6-hydroxydopaminråttmodellen för Parkinsons sjukdom

De viktigaste neuropatologiska egenskaperna hos PD är den kroniska progressiva neurodegenerationen av dopaminerga nervceller i substantia nigra pars compacta (SNc) och närvaron av Lewy-kroppar innehållande α-synukleinprotein1. Eftersom SNc dopaminerga neuroner projicerar sina axoner i striatum genom nigrostriatalvägen, resulterar neurodegeneration av neuroner i SNc i ett dopaminergt underskott i striatum2. Frånvaron av dopamin i striatum orsakar en obalans i aktiviteterna hos de direkta och indirekta motoriska kontrollvägarna, vilket är ansvarigt för de viktigaste motoriska symptomen på PD: akinesi (långsam rörelse), bradykinesi (svårigheter att starta rörelser), muskelstyvhet och tremor i ^vila3,4,5.

Eftersom de molekylära och fysiologiska mekanismer som är involverade i uppkomsten av PD fortfarande inte är helt förstådda, syftar för närvarande tillgängliga huvudbehandlingar till att lindra de motoriska symtomen genom farmakoterapier, djup ^{hjärnstimulering6,7}, genetiska ^terapier8 och ^{celltransplantation9}. Därför är preklinisk forskning grundläggande för att belysa mekanismerna som är involverade i uppkomsten av PD och upptäcka nya metoder för tidig diagnos och nya terapier för att förhindra eller stoppa degenerering av neuroner som påverkas av ^PD10.

Djurmodeller har använts i stor utsträckning för att simulera mänsklig patologi i laboratoriet, vilket bidrar till utvecklingen av medicin och vetenskap11,12,13,14. Det är dock viktigt att betona att det korrekta valet av djurmodellen är grundläggande för studiens framgång. Därför måste djurmodellen valideras i tre huvudaspekter: i) ansiktsgiltighet, där djurmodellen måste ha egenskaperna hos mänsklig patologi; ii) konstruktiv validitet, där djurmodellen måste ha en solid teoretisk grund; och iii) prediktiv validitet, där djurmodeller måste reagera på behandlingar på ett liknande sätt som klinisk behandling.

För närvarande används flera djur som djurmodeller för PD. Huvudgrupperna inkluderar däggdjur, såsom gnagare, primater, minipigs, hundar och katter och andra grupper som drosophila och zebrafisk. Gnagare är den mest klassiska djurmodellen för PD och den mest använda på grund av deras enkla hantering och underhåll. Dessutom är anatomin och molekylära, cellulära och farmakologiska mekanismerna för PD likartade hos gnagare och ^människor15.

En översyn publicerad av Kin och kollegor 2019 analyserade de viktigaste djurmodellmetoderna som användes för PD på 2000-talet och fann att den mest använda djurmodellen involverade neurotoxiner som 6-hydroxidopamin (6-OHDA) och 1-metyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin (MPTP). Båda neurotoxinerna orsakar mitokondriell dysregulering i dopaminerga nervceller i nigrostriatalvägen, vilket leder till ^celldöd16. En annan allmänt använd modell involverar genetisk manipulation genom mutation i specifika gener som är involverade i uppkomsten av PD, vilket orsakar mitokondriell dysregulering17. Neurotoxinmodeller används ofta för att utvärdera och jämföra terapier, medan genetiska modeller används för att studera utvecklingen av förebyggande terapier och idiopatisk ^PD15.

Neurotoxinet MPTP upptäcktes orsaka parkinsonism i mitten av 1980-talet efter att sju patienter använt ämnet och uppvisat allvarliga PD-symtom. Förutom symtomen svarade patienterna på behandling med L-DOPA, vilket gjorde att forskarna kopplade molekylen direkt till PD. Efter att fallet publicerades 1986 började flera forskare använda MPTP i preklinisk ^{PD-forskning18}. Forskare har funnit att MPTP är en lipofil molekyl och kan korsa blod-hjärnbarriären (BBB) och omvandlas till MPP ^{+ 19}. Denna giftiga substans ackumuleras inuti neuroner och orsakar skador på komplex 1 i mitokondriell andningskedja, vilket leder till att dopaminerga ^{neuronerdöddöd20}.

