Real-time dynamische verzameling van hippocampale extracellulaire vloeistof van bewuste ratten met behulp van een microdialysesysteem
Summary
Het protocol hier biedt een gedetailleerde real-time dynamische bemonstering van extracellulaire vloeistof uit de hippocampus van wakkere ratten met behulp van een microdialysesysteem.
Abstract
Een verscheidenheid aan ziekten van het centrale zenuwstelsel (CZS) zijn geassocieerd met veranderingen in de samenstelling van hippocampale extracellulaire vloeistof (HECF). Moeilijkheden bij het verkrijgen van HECF in realtime van bewuste ratten hebben echter lang de evaluatie van de progressie van de ziekte van het CZS en de effectiviteit van etnomedische therapie beperkt. Het is bemoedigend dat een hersenmicrodialysetechniek kan worden gebruikt voor continue bemonstering met de voordelen van dynamische observatie, kwantitatieve analyse en een kleine steekproefomvang. Dit maakt het mogelijk om veranderingen in het extracellulaire vloeistofgehalte voor verbindingen van traditionele kruiden en hun metabolieten in de hersenen van levende dieren te volgen. Het doel van deze studie was dus om nauwkeurig een microdialysesonde met hersenvocht te implanteren in het hippocampusgebied van Sprague Dawley (SD) -ratten met een driedimensionaal stereotaxisch apparaat in de hersenen, waardoor moleculaire gewichten groter dan 20 kDa werden afgesneden. De hoogwaardige HECF werd vervolgens verkregen van bewuste ratten met behulp van een microdialysebemonsteringscontrolesysteem met een instelbare bemonsteringsfrequentie van 2,87 nL / min – 2,98 ml / min. Kortom, ons protocol biedt een efficiënte, snelle en dynamische methode om HECF te verkrijgen bij wakkere ratten met behulp van microdialysetechnologie, die ons onbeperkte mogelijkheden biedt om de pathogenese van CZS-gerelateerde ziekten verder te onderzoeken en de werkzaamheid van geneesmiddelen te evalueren.
Introduction
Ziekten van het centrale zenuwstelsel (CZS) met hoge morbiditeiten, zoals neurodegeneratieve ziekten, traumatisch hersenletsel, hypoxie-geïnduceerd hersenletsel op grote hoogte en ischemische beroerte, zijn cruciale oorzaken van de groeiende sterfte wereldwijd 1,2,3. Real-time monitoring van cytokines en eiwitveranderingen in specifieke hersengebieden draagt bij aan de diagnostische nauwkeurigheid van CZS-ziekten en farmacokinetische hersenstudies na medicatie. Traditioneel wetenschappelijk onderzoek maakt gebruik van hersenweefselhomogenaat of een handmatige verzameling van dierlijke interstitiële hersenvloeistof voor de detectie van specifieke stoffen en voor farmacokinetische studies. Dit heeft echter enkele tekortkomingen, zoals een beperkte steekproefomvang, het onvermogen om de veranderingen van indicatoren dynamisch waar te nemen en een ongelijke steekproefkwaliteit 4,5,6. Cerebrospinale vloeistof, een interstitiële vloeistof, beschermt de hersenen en het ruggenmerg tegen mechanische schade. De samenstelling is anders dan die van het serum vanwege het bestaan van de bloed-hersenbarrière (BBB)7. Directe analyse van cerebrospinale vloeistofmonsters is meer bevorderlijk voor het onthullen van het mechanisme van CZS-laesies en medicijnontdekking. Het is onvermijdelijk dat de monsters van het hersenvocht, handmatig rechtstreeks verkregen uit de cisterna magna en cerebrale ventrikels via een spuit, nadelen hebben van bloedverontreiniging, een willekeurige kans op monsterneming, onzekerheid van de hoeveelheid en bijna geen meervoudige ophaalmogelijkheid 8,9. Meer in het bijzonder kunnen conventionele interstitiële hersenvloeistofbemonsteringsmethoden geen monsters verkrijgen van beschadigde hersengebieden, wat de verkenning van de pathogenese van CZS-ziekten in specifieke hersengebieden en de werkzaamheidsevaluatie van gerichte etnomedische therapieën belemmert 9,10.
