Een Protocol voor transcraniale Photobiomodulation therapie bij muizen
Summary
Photobiomodulation therapie is een innovatieve noninvasive modaliteit voor de behandeling van een breed scala van neurologische en psychiatrische aandoeningen en ook gezonde hersenfunctie kan verbeteren. Dit protocol bevat een stapsgewijze handleiding voor het uitvoeren van hersenen photobiomodulation in muizen door transcraniale lichte levering, die aangepast voor gebruik in andere laboratorium-knaagdieren worden kan.
Abstract
Transcraniële photobiomodulation is een potentiële noninvasive innovatieve therapeutische benadering voor de verbetering van de hersenen Bioenergetica, hersenfunctie in een breed scala van neurologische en psychiatrische aandoeningen en geheugenuitbreiding in leeftijd gerelateerde cognitieve achteruitgang en neurodegeneratieve ziekten. We beschrijven een laboratorium protocol voor transcraniale photobiomodulation therapie (PBMT) in muizen. Leeftijd BALB/c muizen (18 maanden oud) worden behandeld met een 660 nm laser transcranially, eenmaal daags gedurende 2 weken. Laser doorlating gegevens blijkt dat ongeveer 1% van het invallende licht rood op de hoofdhuid een 1 mm diepte van de corticale oppervlak, dringen de dorsale hippocampus bereikt. Resultaten van de behandeling worden beoordeeld op twee manieren: een Barnes doolhof test, die is een zeepaardje-afhankelijke ruimtelijke leren en geheugen taak evaluatie, en meet hippocampal ATP-niveaus, die wordt gebruikt als een Bioenergetica-index. De resultaten van de Barnes taak blijkt een verbetering van het ruimtelijke geheugen in laser behandeld leeftijd muizen in vergelijking met leeftijd-matched controles. Biochemische analyse na laserbehandeling geeft aan verhoogde hippocampal ATP niveaus. We postuleren dat de verhoging van de prestaties van het geheugen mogelijk te wijten aan een verbetering van de hippocampal energiemetabolisme geïnduceerd door de rode laserbehandeling is. De opmerkingen in muizen kunnen worden uitgebreid tot andere diermodellen, aangezien dit protocol konden potentieel worden aangepast aan andere soorten die vaak worden gebruikt voor translationele neurowetenschappen, zoals konijn, kat, hond of aap. Transcraniële photobiomodulation is een veilig en kostenefficiënt modaliteit die een veelbelovende therapeutische benadering in leeftijd gerelateerde cognitieve stoornissen wellicht.
Introduction
PBMT of laag niveau laser licht therapie (LLLT), is een algemene term die naar therapeutische methoden gebaseerd op het stimuleren van biologische weefsels van lichtenergie van lasers of lichtgevende dioden (LEDs verwijst). Bijna alle PBMT behandelingen worden toegepast met rood (NIR) nabij-infrarood licht bij golflengten van 600 tot 1100 nm, een vermogen variërend van 1 tot 500 mW en een fluentie variërend van 20 J/cm2 (Zie Chung et al.1).
Transcranial PBMT is een noninvasive lichte leveringsmethode die is uitgevoerd door bestraling van het hoofd met behulp van een externe lichtbron (laser of LED’s)2. Voor dierlijke toepassingen omvat deze methode contact of noncontact plaatsing van de LED of laser sonde op kop van het dier. Afhankelijk van de therapeutische regio van belang, kan een lichte sonde worden geplaatst over het hele hoofd (voor de dekking van alle hersengebieden) of over een specifiek gedeelte van het hoofd, zoals de prefrontale, pariëtale of frontale regio. De gedeeltelijke overdracht van rood/NIR licht via de hoofdhuid, de schedel, en de dura mater kunt bereiken de corticale oppervlakteniveau en een hoeveelheid energie volstaat om therapeutische voordelen bieden. De geleverde lichte fluentie corticale niveau zou vervolgens worden doorgegeven in de hersenen van de grijze en witte materie, totdat zij de diepere structuren van de hersenen-3 tot.