6-OHDA-neurotoxinmodellen användes först för att inducera degenerering av monoaminneuroner i nigrostriatalvägen ¹⁹⁶⁸²¹. 6-OHDA-modellen används ofta för att orsaka neurodegeneration i nigrostriatalvägen eftersom det är en dopaminanalog och giftig för katekolamininnehållande celler. Efter att 6-OHDA har trängt in i hjärnan kan det tas upp av dopamintransportören (DAT) i dopaminerga nervceller, vilket leder till degenerering av nigrostriatalvägen22. Eftersom 6-OHDA inte tränger in i BBB måste det administreras direkt genom intrarebrala stereotaxiska ^{injektioner23}. En noradrenalinåterupptagshämmare kombineras ofta med 6-OHDA-mikroinjektion för att bevara noradrenerga fibrer och ge en mer selektiv degenerering av dopaminerga ^nervceller24.

Efter att DAT har upptjämnat 6-OHDA kommer det att ackumuleras i cytosolen hos neuroner, vilket producerar reaktiva syrearter (ROS) och leder till ^celldöd15. Tre olika lesionsmodeller av 6-OHDA används ofta: i) lesioner till ^SNc25,26; ii) lesioner på ^{striatum27,28}; iii) lesioner på ^MFB29,30. Lesioner orsakade i striatum resulterar i en långsam och retrograd degeneration av dopaminerga neuroner i SNpc. Däremot resulterar lesioner orsakade i SNpc och MFB i snabb och total degenerering av nervceller, vilket leder till mer avancerade parkinsoniska ^symtom31.

Ensidig eller bilateral injektion av 6-OHDA kan orsaka neurodegeneration i dopaminerga nervceller. 6-OHDA orsakar inte alltid allvarliga skador på neuronerna; Ibland resulterar injektionen i partiell skada, som också används för att simulera de tidiga stadierna av ^PD32. Den ensidiga injektionen används oftare på grund av modellens förmåga att bedöma djurets motoriska underskott och förutsäga cellförlust genom tester som amfetamin/apomorfininducerad rotation och ^stegtestet29. Bilaterala injektioner används mest för att utvärdera rumsligt minne och ^{igenkänning33}.

Amfetamin / apomorfininducerad rotationstest är ett beteendetest som vanligtvis används för att förutsäga cellförlust i nigrostriatalvägen. Det definieras som en process där upprepad administrering av dopaminagonister leder till en intensifiering av rotationsbeteendet hos 6-OHDA-lesionerade ^djur34. Rotationsbeteende består av kvantifiering av amfetamininducerad ipsilateral rotation eller apomorfininducerade kontralaterala varv hos ensidigt lesionerade gnagare. Läkemedelsinducerat rotationsbeteende har kritiserats eftersom rotation inte motsvarar PD-symtom hos människor och kan påverkas av variabler som tolerans, sensibilisering och “priming”³⁵.

Priming är en av de mest kritiska faktorerna i dessa beteendetester. Vissa fall har rapporterats där en engångsdos av L-DOPA ledde till ett misslyckande i ^{rotationsbeteenden36}. Dessutom är en annan kritisk faktor relaterad till den kombinerade tillämpningen av det amfetamininducerade testet och apomorfininducerat test för parallell användning att de mäter olika effektmått på grund av olika verkningsmekanismer, vilket återspeglar inaktiveringen av olika signalmekanismer och vägar. Vidare är det amfetamininducerade testet mer exakt för att mäta nigrostriatala lesioner över 50-60%, medan det apomorfininducerade testet är mer exakt för lesioner över 80%³⁷.

Stegtestet har framkommit som ett beteendetest som indikerar underskott relaterade till dopaminerg neurondegenerering och terapeutiska effekter. Det möjliggör analys av akinesi orsakad av en 6-OHDA-lesion i dopaminerga neuroner utan ett läkemedelsinducerat förfarande. Dessutom har testet varit väl etablerat och vanligt förekommande sedan 1995, då det först beskrevs av Olsson et ^al.35. År 1999 analyserade chang et ^al.38 också råttornas prestanda i stegtestet med nivån av degeneration orsakad av 6-OHDA och fann att djur som presterade sämre i stegtestet också hade en mer signifikant degenerering av dopaminerga neuroner.

Stegtestet är en utmärkt metod för att förutsäga allvarlig dopaminerg nigrostriatal skada hos 6-OHDA-lesionerade råttor. Bevis tyder på att motoriska underskott uppträder i den kontralaterala frambenet av 6-OHDA-infusionen under stegtestet när graden av dopaminerg förlust i SNc är >90%³⁹. Detta dokument beskriver protokoll, metoder och material som används för att utföra stereotaxisk kirurgi för ensidig infusion av 6-OHDA i MFB hos råttor och hur man förutsäger de dopaminerga lesionerna som orsakas av toxinet genom stegtestet.