Hersenmicrodialyse is een techniek voor het bemonsteren van interstitiële hersenvloeistof bij wakkere dieren11. Het microdialysesysteem imiteert vasculaire permeabiliteit met behulp van een sonde die in de hersenen is geïmplanteerd. De microdialysesonde is gewapend met een semi-permeabel membraan en wordt geïmplanteerd in specifieke hersengebieden. Na perfusie met isotone kunstmatige cerebrospinale vloeistof (ACSF) kan de gedialyseerde interstitiële hersenvloeistof gunstig worden verzameld met de voordelen van kleine steekproefgroottes, continue bemonstering en dynamische observatie12,13. In termen van locatie kunnen hersenmicrodialysesondes selectief worden geïmplanteerd in hersenstructuren of schedelreservoirs van belang14. Een observatie van abnormale niveaus van een endogene stof in de hippocampale extracellulaire vloeistof (HECF) suggereert het optreden van CZS-ziekten of de pathogenese van de ziekte. Verschillende studies hebben aangetoond dat de biomarkers voor CZS-ziekten, zoals D-aminozuren bij schizofrenie, β-amyloïde en tau-eiwitten bij de ziekte van Alzheimer, neurofilament lichte ketens bij traumatisch hersenletsel en ubiquitine carboxy-terminale hydrolase L1s bij hypoxische ischemie-encefalopathie, kunnen worden geanalyseerd in hersenvocht15,16,17 . Een chemische analysemethode op basis van de microdialysebemonsteringstechniek van de hersenen kan worden gebruikt om dynamische veranderingen van exogene verbindingen te volgen, zoals actieve ingrediënten van etnogeneeskunde, die diffunderen en distribueren in specifieke hersengebieden14.
Dit artikel presenteert het specifieke proces van dynamische HECF-acquisitie bij wakkere ratten en meet de osmotische druk om de monsterkwaliteit te garanderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De pathogenese van CZS-ziekten is nog steeds niet volledig begrepen, wat de ontwikkeling van nieuwe therapieën en geneesmiddelen belemmert. Studies hebben aangetoond dat de meeste CZS-ziekten nauw verwant zijn aan hippocampuslaesies20,21,22. De voorgestelde hersenmicrodialysetechniek kan zich richten op specifieke delen van de hersenen, met name de hippocampus, waardoor het zich onderscheidt van de traditionele benadering van h…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (82104533), de Science & Technology Department van de provincie Sichuan (2021YJ0175) en de China Postdoctoral Science Foundation (2020M683273). De auteurs willen graag de heer Yuncheng Hong bedanken, een senior equipment engineer bij Tri-Angels D&H Trading Pte. Ltd. (Singapore) voor het verlenen van technische diensten voor de microdialysetechniek.
Materials
| Air-drying oven | Suzhou Great Electronic Equipment Co., Ltd | GHG-9240A | |
| Animal anesthesia system | Rayward Life Technology Co., Ltd | R500IE | |
| Animal temperature maintainer | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| Artificial cerebrospinal fluid | Beijing leagene biotech. Co., Ltd | CZ0522 | |
| Brain microdialysis probe | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Catheter | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Covance infusion harness | Instech Laboratories, Inc. | CIH95 | |
| Denture base resins | Shanghai Eryi Zhang Jiang Biomaterials Co., Ltd | 190732 | |
| Electric cranial drill | Rayward Life Technology Co., Ltd | 78001 | |
| Electric shaver | Rayward Life Technology Co., Ltd | CP-5200 | |
| Free movement tank for animals | CMA Microdialysis AB | CMA120 | |
| Heparin sodium injection | Chengdu Haitong Pharmaceutical Co., Ltd | H51021208 | |
| Iodophor | Sichuan Lekang Pharmaceutical Accessories Co., Ltd | 202201 | |
| Isofluran | Rayward Life Technology Co., Ltd | R510-22 | |
| Microdialysis catheter stylet | CMA Microdialysis AB | 8011205 | |
| Microdialysis collection tube | CMA Microdialysis AB | 7431100 | |
