Het 6-hydroxydopamine rattenmodel van de ziekte van Parkinson

De belangrijkste neuropathologische kenmerken van PD zijn de chronische progressieve neurodegeneratie van dopaminerge neuronen in de substantia nigra pars compacta (SNc) en de aanwezigheid van Lewy-lichamen die α-synucleïne-eiwit ^bevatten1. Terwijl SNc dopaminerge neuronen hun axonen in het striatum projecteren via de nigrostriatale route, resulteert neurodegeneratie van neuronen in SNc in een dopaminerge tekort in het ^striatum2. De afwezigheid van dopamine in het striatum veroorzaakt een onbalans in de activiteiten van de directe en indirecte motorische controleroutes, die verantwoordelijk is voor de belangrijkste motorische symptomen van PD: akinesie (langzame beweging), bradykinesie (moeite met het starten van bewegingen), spierstijfheid en tremor in ^rust3,4,5.

Aangezien de moleculaire en fysiologische mechanismen die betrokken zijn bij het ontstaan van PD nog steeds niet volledig worden begrepen, proberen de momenteel beschikbare hoofdbehandelingen de motorische symptomen te verlichten door middel van farmacotherapieën, diepe ^{hersenstimulatie6,7}, genetische ^therapieën8 en ^{celtransplantatie9}. Daarom is preklinisch onderzoek van fundamenteel belang om de mechanismen die betrokken zijn bij het begin van PD op te helderen en nieuwe methodologieën te ontdekken voor de vroege diagnose en nieuwe therapieën om de degeneratie van neuronen die worden beïnvloed door ^PD10 te voorkomen of te stoppen.

Diermodellen zijn op grote schaal gebruikt om menselijke pathologie in het laboratorium te simuleren, wat bijdraagt aan de vooruitgang van de geneeskunde en de wetenschap11,12,13,14. Het is echter essentieel om te benadrukken dat de juiste keuze van het diermodel fundamenteel is voor het succes van de studie. Daarom moet het diermodel worden gevalideerd in drie hoofdaspecten: i) gezichtsvaliditeit, waarbij het diermodel de kenmerken van menselijke pathologie moet hebben; ii) constructieve validiteit, waarbij het diermodel een solide theoretische basis moet hebben; en iii) voorspellende validiteit, waarbij diermodellen op dezelfde manier op behandelingen moeten reageren als klinische behandeling.

Momenteel worden verschillende dieren gebruikt als diermodellen voor PD. De belangrijkste groepen zijn zoogdieren, zoals knaagdieren, primaten, minivarkens, honden en katten, en andere groepen zoals drosophila en zebravissen. Knaagdieren zijn het meest klassieke diermodel voor PD en het meest gebruikt vanwege hun gebruiksgemak en onderhoud. Bovendien zijn de anatomie en moleculaire, cellulaire en farmacologische mechanismen van PD vergelijkbaar bij knaagdieren en ^mensen15.

Een review gepubliceerd door Kin en collega’s in 2019 analyseerde de belangrijkste diermodelmethodologieën die in de jaren 2000 voor PD werden gebruikt en ontdekte dat het meest gebruikte diermodel neurotoxinen zoals 6-hydroxydopamine (6-OHDA) en 1-methyl-4-fenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) betrof. Beide neurotoxinen veroorzaken mitochondriale ontregeling in dopaminerge neuronen in de nigrostriatale route, wat leidt tot ^celdood16. Een ander veel gebruikt model omvat genetische manipulatie door mutatie in specifieke genen die betrokken zijn bij het begin van PD, waardoor mitochondriale ontregeling ^{wordt veroorzaakt17}. Neurotoxinemodellen worden vaak gebruikt om therapeutica te evalueren en te vergelijken, terwijl genetische modellen worden gebruikt om de ontwikkeling van preventieve therapieën en idiopathische ^{PD15 te bestuderen}.

Het neurotoxine MPTP werd ontdekt om parkinsonisme te veroorzaken in het midden van de jaren 1980 nadat zeven patiënten de stof gebruikten en ernstige PD-symptomen vertoonden. Naast de symptomen reageerden de patiënten op de behandeling met levodopa, waardoor de onderzoekers het molecuul direct aan PD koppelden. Nadat de zaak in 1986 werd gepubliceerd, begonnen verschillende onderzoekers MPTP te gebruiken in preklinisch ^{PD-onderzoek18}. Onderzoekers hebben ontdekt dat MPTP, omdat het een lipofiel molecuul is, de bloed-hersenbarrière (BBB) kan passeren en kan worden omgezet in MPP ^{+ 19}. Deze giftige stof hoopt zich op in neuronen en veroorzaakt schade aan complex 1 van de mitochondriale ademhalingsketen, wat leidt tot de dood van dopaminerge ^neuronen20.

