Это исследование исследует роман использование технологии на основе ферментов микроэлектродные массив (МПС) для мониторинга в vivo активности нейротрансмиттера чушки. Гипотеза была что глутамата dysregulation способствует к механизму обезболивающий нейротоксичности. Здесь мы представляем протокол адаптировать технологии МПС для изучения механизма анестезии индуцированной нейротоксичности.
Каждый год миллионы детей подвергаются анестезии для множества процедур. Однако исследования на животных и человека поставили под сомнение безопасность анестезии в детей, подразумевающие анестетиков потенциально токсичным для мозга в процессе развития. На сегодняшний день никаких исследований успешно освещены механизм(ы) какой наркоз может быть нейротоксическое. Исследования на животных позволяют расследования таких механизмов, и новорожденных поросят представляют отличную модель для изучения этих эффектов из-за их поразительное сходство развития человеческого мозга.
Этот протокол адаптирует использование технологий на основе ферментов микроэлектродные массив (MEA) как новый способ для изучения механизм(ы) анестезии индуцированной нейротоксичности (AIN). МЭС включить мониторинг в реальном времени в vivo активности нейротрансмиттера и предлагают исключительные временнóго и пространственного разрешения. Он предположил, что цистит нейротоксичности частично вызвано глутамата регуляции и МПС предложить метод измерения глутамата. Роман осуществления МЭС технологии в Пятачок модели представляет собой уникальную возможность для изучения АЙН.
Каждый год миллионы детей подвергаются анестезии для инвазивных и неинвазивных процедур в Соединенных Штатах1. Лет поставщики анестезии заверили родителей безопасности анестетиков, даже у новорожденных и маленьких детей. Однако, в 1999 году было обнаружено, что переходные закупорки N-метил D-аспартат (NMDA) подтипа рецепторов глутамата во время ранней жизни может привести к широко апоптоза нейронов крысы2. Недавно, FDA выпустила наркотиков безопасности связи, которые будут требовать этикетки анестетики включить предупреждение об общих анестетиков и их возможное негативное воздействие на развивающиеся мозги детей моложе 3 лет (еда США и Лекарствами, 2017). Однако есть еще необходимость выяснения возможных механизмов и потенциальных нейропротекторной мер.
Нормальной активность нейромедиаторов например глютамат и гамма амино-масляная кислота (ГАМК) являются критическими для нормального нейроразвития происходят. Хотя большинство участвующих в АЙН пути по-прежнему недостижимой, нейромедиатор системы являются весьма вероятно принять участие, поскольку анестетиков, как известно, модулировать этих путей производить бессознательного. В частности возбуждающих нейромедиатора глутамата вызывает Эксайтотоксичность, когда его деятельность является dysregulated. Обычно это нейромедиатор участвует в нейрогенез, нейронные пластичности, синаптических и нейронных роста и целый ряд других критически важных мозговых функций. Однако длительной активации рецепторов глутамат может вызвать Эксайтотоксичность и апоптоза нейронов, особенно в условиях стресса как хирургия, лишение кислорода и снижение доступности3. Привязка глутамата к NMDA рецептор было показано, что причиной+ Na и Cl− приток. Считается, что последующие деполяризации привести к Ca2 + канал открытия и освобождение внутриклеточных Ca2 + хранит4. Это дисфункция вероятно приводит к каскад метаболических нарушений, которые в конечном итоге снижение нейронов распространения, увеличения воспаление и привести к гибели нейронов. Несмотря на эти гипотезы истинный механизм(ы) АЙН остаются неясными5. Из-за его роль в апоптозе глютамат dysregulation представляет новый путь, который может способствовать к механизму ранее документально апоптоза нейронов, особенность АЙН.
Одним из препятствий на исследование нейронов процессов является их высокая сложность, особенно в условиях развития нервной системы. В первые несколько месяцев жизни являются период максимальной подверженности травмы, во время которого большинство из важных шагов нейронов развития таких физиологических апоптоз (нейрональных Обрезка), synaptogenesis, глиогенез и миелинизации занять место6 . Учитывая сложный характер нейронные связи и сложность изучения этих процессов без нарушения нормальной функции ЦНС, новые технологии были разработаны которые направлены в в естественных условиях обнаружения и количественного определения важных элементов нейронные связи.
Энзим соединенный МПС технология была использована в данном исследовании как новый способ для изучения механизмов АЙН в клинически значимых Пятачок модели. Эта технология может использоваться для изучения комплекса в естественных условиях электрохимической мозга процессы, включая глутамата регуляции. Встроенный 4-канальный платины записи сайты МЭС (2 глутамат чувствительных мест и 2 контрольных участках) позволяют ссылающиеся сами на себя, что способствует точность обнаружения. Кроме того слой изоляции применяется для каждого электрода, присвоении избирательности, предотвращая других молекул, мешая будучи обнаружены7. Кроме того Низкопрофильная конструкция МПС позволяет минимальное тканей травм по сравнению с более ранними технологиями. Эта же функция предоставляет МЭС более высоким пространственным разрешением, который облегчает изучение микроскопических регионов в головном мозге. К примеру дискретных областей гиппокампа (зубчатой извилине, СА1, CA2) может быть специально изучал8. Конкретные сведения о функциональности МЭС были ранее описанных9.
