Photobiomodulation unter elektroenzephalographischen Kontrollen des Schlafes zur Stimulation der lymphatischen Entfernung von Toxinen aus dem Gehirn der Maus
Summary
Diese Studie stellt die nicht-invasive und tragbare Technologie der transkraniellen Photobiomodulation unter elektroenzephalographischer Kontrolle zur Stimulation der lymphatischen Entfernung von Toxinen (z.B. lösliches Amyloid beta) aus dem Gehirn von gealterten und nicht anästhesierten BALB/c-Männchen während des natürlichen Tiefschlafs vor.
Abstract
Die meningealen Lymphgefäße (MLVs) spielen eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Giftstoffen aus dem Gehirn. Die Entwicklung innovativer Technologien zur Stimulation der MLV-Funktionen ist eine vielversprechende Richtung in der Behandlung verschiedener Hirnerkrankungen, die mit MLV-Anomalien verbunden sind, einschließlich Alzheimer- und Parkinson-Krankheiten, Hirntumoren, traumatischen Hirnverletzungen und intrakraniellen Blutungen. Schlaf ist ein natürlicher Zustand, in dem die Drainageprozesse des Gehirns am aktivsten sind. Daher kann die Stimulation der Gehirndrainage und der MLVs während des Schlafs die ausgeprägtesten therapeutischen Effekte haben. Solche kommerziellen Technologien gibt es derzeit jedoch nicht.
In dieser Studie wird eine neue tragbare Technologie der transkraniellen Photobiomodulation (tPBM) unter elektroenzephalographischer (EEG) Kontrolle des Schlafes vorgestellt, die entwickelt wurde, um die Ausscheidung von Toxinen (z. B. lösliches Amyloid beta (Aβ)) aus dem Gehirn gealterter BALB/c-Mäuse zu stimulieren und die therapeutische Wirksamkeit verschiedener optischer Ressourcen zu vergleichen. Die Technologie kann unter dem natürlichen Zustand eines Heimkäfigs ohne Anästhesie verwendet werden, um die motorische Aktivität von Mäusen zu erhalten. Diese Daten eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung nicht-invasiver und klinisch vielversprechender Phototechnologien zur Korrektur altersbedingter Veränderungen der MLV-Funktionen und der Drainageprozesse des Gehirns sowie zur effektiven Reinigung des Hirngewebes von Metaboliten und Toxinen. Diese Technologie ist sowohl für präklinische Studien zu den Funktionen des schlafenden Gehirns als auch für die Entwicklung klinisch relevanter Therapien für schlafbezogene Hirnerkrankungen gedacht.
Introduction
Meningeale Lymphgefäße (MLVs) spielen eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Toxinen und Metaboliten aus dem Hirngewebe 1,2,3. Die Schädigung von MLVs bei verschiedenen Hirnerkrankungen, einschließlich Tumoren, traumatischen Hirnverletzungen, Blutungen und neurodegenerativen Prozessen, geht mit einer Abnahme der MLV-Funktionen einher, die zum Fortschreiten dieser Pathologien führt 1,2,3,4,5,6 . Daher eröffnet die Entwicklung von Methoden zur Stimulation von MLVs neue Horizonte bei der Entstehung wirksamer Technologien zur Behandlung von Hirnerkrankungen. Kürzlich wurde eine nicht-invasive Technologie für eine effektive transkranielle Photobiomodulation (tPBM) vorgeschlagen, um MLVs zu stimulieren und Giftstoffe wie Blut und Aβ aus dem Gehirn zu entfernen 5,7,8,9,10,11,12. Interessant ist, dass der Tiefschlaf ein natürlicher Faktor für die Aktivierung von Lymphdrainageprozessen im Gehirn ist13,14. Basierend auf dieser Tatsache ist es logisch anzunehmen, dass die tPBM von MLVs während des Schlafs wirksamere therapeutische Effekte haben kann als während des Wachzustands 9,11,12,15. Derzeit gibt es jedoch keine kommerziellen Technologien für tPBM während des Schlafs16. Darüber hinaus werden Tierversuche zur Untersuchung der therapeutischen Wirkung von tPBM unter Narkose durchgeführt, die erforderlich ist, um das Gehirn genau mit Licht zu versorgen. Die Narkose beeinflusst jedoch die Drainage des Gehirns erheblich, was die Qualität der Forschungsergebnisse mindert17.
Aβ ist ein Stoffwechselprodukt normaler neuronaler Aktivität18. Wie es in kultivierten kortikalen Neuronen von Ratten festgestellt wurde, wird Aβ von ihnen mit hohen Raten in den extrazellulären Raum freigesetzt (2-4 Moleküle/Neuron/s für Aβ)19. Es gibt Hinweise darauf, dass die gelöste Form von Aβ, die sich im extrazellulären und perivaskulären Raum befindet, für Neuronen und Synapsen am toxischsten ist20. Das lösliche Aβ wird innerhalb von 1-2,5 h21 schnell aus dem menschlichen Gehirn ausgeschieden. MLVs sind die Tunnel zur Entfernung des löslichen Aβ aus dem Gehirn 1,7, das mit zunehmendem Alter abnimmt und zur Akkumulation von Aβ im gealterten Gehirn führt 1,22. Es gibt Hinweise darauf, dass extrazelluläre Anomalien des Aβ-Spiegels im Gehirn mit der kognitiven Leistungsfähigkeit im Alter korrelieren und mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit (AD) assoziiert sind23,24. Daher gelten gealterte und alte Nagetiere als Alternativen zu transgenen Modellen für die Untersuchung der Amyloidose, einschließlich AD25,26.
In dieser Studie wird eine originelle und tragbare tPBM-Technologie unter elektroenzephalographischer (EEG) Kontrolle des tiefen oder nicht-schnellen Augenbewegungsschlafs (NREM) bei nicht anästhesierten männlichen BALB/c-Mäusen unterschiedlichen Alters vorgestellt, um die lymphatische Clearance von Aβ aus dem Gehirn in das periphere Lymphsystem (die tiefen zervikalen Lymphknoten, dcLNs) zu stimulieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
MLVs sind ein wichtiges Ziel für die Entwicklung innovativer Technologien zur Modulation der Drainage des Gehirns und zur Entfernung von Zelltrümmern und Abfallstoffen aus dem Gehirn, insbesondere bei älteren Probanden, deren MLV-Funktion abnimmt 1,22. In einem homöostatischen Zustand ist der Tiefschlaf mit der natürlichen Aktivierung der Reinigung des Gehirngewebes verbunden13,14. Daher ist zu erwar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde durch ein Stipendium der Russischen Wissenschaftsstiftung (Nr. 23-75-30001) unterstützt.
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 |
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