| Microdialysis collector | CMA Microdialysis AB | CMA4004 | |
| Microdialysis fep tubing | CMA Microdialysis AB | 3409501 | |
| Microdialysis in vitro stand | CMA Microdialysis AB | CMA130 | |
| Microdialysis microinjection pump | CMA Microdialysis AB | 788130 | |
| Microdialysis syringe (1.0 mL) | CMA Microdialysis AB | 8309020 | |
| Microdialysis tubing adapter | CMA Microdialysis AB | 3409500 | |
| Non-absorbable surgical sutures | Shanghai Tianqing Biological Materials Co., Ltd | S19004 | |
| Ophthalmic forceps | Rayward Life Technology Co., Ltd | F12016-15 | |
| Osmometer | Löser | OM 807 | |
| Sodium hyaluronate eye drops | URSAPHARM Arzneimittel GmbH | H20150150 | |
| Stereotaxie apparatus | Rayward Life Technology Co., Ltd | 68025 | |
| Surgical scissors | Rayward Life Technology Co., Ltd | S14014-15 | |
| Surgical scissors | Shanghai Bingyu Fluid technology Co., Ltd | BY-103 | |
| Syringe needle | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Trypsin solution | Boster Biological Technology, Ltd. |
PYG0107 | |
| Ultrasonic cleaner | Guangdong Goote Ultrasonic Co., Ltd | KMH1-240W8101 |
References
- Erkkinen, M. G., Kim, M. O., Geschwind, M. D. Clinical neurology and epidemiology of the major neurodegenerative diseases. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 10 (4), 033118 (2018).
- Salehi, A., Zhang, J. H., Obenaus, A. Response of the cerebral vasculature following traumatic brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (7), 2320-2339 (2017).
- Kurtzman, R. A. e. m. 3., Caruso, J. L. High-altitude illness death investigation. Academic Forensic Pathology. 8 (1), 83-97 (2018).
- Matsumoto, T., et al. Pharmacokinetic study of Ninjin’yoeito: Absorption and brain distribution of Ninjin’yoeito ingredients in mice. Journal of Ethnopharmacology. 279, 114332 (2021).
- Mahat, M. Y., et al. An improved method of transcutaneous cisterna magna puncture for cerebrospinal fluid sampling in rats. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 272-279 (2012).
- Ceaglio, N., et al. High performance collection of cerebrospinal fluid in rats: evaluation of erythropoietin penetration after osmotic opening of the blood-brain barrier. Journal of Neuroscience Methods. 219 (1), 70-75 (2013).
- Bothwell, S. W., Janigro, D., Patabendige, A. Cerebrospinal fluid dynamics and intracranial pressure elevation in neurological diseases. Fluids and Barriers of the CNS. 16 (1), 9 (2019).
- Barthel, L., et al. A step-by-step guide for microsurgical collection of uncontaminated cerebrospinal fluid from rat cisterna magna. Journal of Neuroscience Methods. 352, 109085 (2021).
- Zhao, Y., Yang, Y., Wang, D. X., Wang, J., Gao, W. Y. Cerebrospinal fluid amino acid metabolite signatures of diabetic cognitive dysfunction based on targeted mass spectrometry. Journal of Alzheimer’s Disease. 86 (4), 1655-1665 (2022).
- Lim, N. K., et al. An improved method for collection of cerebrospinal fluid from anesthetized mice. Journal of Visualized Experiments. (133), e56774 (2018).
- Hendrickx, S., et al. A sensitive capillary LC-UV method for the simultaneous analysis of olanzapine, chlorpromazine and their FMO-mediated N-oxidation products in brain microdialysates. Talanta. 162, 268-277 (2017).
- Chefer, V. I., Thompson, A. C., Zapata, A., Shippenberg, T. S. Overview of brain microdialysis. Current Protocols in Neuroscience. , (2009).
- Hammarlund-Udenaes, M. Microdialysis as an important technique in systems pharmacology-a historical and methodological review. The AAPS Journal. 19 (5), 1294-1303 (2017).
- Anderzhanova, E., Wotjak, C. T. Brain microdialysis and its applications in experimental neurochemistry. Cell and Tissue Research. 354 (1), 27-39 (2013).
- Mohammadi, A., Rashidi, E., Amooeian, V. G. Brain, blood, cerebrospinal fluid, and serum biomarkers in schizophrenia. Psychiatry Research. 265, 25-38 (2018).