По сравнению с МПС электрохимии микродиализом включает в себя мембрану между решение интерес и решение аналогичного состава, позволяя обнаружения внеклеточной жидкости изменяется10. Хотя микродиализом является основой нейрохимии и уже давно используется для обнаружения нейротрансмиттеров, она имеет недостаток низкой время резолюции, задержка обнаружения изменения глутамата, и значительные ткани травмы11.
МЭС косвенно можно обнаружить медиаторы глутамата, ацетилхолина и холин, используя соответствующие оксидазы ферменты, которые производят Электроактивные репортер молекул, таких как H2O2 или O212,13 .
МПС технология широко используется в крыс и нечеловеческих приматов для изучения нейротоксичности в контексте патофизиологических процессов помимо АЙН7,14. Среди некоторых из этих патофизиологических процессов МПС технология была использована для исследования болезни Альцгеймера, эпилепсия, черепно-мозговой травмы, и эффект фармакологических соединений на синаптической связи8,15 , 16 , 17. Хотя МЭС были использованы для изучения этих патологий крыс и нечеловеческих приматов, высокого развития сходство между людьми и Пятачок мозги делает адаптации технологии МПС в поросят метод хорошо подходит для изучения Аин механизм(ы)18.
С самого начала эксперимента Пятачок физиологического гомеостаза должна поддерживаться как описано в этой лаборатории до публикации21. Минимальный мониторинг должен включать пульсоксиметрии, электрокардиография, capnography, неинвазивная кровяное давление и температуру. Подготовленные следователи необходимы, так что физиологического возмущения (например, гипо/гипертермия, гипоксия, гипотония, аритмия) может быть соответствующим образом исправлена.
До зачисления в пробирке МПС калибровок выполняются создать функциональность и избирательности МЭС при известных условиях. Калибровка и обшивка МЭС имеет решающее значение для эффективного использования технологии. Существует много потенциальных ошибок, которые могут возникнуть во время калибровки. Калибровка может идентифицировать эти вопросы, а также ненадлежащего покрытие, что приводит к неправильной interferent ответ. Более подробный отчет табличных ошибок, которые могут произойти в МЭС ответ был составлен, вместе с известные причины и предложены решения, который окажется полезным инструментом вероятность неполадок (Таблица 1). Важно отметить, что до калибровки и обшивка, Стеклянный электрод сравнения должны быть проверены на наличие пузырьков воздуха или белого цвета, как либо негативно повлияет на МПС функции и точность записи.
Симптом | Причина | Меры по исправлению положения |
Нет сигнала | Электрод не подключен | Правильно подключите электрод headstage и headstage быстро amperometry систему. |
Нет питания в системе быстрого amperometry | Включите выключатель питания на задней части быстрые системы | |
Сигнал-шум | Электрод, загрязненные кровью | Непрерывно орошают поверхности мозга во время вставки электрода |
Немедленно промойте электрод в dH2O | ||
Фермент покрытие сыпучих | Чистота и перекрытия электрод | |
Электрод сравнения не был вставлен или с покрытием | Пальто и место электрод сравнения дальше под кожей головы | |
Электрод обнаружение движения поверхности мозга | Обычно происходит в поверхностных структур. Если возможно вставить электрода глубже (1 мм за один раз) | |
Движение животных | Животное неадекватно обеспеченных | Переместите животного в заднем направлении более безопасных earbars на черепе. При необходимости, поднимите туловище для лучшего выравнивания тела. |
Животное неадекватно под наркозом | Проверьте целостность обезболивающий оборудования. Титруйте анестетика для эффективной дозы и администрировать дозы рокурония внутримышечно (5 мг/кг) | |
Размещение неточной электрода | Электрод не выровнено | Скорректировать электрода при сохранении надлежащего подключения к headstage. |
Стереотаксическая координаты являются неточными | Убедитесь, что Пятачок Атлас снабжанными не использовать другой контрольной точки или плоскости выравнивания. | |
Будьте осторожны, чтобы не скрывать следы швов, забив черепа. |
Таблица 1: использовать инструкции по устранению неполадок МПС в поросят. Возможные причины и меры по исправлению положения для оказания помощи в оптимизации и устранения неполадок.
