التعديل الضوئي تحت ضوابط تخطيط كهربية الدماغ للنوم لتحفيز الإزالة اللمفاوية للسموم من دماغ الفأر
Summary
تقدم هذه الدراسة التكنولوجيا غير الغازية والمحمولة للتعديل الضوئي عبر الجمجمة تحت التحكم في تخطيط كهربية الدماغ لتحفيز الإزالة اللمفاوية للسموم (على سبيل المثال ، بيتا أميلويد القابل للذوبان) من دماغ ذكور الفئران المسنة وغير المخدرة BALB / c أثناء النوم العميق الطبيعي.
Abstract
تلعب الأوعية اللمفاوية السحائية (MLVs) دورا مهما في إزالة السموم من الدماغ. يعد تطوير التقنيات المبتكرة لتحفيز وظائف MLV اتجاها واعدا في تقدم علاج أمراض الدماغ المختلفة المرتبطة بتشوهات MLV ، بما في ذلك أمراض الزهايمر وباركنسون وأورام المخ وإصابات الدماغ الرضحية والنزيف داخل الجمجمة. النوم هو حالة طبيعية عندما تكون عمليات تصريف الدماغ أكثر نشاطا. لذلك ، قد يكون لتحفيز تصريف الدماغ و MLVs أثناء النوم الآثار العلاجية الأكثر وضوحا. ومع ذلك ، لا توجد مثل هذه التقنيات التجارية حاليا.
تقدم هذه الدراسة تقنية محمولة جديدة للتعديل الضوئي عبر الجمجمة (tPBM) تحت التحكم في تخطيط كهربية الدماغ (EEG) للنوم مصممة لإزالة السموم بالضوء (على سبيل المثال ، بيتا أميلويد القابل للذوبان (Aβ)) من دماغ الفئران المسنة BALB / c مع القدرة على مقارنة الفعالية العلاجية للموارد البصرية المختلفة. يمكن استخدام هذه التقنية في الحالة الطبيعية للقفص المنزلي دون تخدير ، والحفاظ على النشاط الحركي للفئران. تفتح هذه البيانات آفاقا جديدة لتطوير تقنيات ضوئية غير جراحية وواعدة سريريا لتصحيح التغيرات المرتبطة بالعمر في وظائف MLV وعمليات تصريف الدماغ وللتطهير الفعال لأنسجة المخ من المستقلبات والسموم. هذه التقنية مخصصة للدراسات قبل السريرية لوظائف الدماغ النائم ولتطوير علاجات ذات صلة سريريا لأمراض الدماغ المرتبطة بالنوم.
Introduction
تلعب الأوعية اللمفاوية السحائية (MLVs) دورا مهما في إزالة السموم والمستقلبات من أنسجة المخ1،2،3. يصاحب تلف MLVs في أمراض الدماغ المختلفة ، بما في ذلك الأورام وإصابات الدماغ المؤلمة والنزيف والعمليات التنكسية العصبية ، انخفاض في وظائف MLV مما يؤدي إلى تطور هذه الأمراض.1،2،3،4،5،6. لذلك ، فإن تطوير طرق لتحفيز MLVs يفتح آفاقا جديدة في ظهور تقنيات فعالة لعلاج أمراض الدماغ. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح تقنية غير جراحية للتعديل الضوئي الفعال عبر الجمجمة (tPBM) لتحفيز MLVs وإزالة السموم مثل الدم و Aβ من الدماغ5،7،8،9،10،11،12. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن النوم العميق هو عامل طبيعي لتنشيط عمليات التصريف اللمفاوي في الدماغ13,14. بناء على هذه الحقيقة ، من المنطقي افتراض أن tPBM من MLVs أثناء النوم قد يكون له آثار علاجية أكثر فعالية من أثناء اليقظة9،11،12،15. ومع ذلك ، لا توجد حاليا تقنيات تجارية ل tPBM أثناء النوم16. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إجراء التجارب على لدراسة الآثار العلاجية ل tPBM تحت التخدير ، وهو أمر مطلوب لتوصيل الضوء بدقة إلى الدماغ. ومع ذلك ، يؤثر التخدير بشكل كبير على تصريف الدماغ ، مما يقلل من جودة نتائج البحث17.
Aβ هو منتج استقلابي للنشاط العصبي الطبيعي18. كما تم تأسيسه في الخلايا العصبية القشرية للفئران المستزرعة ، يتم إطلاق Aβ منها بمعدلات عالية في الفضاء خارج الخلية (2-4 جزيئات / خلية عصبية / ثانية ل Aβ) 19. هناك أدلة على أن الشكل المذاب من Aβ ، الموجود في المساحات خارج الخلية وحول الأوعية الدموية ، هو الأكثر سمية للخلايا العصبية والمشابكالعصبية 20. يتم مسح Aβ القابل للذوبان بسرعة من الدماغ البشري خلال 1-2.5 ساعة21. MLVs هي أنفاق لإزالة Aβ القابل للذوبان من الدماغ 1,7 الذي ينخفض مع تقدم العمر ، مما يؤدي إلى تراكم Aβ في الدماغ المسن 1,22. هناك أدلة على أن التشوهات خارج الخلية لمستويات Aβ في الدماغ ترتبط بالأداء المعرفي في الشيخوخة وترتبط بتطور مرض الزهايمر (AD)23,24. لذلك ، تعتبر القوارض القديمة والقديمة بدائل للنماذج المعدلة وراثيا لدراسة الداء النشواني ، بما في ذلك25،26 بعد الميلاد.
تقدم هذه الدراسة تقنية tPBM الأصلية والمحمولة تحت التحكم في تخطيط كهربية الدماغ (EEG) لنوم حركة العين العميقة أو غير السريعة (NREM) في ذكور الفئران BALB / c غير المخدرة من مختلف الأعمار لتحفيز التصفية اللمفاوية ل Aβ من الدماغ إلى الجهاز اللمفاوي المحيطي (الغدد الليمفاوية العنقية العميقة ، dcLNs).
Protocol
Representative Results
Discussion
تعد MLVs هدفا مهما لتطوير تقنيات مبتكرة لتعديل تصريف الدماغ وإزالة الحطام الخلوي والنفايات من الدماغ ، خاصة في الأشخاص المسنين الذين تنخفض وظيفة MLV لديهم 1,22. في حالة الاستتباب ، يرتبط النوم العميق بالتنشيط الطبيعي لتطهير أنسجة المخ13,14<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا البحث بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية (رقم 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. Research. 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).
.