Licht in de spectrale banden in het rood tot far-red (600-680 nm) en vroege NIR regio (800-870 nm) komt overeen met het absorptiespectrum van cytochroom c oxidase, het terminal enzym van de mitochondriale respiratoire ketting4. Het is dat er PBMT in het rood/NIR-spectrum fotolyse van stikstofmonoxide (NO) van cytochroom c oxidase veroorzaakt, resulterend in een verhoging mitochondriaal elektronentransport en, uiteindelijk, verhoogd ATP generatie5hypothetische. Met betrekking tot de neuronale toepassingen, de potentiële voordelen van de neurostimulatory van brain PBMT met behulp van Transcraniële bestraling methoden zijn gemeld in een verscheidenheid van preklinische studies, met inbegrip van knaagdier modellen van traumatische brain injury (TBI)6, acute beroerte7, de ziekte van Alzheimer (AD)8, Parkinson’s disease (PD)9, depressie10en veroudering11.
Veroudering van de hersenen wordt beschouwd als een neuropsychologische aandoening die negatief sommige cognitieve functies, zoals leren en geheugen12 beïnvloedt. Mitochondriën zijn de primaire organellen die verantwoordelijk is voor de productie van ATP en neuronale Bioenergetica. Mitochondriale dysfunctie is bekend dat gepaard gaan met leeftijdsgebonden tekorten in de hersengebieden die zijn gekoppeld aan ruimtelijke navigatie geheugen, zoals de hippocampus13. Omdat craniale behandeling met rood/NIR licht vooral handelingen door de modulatie van de mitochondriale Bioenergetica, voldoende geleverde lichte dosering aan de hippocampus kan leiden tot de verbetering van de ruimtelijke geheugen resultaten14.
Het doel van het huidige protocol is om de procedure PBMT transcranial in muizen, met lage niveaus van rood licht te demonstreren. De vereiste laser lichttransmissie metingen via de hoofd weefsels van leeftijd muizen worden beschreven. Daarnaast Barnes doolhof, als een zeepaardje-afhankelijke ruimtelijke leren en geheugen taak, en de hippocampal ATP niveaus, als een Bioenergetica-index, worden gebruikt voor een evaluatie van het effect van de behandeling van dieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beschrijven we een protocol voor het uitvoeren van een transcraniale PBMT procedure in muizen. Dit protocol is specifiek gericht op neurowetenschap laboratoria die onderzoek van photobiomodulation gericht op knaagdieren. Dit protocol kan echter worden aangepast aan andere proefdieren die vaak op het gebied van de neurowetenschappen, zoals konijn, kat, hond of aap gebruikt worden.
Momenteel is er een toegenomen belangstelling voor onderzoek naar transcraniale PBMT met rood/NIR lasers en LED’s. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door een subsidie uit de Tabriz Universiteit van medische wetenschappen (verlenen nr. 61019) met S.S.-E. en een subsidie van de publicatie van LiteCure LLC, Newark, DE, Verenigde Staten L.D.T. De auteurs bedank de afdeling van de immunologie en onderwijs ontwikkeling centrum (EDC) van Tabriz Universiteit van medische wetenschappen voor hun vriendelijke hulp.
Materials
| Ketamine | Alfasan | #1608234-01 | |
| Xylazine | Alfasan | #1608238-01 | |
| Agarose | Sigma | #A4679 | |
| Superglue | Quickstar | ||
| Vibratome | Campden Instruments | #MA752-707 | |
| Optical glass | Sail Brand | #7102 | |
| Power meter | Thor labs | #PM100D | |
| Photodiode detector | Thor labs | #S121C | |
| Caliper | Pittsburgh | ||
| GaAlAs laser | Thor Photomedicine | ||
| Etho Vision | Noldus | ||
| Centrifuge | Froilabo | #SW14R | |
| Earmuffs | Blue Eagle | ||
| Digital camera | Visionlite | #VCS2-E742H | |
| Sterio amplifier | Sony | ||
| Ethanol | Hamonteb | #665.128321 | |
| Barnes maze | Costom-made | ||
| ATP assay kit | Sigma | #MAK190 | |
| Elisa reader | Awareness | #Stat Fax 2100 |
References
- Chung, H., et al. The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Annals of Biomedical Engineering. 40 (2), 516-533 (2012).