Стереотаксическая Атлас для поросят используется для определения стереотаксического координаты области интересов в отношении известной точки, такие как bregma18. Ухо баров следует надлежащим образом защищена для обеспечения уровня и полностью обездвиженных черепа. Следует позаботиться при срединной линии разреза кожи головы во избежание забил череп, как это может повлиять на визуализацию линии швов. Краниотомия окно должно быть достаточно большим, чтобы вместить МПС.
Этот протокол представляет собой ряд технических проблем, которые требуют хорошо укомплектованный набор операционных и следователь/команда квалифицированных в хирургической и обезболивающий аспекты протокола. Дополнительно модели представляет финансовые ограничения в том, что Пятачок модель является более дорогим, чем грызунов модель; Однако это значительно менее дорогостоящими, чем использование нечеловеческих приматов, которые могут стоить тысячи долларов. Использование технологии МПС представляет свои собственные проблемы, как процедура покрытия и покрытия электродов вручную требуется квалифицированный следователь или помощник для обеспечения достаточной селективностью и надежные функции. Микроэлектродов, сами являются хрупкими, как они изготовлены из керамики и таким образом легко повреждены, если надлежащей осторожности не наблюдается. А также помехи от других электрических устройств, которые может создать шум в записи и кровь в постановляющей части сайта, которая может загородить записи сайтов микроэлектродов. Потребность в специализированное оборудование представляет дополнительное бремя как стереотаксического хирургические кадр должен быть пользовательские построен для иммобилизации Пятачок череп во время имплантации. Стереотаксическая рама, глютамат оксидазы и электродов, сами все дорого. Кроме того отсутствие Пятачок стереотаксического Атлас из в течение последнего десятилетия создает технические ограничения, которые требуют определенного опыта для определения местоположения глубинных структур мозга Пятачок. Разработка нового стереотаксического Атлас, возможно с помощью магнитно-резонансной томографии, значительно укрепило бы способность использовать эту технологию в поросят.
Пятачок является клинически значимых модель для изучения АЙН во многом благодаря parallels, которые существуют между этой породы и человека новорожденных, как оба имеют аналогичные структуры мозга и развития. В отличие от более широко используемых моделей мышей или крыс Пятачок имеет большее сходство ЦНС с человеком, который одалживает к переводимости результатов модели. Пятачок модель дополнительно дешевле и включает менее сложной обработки чем модель нечеловеческих приматов. Пятачок модель предназначена для изучения процесса, какой наркоз может побудить развитием нейротоксичности, измерить его вклад неврологические повреждения и борьбы с проблемой повреждения, вызванные спутывающих переменных. К примеру гипоксия может быть неправильно за ущерб, причиненный анестетиков, как это имеет глобальное воздействие на мозг. Пятачок используется на тех же условиях хирургического и цистит как те, которые используются в человеческой медицине для обеспечения точности результатов.
Использование технологии МЭС на керамической основе устраняет ряд недостатков, связанных с современной техникой микродиализом. Микродиализом имеет ограниченную временнóго и пространственного разрешения по сравнению с Амперометрическое методы, такие как МПС, который непрерывно может записывать события глутамата в нескольких, микроскопические регионов до 10 Гц-23. Этот быстрый дискретизации устраняет смешанным фактором локализованных нейромедиатора диффузии, которая присуща методы медленно выборки как микродиализом24. Кроме того МПС является менее инвазивным методом, чем микродиализом зонд, который может вызвать значительные глиоза во время вставки и может изменять активность нейромедиатора вставки сайт22.
Предыдущие исследования, используя широкий спектр млекопитающих моделей, методов измерения и областей мозга, продемонстрировали базальной глутамата уровня, сопоставимого с найденными, используя эту технику. Это свидетельствует о том, что МПС технологии, когда адаптированы к модели Пятачок, обеспечивает допустимых записей в vivo глутамата концентрации (Таблица 2).
