Fotobiomodulación bajo controles electroencefalográficos del sueño para la estimulación de la eliminación linfática de toxinas del cerebro de ratón
Summary
Este estudio presenta la tecnología no invasiva y portátil de fotobiomodulación transcraneal bajo control electroencefalográfico para la estimulación de la eliminación linfática de toxinas (por ejemplo, beta amiloide soluble) del cerebro de ratones machos BALB/c envejecidos y no anestesiados durante el sueño profundo natural.
Abstract
Los vasos linfáticos meníngeos (MLV, por sus siglas en inglés) desempeñan un papel importante en la eliminación de toxinas del cerebro. El desarrollo de tecnologías innovadoras para la estimulación de las funciones de MLV es una dirección prometedora en el progreso del tratamiento de diversas enfermedades cerebrales asociadas con anomalías de MLV, incluidas las enfermedades de Alzheimer y Parkinson, tumores cerebrales, lesiones cerebrales traumáticas y hemorragias intracraneales. El sueño es un estado natural en el que los procesos de drenaje del cerebro están más activos. Por lo tanto, la estimulación del drenaje cerebral y los MLV durante el sueño pueden tener los efectos terapéuticos más pronunciados. Sin embargo, en la actualidad no existen estas tecnologías comerciales.
Este estudio presenta una nueva tecnología portátil de fotobiomodulación transcraneal (tPBM) bajo control electroencefalográfico (EEG) del sueño, diseñada para fotoestimular la eliminación de toxinas (por ejemplo, beta amiloide soluble (Aβ)) del cerebro de ratones BALB/c envejecidos con la capacidad de comparar la eficacia terapéutica de diferentes recursos ópticos. La tecnología se puede utilizar en las condiciones naturales de una jaula doméstica sin anestesia, manteniendo la actividad motora de los ratones. Estos datos abren nuevas perspectivas para el desarrollo de fototecnologías no invasivas y clínicamente prometedoras para la corrección de los cambios relacionados con la edad en las funciones del MLV y los procesos de drenaje del cerebro, y para la limpieza eficaz de los tejidos cerebrales de metabolitos y toxinas. Esta tecnología está pensada tanto para estudios preclínicos de las funciones del cerebro dormido como para el desarrollo de tratamientos clínicamente relevantes para las enfermedades cerebrales relacionadas con el sueño.
Introduction
Los vasos linfáticos meníngeos (MLV) desempeñan un papel importante en la eliminación de toxinas y metabolitos de los tejidos cerebrales 1,2,3. El daño de los MLV en diversas enfermedades cerebrales, incluyendo tumores, lesiones cerebrales traumáticas, hemorragias y procesos neurodegenerativos, se acompaña de una disminución de las funciones de los MLV que conduce a la progresión de estas patologías 1,2,3,4,5,6 . Por lo tanto, el desarrollo de métodos para la estimulación de MLVs abre nuevos horizontes en la aparición de tecnologías efectivas para el tratamiento de enfermedades cerebrales. Recientemente, se ha propuesto una tecnología no invasiva para la fotobiomodulación transcraneal efectiva (tPBM) para estimular los MLV y eliminar toxinas como la sangre y el Aβ del cerebro 5,7,8,9,10,11,12. Es interesante notar que el sueño profundo es un factor natural para la activación de los procesos de drenaje linfático en el cerebro 13,14. Con base en este hecho, es lógico suponer que el tPBM de los MLV durante el sueño puede tener efectos terapéuticos más efectivos que durante la vigilia 9,11,12,15. Sin embargo, actualmente no existen tecnologías comerciales para el tPBM durante el sueño16. Además, se realizan experimentos con animales para estudiar los efectos terapéuticos del tPBM bajo anestesia, que es necesaria para suministrar luz con precisión al cerebro. Sin embargo, la anestesia afecta significativamente el drenaje del cerebro, lo que reduce la calidad de los resultados de la investigación17.
Aβ es un producto metabólico de la actividad neuronal normal18. Como se estableció en neuronas corticales de rata cultivadas, Aβ se libera de ellas a altas tasas en el espacio extracelular (2-4 moléculas/neurona/s para Aβ)19. Existen evidencias de que la forma disuelta de Aβ, localizada en los espacios extracelular y perivascular, es la más tóxica para las neuronas y las sinapsis20. El Aβ soluble se elimina rápidamente del cerebro humano durante 1-2,5 h21. Los MLV son los túneles para la eliminación del Aβ soluble del cerebro 1,7 que disminuye con la edad, lo que lleva a la acumulación de Aβ en el cerebro envejecido 1,22. Existen evidencias de que las anormalidades extracelulares de los niveles de Aβ en el cerebro se correlacionan con el rendimiento cognitivo en el envejecimiento y están asociadas al desarrollo de la enfermedad de Alzheimer (EA)23,24. Por lo tanto, los roedores viejos y envejecidos se consideran alternativas a los modelos transgénicos para el estudio de la amiloidosis, incluyendo el AD25,26.
Este estudio presenta una tecnología original y portátil de tPBM bajo control electroencefalográfico (EEG) del sueño profundo o de movimientos oculares no rápidos (NREM) en ratones machos BALB/c no anestesiados de diferentes edades para estimular el aclaramiento linfático de Aβ desde el cerebro hacia el sistema linfático periférico (los ganglios linfáticos cervicales profundos, dcLNs).
Protocol
Representative Results
Discussion
Los MLV son un objetivo importante para el desarrollo de tecnologías innovadoras para la modulación del drenaje cerebral y la eliminación de desechos celulares y desechos del cerebro, especialmente en sujetos de edad avanzada cuya función de MLVdisminuye 1,22. En un estado homeostático, el sueño profundo se asocia con la activación natural de la limpieza del tejido cerebral13,14. Por lo tanto, es o…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue apoyada por una beca de la Fundación Rusa para la Ciencia (No. 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 |
References
- 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. Recherche. 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).
.