Fotobiomodulatie onder elektro-encefalografische controles van slaap voor stimulatie van lymfatische verwijdering van gifstoffen uit de hersenen van muizen
Summary
Deze studie presenteert de niet-invasieve en draagbare technologie van transcraniële fotobiomodulatie onder elektro-encefalografische controle voor stimulatie van lymfatische verwijdering van toxines (bijv. Oplosbaar bèta-amyloïde) uit de hersenen van verouderde en niet-verdoofde BALB/c mannelijke muizen tijdens natuurlijke diepe slaap.
Abstract
De meningeale lymfevaten (MLV’s) spelen een belangrijke rol bij de verwijdering van gifstoffen uit de hersenen. De ontwikkeling van innovatieve technologieën voor de stimulatie van MLV-functies is een veelbelovende richting in de vooruitgang van de behandeling van verschillende hersenziekten die verband houden met MLV-afwijkingen, waaronder de ziekte van Alzheimer en Parkinson, hersentumoren, traumatisch hersenletsel en intracraniële bloedingen. Slaap is een natuurlijke toestand wanneer de afvoerprocessen van de hersenen het meest actief zijn. Daarom kan stimulatie van de afvoer van de hersenen en MLV’s tijdens de slaap de meest uitgesproken therapeutische effecten hebben. Dergelijke commerciële technologieën bestaan momenteel echter niet.
Deze studie presenteert een nieuwe draagbare technologie van transcraniële fotobiomodulatie (tPBM) onder elektro-encefalografische (EEG) controle van de slaap, ontworpen om de verwijdering van gifstoffen (bijv. Oplosbaar amyloïde bèta (Aβ)) uit de hersenen van verouderde BALB/c-muizen te stimuleren met het vermogen om de therapeutische effectiviteit van verschillende optische bronnen te vergelijken. De technologie kan worden gebruikt in de natuurlijke toestand van een thuiskooi zonder verdoving, waardoor de motorische activiteit van muizen behouden blijft. Deze gegevens openen nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van niet-invasieve en klinisch veelbelovende fototechnologieën voor de correctie van leeftijdsgebonden veranderingen in de MLV-functies en de drainageprocessen van de hersenen, en voor het effectief reinigen van hersenweefsel van metabolieten en toxines. Deze technologie is zowel bedoeld voor preklinische studies van de functies van het slapende brein als voor het ontwikkelen van klinisch relevante behandelingen voor slaapgerelateerde hersenziekten.
Introduction
Meningeale lymfevaten (MLV’s) spelen een belangrijke rol bij de verwijdering van gifstoffen en metabolieten uit hersenweefsels 1,2,3. Schade van MLV’s bij verschillende hersenziekten, waaronder tumoren, traumatisch hersenletsel, bloedingen en neurodegeneratieve processen, gaat gepaard met een afname van de MLV-functies, wat leidt tot de progressie van deze pathologieën 1,2,3,4,5,6 . Daarom opent de ontwikkeling van methoden voor de stimulatie van MLV’s nieuwe horizonten in de opkomst van effectieve technologieën voor de behandeling van hersenziekten. Onlangs is niet-invasieve technologie voor effectieve transcraniële fotobiomodulatie (tPBM) voorgesteld om MLV’s te stimuleren en gifstoffen zoals bloed en Aβ uit de hersenen te verwijderen 5,7,8,9,10,11,12. Het is interessant om op te merken dat diepe slaap een natuurlijke factor is voor de activering van lymfedrainageprocessen in de hersenen13,14. Op basis van dit feit is het logisch om aan te nemen dat de tPBM van MLV’s tijdens de slaap effectievere therapeutische effecten kan hebben dan tijdens het wakker zijn 9,11,12,15. Er zijn momenteel echter geen commerciële technologieën voor tPBM tijdens de slaap16. Daarnaast worden dierproeven om de therapeutische effecten van tPBM te bestuderen uitgevoerd onder narcose, wat nodig is om licht nauwkeurig aan de hersenen af te geven. Anesthesie heeft echter een aanzienlijke invloed op de afvoer van de hersenen, wat de kwaliteit van de onderzoeksresultaten vermindert17.
Aβ is een metabolisch product van normale neurale activiteit18. Zoals het werd vastgesteld in gekweekte corticale neuronen van ratten, wordt Aβ met hoge snelheden vrijgegeven in de extracellulaire ruimte (2-4 moleculen/neuronen/s voor Aβ)19. Er zijn aanwijzingen dat de opgeloste vorm van Aβ, die zich in de extracellulaire en perivasculaire ruimten bevindt, het meest giftig is voor neuronen en synapsen20. Het oplosbare Aβ wordt snel uit het menselijk brein verwijderd gedurende 1-2,5 uur21. MLV’s zijn de tunnels voor de verwijdering van het oplosbare Aβ uit de hersenen 1,7 dat afneemt met de leeftijd, wat leidt tot de accumulatie van Aβ in de oudere hersenen 1,22. Er zijn aanwijzingen dat extracellulaire afwijkingen van Aβ-niveaus in de hersenen correleren met cognitieve prestaties bij veroudering en geassocieerd zijn met de ontwikkeling van de ziekte van Alzheimer (AD)23,24. Daarom worden oude en oude knaagdieren beschouwd als alternatieven voor transgene modellen voor de studie van amyloïdose, waaronder AD25,26.
Deze studie presenteert een originele en draagbare tPBM-technologie onder elektro-encefalografische (EEG) controle van diepe of niet-snelle oogbewegingen (NREM) slaap in niet-verdoofde mannelijke BALB/c-muizen van verschillende leeftijden om de lymfeklaring van Aβ vanuit de hersenen naar het perifere lymfestelsel (de diepe cervicale lymfeklieren, dcLL’s) te stimuleren.
Protocol
Representative Results
Discussion
MLV’s zijn een belangrijk doelwit voor de ontwikkeling van innovatieve technologieën voor modulatie van de afvoer van de hersenen en verwijdering van cellulair afval en afvalstoffen uit de hersenen, vooral bij oudere proefpersonen van wie de MLV-functie afneemt 1,22. In een homeostatische toestand wordt diepe slaap geassocieerd met de natuurlijke activering van hersenweefselreiniging13,14. Daarom ligt he…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd ondersteund door een subsidie van de Russian Science Foundation (nr. 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).
.