Het 6-OHDA neurotoxinemodel werd voor het eerst gebruikt om de degeneratie van monoamineneuronen van de nigrostriatale route in ¹⁹⁶⁸²¹ te induceren. Het 6-OHDA-model wordt vaak gebruikt om neurodegeneratie in de nigrostriatale route te veroorzaken, omdat het een dopamine-analoog is en giftig voor catecholamine-bevattende cellen. Nadat 6-OHDA de hersenen binnenkomt, kan het worden opgenomen door de dopaminetransporter (DAT) in dopaminerge neuronen, wat leidt tot degeneratie van de nigrostriatale ^route22. Omdat 6-OHDA niet doordringt in de BBB, moet het direct worden toegediend via intracerebrale stereotaxische ^injectie23. Een noradrenalineheropnameremmer wordt vaak gecombineerd met 6-OHDA micro-injectie om noradrenerge vezels te behouden en een meer selectieve degeneratie van dopaminerge neuronen ^{te bieden24}.

Nadat DAT 6-OHDA inneemt, zal het zich ophopen in het cytosol van neuronen, waardoor reactieve zuurstofsoorten (ROS) worden geproduceerd en tot celdood wordt ^geleid15. Drie verschillende laesiemodellen van 6-OHDA worden vaak gebruikt: i) laesies aan de ^SNc25,26; ii) laesies aan het ^{striatum27,28}; iii) laesies aan de ^MFB29,30. Laesies veroorzaakt in het striatum resulteren in een langzame en retrograde degeneratie van dopaminerge neuronen in SNpc. Daarentegen resulteren laesies veroorzaakt in SNpc en MFB in snelle en totale degeneratie van neuronen, wat leidt tot meer geavanceerde ^{parkinsonsymptomen31}.

Unilaterale of bilaterale injectie van 6-OHDA kan neurodegeneratie in dopaminerge neuronen veroorzaken. 6-OHDA veroorzaakt niet altijd ernstige schade aan de neuronen; soms resulteert de injectie in gedeeltelijke schade, die ook wordt gebruikt om de vroege stadia van ^PD32 te simuleren. De unilaterale injectie wordt vaker gebruikt vanwege het vermogen van het model om de motorische tekorten van het dier te beoordelen en celverlies te voorspellen door middel van tests zoals amfetamine / apomorfine-geïnduceerde rotatie en de ^staptest29. Bilaterale injecties worden het meest gebruikt om ruimtelijk geheugen en herkenning te ^evalueren33.

De amfetamine / apomorfine-geïnduceerde rotatietest is een gedragstest die vaak wordt gebruikt om celverlies in de nigrostriatale route te voorspellen. Het wordt gedefinieerd als een proces waarbij herhaalde toediening van dopamine-agonisten leidt tot een intensivering van het rotatiegedrag bij 6-OHDA-laesiedieren34. Rotatiegedrag bestaat uit het kwantificeren van amfetamine-geïnduceerde ipsilaterale rotatie of apomorfine-geïnduceerde contralaterale wendingen bij eenzijdig laesie knaagdieren. Geneesmiddel-geïnduceerd rotatiegedrag is bekritiseerd omdat rotatie niet overeenkomt met PD-symptomen bij mensen en kan worden beïnvloed door variabelen zoals tolerantie, sensibilisatie en “priming”³⁵.

Priming is een van de meest kritische factoren in deze gedragstests. Er zijn enkele gevallen gemeld waarbij een enkele dosis levodopa leidde tot een falen in ^{rotatiegedrag36}. Bovendien is een andere kritische factor met betrekking tot de gecombineerde toepassing van de amfetamine-geïnduceerde test en apomorfine-geïnduceerde test voor parallel gebruik dat ze verschillende eindpunten meten vanwege verschillende werkingsmechanismen, die de inactivatie van verschillende signaleringsmechanismen en -routes weerspiegelen. Bovendien is de amfetamine-geïnduceerde test nauwkeuriger om nigrostriatale laesies boven 50-60% te meten, terwijl de apomorfine-geïnduceerde test nauwkeuriger is voor laesies boven 80%³⁷.

De staptest is naar voren gekomen als een gedragstest die tekorten aangeeft die verband houden met dopaminerge neurondegeneratie en therapeutische effecten. Het maakt de analyse van akinesie veroorzaakt door een 6-OHDA laesie in dopaminerge neuronen mogelijk zonder een door geneesmiddelen geïnduceerde procedure. Bovendien is de test goed ingeburgerd en wordt deze vaak gebruikt sinds 1995, toen het voor het eerst werd beschreven door Olsson et ^al.35. In 1999 analyseerden en vergeleken Chang et ^al.38 ook de prestaties van ratten in de staptest met het niveau van degeneratie veroorzaakt door 6-OHDA en ontdekten dat dieren die slechter presteerden in de staptest ook een meer significante degeneratie van dopaminerge neuronen hadden.

De staptest is een uitstekende methode om ernstige dopaminerge nigrostriatale schade te voorspellen bij ratten met 6 OHDA-laesies. Er zijn aanwijzingen dat motorische tekorten optreden in de contralaterale voorpoot van de 6-OHDA-infusie tijdens de staptest wanneer de mate van dopaminerge verlies in SNc >90% ³⁹ is. Dit artikel beschrijft de protocollen, methodologieën en materialen die worden gebruikt om stereotaxische chirurgie uit te voeren voor de unilaterale infusie van 6-OHDA in de MFB van ratten en hoe de dopaminerge laesies veroorzaakt door het toxine kunnen worden voorspeld door middel van de staptest.