto metabolico della normale attività neurale18. Poiché è stato stabilito nei neuroni corticali di ratto in coltura, l’Aβ viene rilasciato da essi ad alti tassi nello spazio extracellulare (2-4 molecole/neurone/s per Aβ)19. Ci sono prove che la forma disciolta di Aβ, situata negli spazi extracellulari e perivascolari, è più tossica per i neuroni e le sinapsi20. L’Aβ solubile viene rapidamente eliminato dal cervello umano durante 1-2,5 ore21. I MLV sono i tunnel per la rimozione dell’Aβ solubile dal cervello 1,7 che diminuisce con l’età, portando all’accumulo di Aβ nel cervello invecchiato 1,22. Ci sono prove che le anomalie extracellulari dei livelli di Aβ nel cervello sono correlate alle prestazioni cognitive nell’invecchiamento e sono associate allo sviluppo della malattia di Alzheimer (AD)23,24. Pertanto, i roditori anziani e anziani sono considerati alternative ai modelli transgenici per lo studio dell’amiloidosi, incluso AD25,26.

Questo studio presenta una tecnologia tPBM originale e portatile sotto controllo elettroencefalografico (EEG) del sonno con movimenti oculari profondi o non rapidi (NREM) in topi maschi BALB/c non anestetizzati di età diverse per stimolare la clearance linfatica di Aβ dal cervello al sistema linfatico periferico (i linfonodi cervicali profondi, dcLN).

Protocol

Tutte le procedure sono state eseguite in conformità con la “Guida per la cura e l’uso degli animali da laboratorio”, la Direttiva 2010/63/UE sulla protezione degli animali utilizzati a fini scientifici e le linee guida del Ministero della Scienza e dell’Alta Istruzione della Federazione Russa (Nº 742 del 13.11.1984), che sono state approvate dalla Commissione di Bioetica dell’Università Statale di Saratov (Protocollo n. 7, 22.09.2022). 1. Assemblaggio hardware T…

Representative Results

Nella prima fase, lo studio si è concentrato sulla determinazione della dose di luce efficace (un LED da 1050 nm) per la stimolazione della rimozione linfatica di Aβ fluorescente dal cervello ai dcLN in topi BALB/c maschi adulti svegli (2-3 mesi, 26-29 g). Le dosi di luce sono state selezionate in modo casuale come 10 J/cm2, 20 J/cm2 e 30 J/cm2 sulla base dei nostri precedenti studi sugli effetti del tPBM sulla rimozione di diversi coloranti e dei globuli rossi dal cervello <…

Discussion

I MLV sono un obiettivo importante per lo sviluppo di tecnologie innovative per la modulazione del drenaggio cerebrale e la rimozione di detriti e rifiuti cellulari dal cervello, specialmente in soggetti anziani la cui funzione MLV diminuisce 1,22. In uno stato omeostatico, il sonno profondo è associato all’attivazione naturale della pulizia del tessuto cerebrale13,14. Pertanto, è ovvio aspettarsi che l…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata sostenuta da una sovvenzione della Russian Science Foundation (n. 23-75-30001).

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
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Referenzen

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Blokina, I., Iluykov, E., Myagkov, D., Tuktarov, D., Popov, S., Inozemzev, T., Fedosov, I., Shirokov, A., Terskov, A., Dmitrenko, A., Evsyukova, A., Zlatogorskaya, D., Adushkina, V., Tuzhilkin, M., Manzhaeva, M., Krupnova, V., Dubrovsky, A., Elizarova, I., Tzoy, M., Semyachkina-Glushkovskaya, O. Photobiomodulation Under Electroencephalographic Controls of Sleep for Stimulation of Lymphatic Removal of Toxins from Mouse Brain. J. Vis. Exp. (208), e67035, doi:10.3791/67035 (2024).
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