The mechanism underlying the therapeutic effects of Deep Brain Stimulation (DBS) surgery needs investigation. The methods presented in this manuscript describe an experimental approach to examine the cellular events triggered by DBS by analyzing the gene expression profile of candidate genes that can facilitate neurogenesis post DBS surgery.
التحفيز العميق للدماغ (DBS) جراحة، واستهداف مناطق مختلفة من الدماغ مثل العقد القاعدية، المهاد، والمناطق تحت المهاد، هو علاج فعال لعدة اضطرابات الحركة التي فشلت في الاستجابة للدواء. وقد بدأ التقدم الأخير في مجال جراحة DBS إلى توسيع نطاق تطبيق هذه التقنية الجراحية لظروف أخرى متنوعة مثل السمنة المرضية، والاكتئاب والوسواس القهري. وعلى الرغم من هذه المؤشرات التوسع، لا يعرف الكثير عن الآليات الفسيولوجية الأساسية التي تسهل التأثيرات المفيدة لعملية جراحية DBS. نهج واحد على هذا السؤال هو لإجراء تحليل التعبير الجيني في الخلايا العصبية التي تستقبل التحفيز الكهربائي. وقد أظهرت الدراسات السابقة وأثار ذلك تكوين الخلايا العصبية في التلفيف المسنن الفئران في DBS استهداف نواة الأمامية من المهاد 1. وتستخدم عملية جراحية DBS استهداف ATN على نطاق واسع لعلاج الصرع المقاوم. وبالتالي، من ينتيريس الكثيرر بالنسبة لنا لاستكشاف التغيرات النسخي الناجمة عن تحفيز كهربائيا ATN. في هذا المخطوط، وصفنا منهجيات لدينا لهدايته stereotactically جراحة DBS استهداف ATN في البالغين فئران ويستار الذكور. نحن أيضا مناقشة الخطوات اللاحقة للتشريح الأنسجة والعزلة RNA، وإعداد [كدنا والكمي RT-PCR لقياس التغيرات في التعبير الجيني. هذه الطريقة يمكن تطبيقها وتعديلها لتحفيز العقد القاعدية ومناطق أخرى من الدماغ شيوعا المستهدفة سريريا. دراسة التعبير الجيني هو موضح هنا تفترض نهجا الجين المستهدف مرشح لاكتشاف اللاعبين الجزيئية التي يمكن توجيه آلية لDBS.
التاريخ وراء تطوير تحفيز الدماغ العميق كأسلوب جراحة الأعصاب يعود إلى 1870s في حين استكشاف إمكانية تحفيز كهربائيا الدوائر الدماغ 2. بدأ استخدام التحفيز عالية التردد المزمن كعلاج لاضطرابات العصبية في 1960s 3. في وقت لاحق في 1990s مع ظهور زرع المزمن DBS أقطاب 4-6، واصل عدد من الاضطرابات العصبية التي كانت تعامل من قبل DBS في الزيادة. وقد استخدم تحفيز الدماغ العميق لأول مرة في الولايات المتحدة لعلاج الهزة الضروري 6. اليوم يتم استخدام الجراحة على نطاق واسع لعلاج الاضطرابات العصبية التي هي غير قابل للعلاج عن طريق التدخل الدوائي حاليا. يستخدم DBS حاليا لعلاج اضطرابات الحركة من مرض باركنسون وخلل التوتر 7-9. الزهايمر نوع الخرف، مرض هنتنغتون، والصرع، وآلام والأمراض العصبية والنفسية مثل الاكتئاب، والوسواس القهري، توريت7؛ ق متلازمة والإدمان هي بعض الشروط قابلة للعلاج بواسطة DBS 10-12. بينما عملية جراحية DBS وافقت ادارة الاغذية والعقاقير لعلاج مرض باركنسون، خلل التوتر والهزة الأساسية، واستخدام DBS لعلاج الحالات الأخرى المذكورة أعلاه هي في مراحل مختلفة من المختبر والدراسات السريرية التي تقدم الكثير من الأمل للمرضى 13،14.
سريريا، يتم إجراء عملية جراحية DBS على مرحلتين. المرحلة الأولى تتضمن لتحديد المواقع جراحيا الأقطاب DBS في الموقع التشريحي المستهدف باستخدام مزيج من المواقع الإشعاعي، CT، MRI، وكذلك قراءات مسرى مكروي لتعزيز دقة. المرحلة الثانية تتضمن زرع مولد النبض في صدر المريض العلوي وتركيب تمديد يؤدي من فروة الرأس إلى مولد النبض. استنادا إلى حالة عصبية، والعديد من المخططات البرمجة للمولد النبض تم موحدة وسيتم استخدامها لتقديم الجهد المطلوب. في المجلد النهائييتم التوصل المئوية بطريقة تدريجية بحيث الحصول على أفضل استجابة سريرية مع الحد الأدنى من الجهد 15. ومع ذلك، في دراساتنا، على عكس يزرع DBS المزمنة المستخدمة سريريا، من أجل البساطة، ونحن لجأت إلى دراسة لمرة واحدة التحفيز عالية التردد (لمدة 1 ساعة) في النماذج الحيوانية لدينا.