- Salehpour, F., et al. Brain Photobiomodulation Therapy: a Narrative Review. Molecular Neurobiology. , 1-36 (2018).
- Hamblin, M. R. Shining light on the head: photobiomodulation for brain disorders. BBA Clinical. 6, 113-124 (2016).
- Karu, T. I., Pyatibrat, L. V., Kolyakov, S. F., Afanasyeva, N. I. Absorption measurements of a cell monolayer relevant to phototherapy: reduction of cytochrome c oxidase under near IR radiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 81 (2), 98-106 (2005).
- de Freitas, L. F., Hamblin, M. R. Proposed mechanisms of photobiomodulation or low-level light therapy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 22 (3), 348-364 (2016).
- Xuan, W., Vatansever, F., Huang, L., Hamblin, M. R. Transcranial low-level laser therapy enhances learning, memory, and neuroprogenitor cells after traumatic brain injury in mice. Journal of Biomedical Optics. 19 (10), 108003 (2014).
- DeTaboada, L., et al. Transcranial application of low-energy laser irradiation improves neurological deficits in rats following acute stroke. Lasers in Surgery and Medicine: The Official Journal of the American Society for Laser Medicine and Surgery. 38 (1), 70-73 (2006).
- De Taboada, L., et al. Transcranial laser therapy attenuates amyloid-β peptide neuropathology in amyloid-β protein precursor transgenic mice. Journal of Alzheimer’s Disease. 23 (3), 521-535 (2011).
- Oueslati, A., et al. Photobiomodulation suppresses alpha-synuclein-induced toxicity in an AAV-based rat genetic model of Parkinson’s disease. PloS One. 10 (10), e0140880 (2015).
- Xu, Z., et al. Low-level laser irradiation improves depression-like behaviors in mice. Molecular Neurobiology. 54 (6), 4551-4559 (2017).
- Salehpour, F., et al. Transcranial low-level laser therapy improves brain mitochondrial function and cognitive impairment in D-galactose–induced aging mice. Neurobiology of Aging. 58, 140-150 (2017).
- Grady, C. The cognitive neuroscience of ageing. Nature Reviews Neuroscience. 13 (7), 491 (2012).
- Beal, M. F. Mitochondria take center stage in aging and neurodegeneration. Annals of Neurology. Official Journal of the American Neurological Association and the Child Neurology Society. 58 (4), 495-505 (2005).
- Lu, Y., et al. Low-level laser therapy for beta amyloid toxicity in rat hippocampus. Neurobiology of Aging. 49, 165-182 (2017).
- Seibenhener, M. L., Wooten, M. C. Use of the open field maze to measure locomotor and anxiety-like behavior in mice. Journal of Visualized Experiments. (96), e52434 (2015).
- Rosenfeld, C. S., Ferguson, S. A. Barnes maze testing strategies with small and large rodent models. Journal of Visualized Experiments. (84), e51194 (2014).
- Huang, Y. Y., Chen, A. C. H., Carroll, J. D., Hamblin, M. R. Biphasic dose response in low level light therapy. Dose Response. 7 (4), 358-383 (2009).
- Mohammed, H. S. Transcranial low-level infrared laser irradiation ameliorates depression induced by reserpine in rats. Lasers in Medical Science. 31 (8), 1651-1656 (2016).
- Zhang, Y., Zhang, C., Zhong, X., Zhu, D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 5 (1), 136 (2015).
- Shaw, V. E., et al. Neuroprotection of midbrain dopaminergic cells in MPTP-treated mice after near-infrared light treatment. Journal of Comparative Neurology. 518 (1), 25-40 (2010).
- Moro, C., et al. Photobiomodulation inside the brain: a novel method of applying near-infrared light intracranially and its impact on dopaminergic cell survival in MPTP-treated mice. Journal of Neurosurgery. 120 (3), 670-683 (2014).
- Reinhart, F., et al. The behavioural and neuroprotective outcomes when 670 nm and 810 nm near infrared light are applied together in MPTP-treated mice. Neuroscience Research. 117, 42-47 (2017).
- Sadowski, M., et al. Amyloid-β deposition is associated with decreased hippocampal glucose metabolism and spatial memory impairment in APP/PS1 mice. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 63 (5), 418-428 (2004).