Автор (год) | Техника записи | Модели на животных | Возраст | Мозг регион(ы) | Средняя концентрация базальной глутамата (мкм) |
Hascup et al. (2008)23 | МПС (на основе ферментов) | Грызун | 20 – 24 недели | Префронтальной коры, Полосатое тело | 3.3 ± 1.0; 5,0 ± 1,2 |
Hascup et al. (2010)25 | МПС (на основе ферментов) | Грызун | 3 – 6 месяцев | Гиппокамп | 4.7-10.4 |
Резерфорд et al. (2007)9 | МПС (на основе ферментов) | Грызун | 3 – 6 месяцев | Префронтальной коры, Полосатое тело | 44.9 ± 4,7; 7,3 ± 0,9 |
Miele et al. (1996)26 | Микродиализом (на основе ферментов) | Грызун | – | Полосатое тело | 3.6 ± 0,5 |
27 день et al. (2006) | МПС (на основе ферментов) | Грызун | 3 – 6 месяцев | Лобной коры, Полосатое тело | 1.6 ± ± 0,2 0,3; 1,4 |
Кинтеро – et al. (2007)28 | МПС (на основе ферментов) | Не – человека приматов | 5.3-5.5 лет | Премоторной коры, моторной коры | 3,8 ± 1,7; 3.7 ± 0,9 |
Стивенс и др. (2010) 29 | МПС [Спенсер Gerhardt-2 (SG-2)] | Не – человека приматов | 11 – 21 лет | Путамен | 8.53 |
Кодама et al. (2002)30 | Микродиализом (на основе ферментов) | Не – человека приматов | – | Префронтальной коры | 1.29-2.21 |
GALVAN et al. (2003)31 | Микродиализом (на основе ферментов) | Не – человека приматов | Несовершеннолетних | Полосатое тело | 28.74 ± 2,73 |
Во время и Спенсер (1993)32 | Микродиализом (на основе ферментов) | Человека | 18 – 35 лет | Гиппокамп | 20.3 ± 6,6 |
Reinstrup et al. (2000)33 | Микродиализом (на основе ферментов) | Человека | – | Лобной коры | 16 ± 16 |
Cavus et al. (2005)34 | Микродиализом (на основе ферментов) | Человека | 15 – 52 лет | Новая кора | 2.6 ± 0,3 |
В таблице 2. Сравнение базальной внеклеточного глутамата levelsacross различные животные модели. Выбранного обзор исследований, установления нормальных внеклеточного глутамата уровней в здоровых бодрствовать и осознающие животных, с использованием микродиализом или микроэлектродов.
Использование технологии МПС для мониторинга в vivo глутамата концентрации в Пятачок модели может позволить для будущей оценки Пятачок неврологических осложнений после анестезии. Выживание эксперименты были запланированы, которая будет дальнейшее понимание долгосрочных последствий анестезии на нейрокогнитивный благосостояние человека новорожденных. Выживание эксперименты позволит для поведенческого тестирования и мониторинга глутамата изменяется после анестезии экспозиции. Это также часто для детей наркоз в условиях, где они могут испытывать физиологический стресс в виде хирургического вмешательства. Будущие исследования, касающиеся влияния хирургии с точки зрения неврологические травмы и увеличения в нейротоксичности позволит более точное моделирование общих клинических условиях для детей. Возможна также использование альтернативных животных моделей, как изучение этих различных моделей через хронический имплантации, что позволяет нам отслеживать поведенческие изменения, связанные с нейротоксичности. Сама технология МПС является универсальным, так что будущего исследования не должны ограничиваться анализ уровня глутамата (например, ГАМК, холин, лизина и т.п. могли бы быть проанализированы).
The authors have nothing to disclose.
Авторы хотели бы признать вклад Университета Кентукки центр технологии микроэлектродные (CenMeT) и Огайо государственного университета лабораторных животных ресурсов центр (УЛАР).
Advance Liqui-Wean Pig Milk Replacer | PBS Animal Health | 292-13 | |
Piglet Anesthesia Face-Cone Mask | VetEquip | 921428 | |
Integra SL Anesthesia Workstation | DRE Veterinary | 2350 | This anesthesia workstation is chosen to best mimic the clinical monitoring experienced by pediatric patients in the operating room. Any anesthesia machine can be used as long as it allows for sufficient physiologic monitoring and intervention. |
Sevoflurane | Ultane | 0074-4456-04 | |
Rocuronium Bromide Injection | Hospira | 0409-9558-05 | |
Medfusion 4000 IV Infusion | Smiths Medical | ||
Model 1530 Heavy-Duty Research Model Stereotax | Kopf | custom made | |
Model 1541 Piglet Adaptor | Kopf | custom made | |
Infrared Spot Lamp | Amazon | B000HHQ94C | |
Bair Hugger Torso Blanket | 3M | 540 | |
Bair Hugger | 3M | 750 | |
Sterile Alcohol Prep Pad | Fisherbrand | 22-363-750 | |
Carbon Steel Rib-Back Surgical Blade | Bard-Parker | #10 | |
Scalpel Handel | Havel's | HAN-G4 | |
Surgical Scissors | World Precision Instruments | 504615 | |
Mosquito Forceps | Sklar Surgical Instruments | 17-1225 | |
Gauze Pads | Fisherbrand | 22-246-069 | |
Adson Tissue Forceps | Teleflex | 181223 | |
Dremel 111 Engraving Cutter | Amazon | Dremel 111 | |
Microelectrode Array | Center for Microelectrdoe Technology, University of Kentucky | S2 4Ch MEA; custom made | |
Headstage | Quanteon | 2pA/mV | |
Wire, silver, PFA, .008" Bare, .0110" coated | A-M Systems | 786500 | |
Fine Micromanipulator | Narishige Scientific Instrument Lab | MO-8 |