ويركز الجزء من البحث مجموعتنا على التحقيق في استخدام جراحة DBS لعلاج الصرع المعالجة الحرارية. النهج الجراحية المجسم باستخدام التحفيز الترددات العالية قد تم استكشافها من قبل العديد من الآخرين كخيار فعال لعلاج الصرع طبيا الحرارية التي تشكل حوالي 30٪ من جميع حالات الصرع 10،16،17. التحفيز الدماغي استهداف السطح القشري وكذلك نواة المخيخ العميقة التي استخدمت في الماضي كأهداف لعلاج الصرع 10،18،19. وبالإضافة إلى ذلك، كما تم حاول تحفيز الحصين ولكن مع نتائج متفاوتة 20،21. بعض الآخر التحقيقوتشمل أهداف DBS لعلاج الصرع قشرة الدماغ، المهاد، نواة تحت المهاد والعصب المبهم 8. ومع ذلك، في أعقاب نتائج العديد من الدراسات في السنوات القليلة الماضية، النواة المهادية الأمامية (ATN) برز كهدف DBS الأكثر شيوعا لعلاج الصرع 10،22. على أساس المعرفة حول الدوائر تشريحي عصبي والنتائج من النماذج الحيوانية، وقد ركزت العديد من الدراسات على تأثير علاجي من التحفيز العميق للدماغ من ATN في علاج الصرع 23-26. وATN هو جزء من الدائرة الحوفي، ويقع في منطقة من الدماغ الذي يؤثر على وتيرة مصادرة. الدراسات التي حماني وآخرون، لقد اختبرت فعالية ATN-DBS في بيلوكاربين الناجم عن نموذج الصرع ووجد أن التحفيز ATN الثنائي الإختفاء عن المضبوطات التي يسببها بيلوكاربين وصرعية وضع 24 لفترات طويلة. وعلاوة على ذلك، تم العثور على التحفيز الترددات العالية من ATN للحد من وتيرة مصادرة في نموذج بنتيلين تترازول (PTZ) من الجيش الشعبيilepsy 25،27-29. وذكرت لي وآخرون، انخفاض متوسط في وتيرة مصادرة بنحو 75٪ على التحفيز العميق للمخ المزمن من ATN في علاج الصرع الجزئي صهر 30.
وقد أظهرت دراسة سريرية حديثة حول الصرع المعالجة الحرارية نتائج واعدة بعد الجراحة DBS استهداف النواة المهادية الأمامية (ATN) 22. تجربة سريرية عشوائية متعددة المراكز مع 110 المرضى الذين يخضعون DBS الثنائي من ATN لعلاج الصرع المقاوم (SANTE محاكمة) تدل على وجود انخفاض في وتيرة الاستيلاء عليها ما يقرب من 40٪ 31. ألمح النتائج من هذه الدراسة أيضا على أفضل تأثير مضاد للصرع تأخر لوحظ في 2-3 أشهر بعد الجراحة. مزيد من الدراسات قبل تودا وآخرون، تؤكده مع هذه النتائج حيث أظهرت تكوين الخلايا العصبية يحدث في وقت آخر في وقت لاحق DBS (أيام 3-5) في النماذج الحيوانية 1. وبالإضافة إلى ذلك، إنسيناس وآخرون، وأفادت neurogene الحصينجهاز الأمن والمخابرات في الماوس الكبار التلفيف المسنن بعد التحفيز الترددات العالية من ATN 32. وأفادت الدراسات السابقة 33-35 انخفاض تكوين الخلايا العصبية قرن آمون في بعض الحالات الصرع مثل الصرع المزمن الفص الصدغي وجود علاقة مع عجز التعلم، وضعف الذاكرة وعفوية المضبوطات السيارات المتكررة. وعلاوة على ذلك، كان هناك انخفاض في العوامل السلف الخلايا الجذعية العصبية مثل FGF2 وIGF-1 في قرن آمون صرع مزمنة في النماذج الحيوانية 33. النظر في هذا، والاستراتيجيات التدخلية مثل DBS التي تظهر زيادة من تكوين الخلايا العصبية في التلفيف المسنن هي السبل مثيرة للأبحاث. وقد شجعت هذه النتائج لنا لاستكشاف المزيد عميقا في الآلية الكامنة وراء العلاج تكوين الخلايا العصبية بعد DBS لعلاج الصرع. لقد استهدفت ATN على حد سواء من جانب واحد (البيانات لم تبلغ)، وكذلك على المستوى الثنائي (في نتائج تمثيلية) وينظر neurotrophin مرتفعة (BDNF) التعبير في التلفيف المسنن الفئران. لدينا جurrent الفرضية هي أن عامل التغذية العصبية التعبير يبدأ تعبير سلسلة الجين الذي يبلغ ذروته في تكوين الخلايا العصبية التي تترجم إلى تأثير مضاد للصرع من عملية جراحية DBS. في هذه الورقة، نقدم طرقنا لعملية جراحية DBS استهداف ATN في الفئران تليها تحليل التعبير الجيني كنهج جذابة لدراسة الآلية الكامنة وراء فوائد DBS.