- Lashley, T., et al. Molecular biomarkers of Alzheimer’s disease: progress and prospects. Disease Models & Mechanisms. 11 (5), 031781 (2018).
- Kawata, K., Tierney, R., Langford, D. Blood and cerebrospinal fluid biomarkers. Handbook of Clinical Neurology. 158, 217-233 (2018).
- Zhao, Q. P., et al. Protective effects of dehydrocostuslactone on rat hippocampal slice injury induced by oxygen-glucose deprivation/reoxygenation. International Journal of Molecular Medicine. 42 (2), 1190-1198 (2018).
- Wang, X. B. . Protective effects of dehydrocostuslactone on oxygen-glucose deprivation injury in rat hippocampal slices. , (2017).
- Coimbra-Costa, D., Alva, N., Duran, M., Carbonell, T., Rama, R. Oxidative stress and apoptosis after acute respiratory hypoxia and reoxygenation in rat brain. Redox Biology. 12, 216-225 (2017).
- Liu, H. Y., Chou, K. H., Chen, W. T. Migraine and the Hippocampus. Current Pain and Headache Reports. 22 (2), 13 (2018).
- Toda, T., Parylak, S. L., Linker, S. B., Gage, F. H. The role of adult hippocampal neurogenesis in brain health and disease. Molecular Psychiatry. 24 (1), 67-87 (2019).
- Wang, P., Lo Cascio, F., Gao, J., Kayed, R., Huang, X. F., F, X. Binding and neurotoxicity mitigation of toxic tau oligomers by synthetic heparin like oligosaccharides. Chemical Communications. 54 (72), 10120-10123 (2018).
- Han, J. Y., Li, Q., Ma, Z. Z., Fan, J. Y. Effects and mechanisms of compound Chinese medicine and major ingredients on microcirculatory dysfunction and organ injury induced by ischemia/reperfusion. Pharmacology & Therapeutics. 177, 146-173 (2017).
- Peng, T. M., et al. Anti-inflammatory effects of traditional Chinese medicines on preclinical in vivo models of brain ischemia-reperfusion-injury: Prospects for neuroprotective drug discovery and therapy. Frontiers in Pharmacology. 10, 204 (2019).
- König, M., Thinnes, A., Klein, J. Microdialysis and its use in behavioural studies: Focus on acetylcholine. Journal of Neuroscience Methods. 300, 206-215 (2018).
- Liu, M. Z., Wang, P., Yu, X. M., Dong, G. C., Yue, J. Intracerebral microdialysis coupled to LC-MS/MS for the determination tramadol and its major pharmacologically active metabolite O-desmethyltramadol in rat brain microdialysates. Drug Testing and Analysis. 9 (8), 1243-1250 (2017).
- de Lima Oliveira, M., et al. Cerebral microdialysis in traumatic brain injury and subarachnoid hemorrhage: state of the art. Neurocritical Care. 21 (1), 152-162 (2014).
- Amiridze, N., Dang, Y., Brown, O. R. Hydroxyl radicals detected via brain microdialysis in rats breathing air and during hyperbaric oxygen convulsions. Redox Report. 4 (4), 165-170 (1999).
- Chang, H. Y., Morrow, K., Bonacquisti, E., Zhang, W., Shah, D. K. Antibody pharmacokinetics in rat brain determined using microdialysis. MABS. 10 (6), 843-853 (2018).
- Wan, H. Y., et al. Pharmacokinetics of seven major active components of Mahuang decoction in rat blood and brain by LC-MS/MS coupled to microdialysis sampling. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 393 (8), 1559-1571 (2020).
- Zheng, H. Z., et al. Pharmacokinetic analysis of Huangqi Guizhi Wuwu decoction on blood and brain tissue in rats with normal and cerebral ischemia-reperfusion Injury by microdialysis with HPLC-MS/MS. Drug Design Development and Therapy. 14, 2877-2888 (2020).
- Bongaerts, J., et al. Sensitive targeted methods for brain metabolomic studies in microdialysis samples. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 161, 192-205 (2018).
- Zhang, Y. Q., Jiang, N., Yetisen, A. K. Brain neurochemical monitoring. Biosensors and Bioelectronics. 189, 113351 (2021).