بعد عمل معلما قبل Benabid وآخرون في استخدام التحفيز العميق للمخ لعلاج المرض والهزة الضروري باركنسون، وقد تم التحقيق في تقنية جراحية DBS باهتمام كبير خلال العقد الماضي لعلاج العديد من الاضطرابات العصبية 6،10،43. يتم إجراء دراسات DBS التي تستهدف مختلف المناطق العصب…
The authors have nothing to disclose.
We are grateful for the support of the NREF foundation.
Deep Brain Stimulation Surgery | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Stereotactic frame | Kopf Instruments | Model 900 | |
Drill | Dremmel | 7700, 7.2 V | |
Scalpel | BD | 372610 | |
Ketamine | Patterson Veterinary | 07-803-6637 | Schedule III Controlled Substance, procurement, use and storage according to institutional rules |
Xylazine | Patterson Veterinary | 07-808-1947 | |
Buprenorphine | Patterson Veterinary | 07-850-2280 | Schedule III Controlled Substance, procurement, use and storage according to institutional rules |
Surgical staples | ConMed Corporation | 8035 | |
Sutures (3-0) | Harvard Apparatus | 72-3333 | |
Syringe (1 ml, 29 1/2 G) | BD | 329464 | Sterile, use for Anesthesia administration intraperitoneally |
Syringe (3 ml, 25 G) | BD | 309570 | Sterile, use for Analgesia administration subcutaneously |
Needles | BD | 305761 | Sterile, use for clearing broken bone pieces from the burr holes |
Ethanol | Fisher Scientific | S25309B | Use for general sterilization |
Eye Lubricant | Fisher Scientific | 19-898-350 | |
Stimulator | Medtronic | Model 3628 | |
DBS electrodes | Rhodes Medical Instruments, CA | SNEX100x-100mm | Electrodes are platinum, concentric and bipolar |
Betadine (Povidone-Iodine) | PDI | S23125 | Single use swabsticks, use for sterilizing the scalp before making incision |
Brain Dissection and Hippocampal tissue isolation | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Acrylic Rodent Brain Matrix | Electron Microscopy Sciences | 175-300 | www.emsdiasum.com |
Razor Blade | V W R | 55411-050 | |
Guillotine Scissors | Clauss | 18039 | For decapitation, make sure these scissors are maintained in clean and working condition |
Scissors | Codman Classic | 34-4098 | Use for removing the brain from the skull |
Forceps | Electron Microscopy Sciences | 72957-06 | Use for removing the brain from the skull and for handling during dissection |
Phosphate Buffered Saline | Boston Bioproducts | BM-220 | |
RNA Extraction and cDNA Preparation | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Tri Reagent | Sigma | T9424 | Always use in a fume hood and wear protective goggles while handling; avoid contact with skin |
Syringe (3 ml, 25 G) | BD | 309570 | Use for tissue homogenization |
Chloroform | Fisher Scientific | BP1145-1 | Always use in a fume hood and wear protective goggles while handling; avoid contact with skin |
Isopropanol | Fisher Scientific | A416-1 | |
Glycogen | Thermo Scientific | R0561 | |
Dnase I Kit | Ambion | AM1906 | |
Superscript First Strand Synthesis Kit | Invitrogen | 11904-018 | |
Tabletop Microcentrifuge | Eppendorf | 5415D | |
Quantitative PCR | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
SYBR Green PCR Kit | Qiagen | 204143 | |
Custom Oligos | Invitrogen | 10668051 | |
PCR Plates (96 wells) | Denville Scientific | C18080-10 | |
Optical Adhesive Sheets | Thermo Scientific | AB1170 | |
Nuclease free Water | Thermo Scientific | SH30538-02 | |
Real Time PCR Machine | Applied Biosystems | 7500 |