פוטוביומודולציה תחת בקרות אלקטרואנצפלוגרפיות של שינה לגירוי של הסרת רעלים לימפטיים ממוח העכבר
Summary
מחקר זה מציג את הטכנולוגיה הלא פולשנית והניידת של פוטוביומודולציה טרנס-גולגולתית תחת בקרה אלקטרואנצפלוגרפית לגירוי הסרת רעלים לימפטיים (למשל, עמילואיד-בטא מסיס) ממוחם של עכברים זכרים מזדקנים ולא מורדמים מסוג BALB/c במהלך שינה עמוקה טבעית.
Abstract
כלי הלימפה של קרום המוח (MLVs) ממלאים תפקיד חשוב בסילוק רעלים מהמוח. פיתוח טכנולוגיות חדשניות לגירוי תפקודי MLV הוא כיוון מבטיח בהתקדמות הטיפול במחלות מוח שונות הקשורות להפרעות MLV, כולל מחלות אלצהיימר ופרקינסון, גידולי מוח, פגיעות מוח טראומטיות ודימומים תוך גולגולתיים. שינה היא מצב טבעי שבו תהליכי הניקוז של המוח פעילים ביותר. לכן, גירוי של ניקוז המוח MLV במהלך השינה עשוי להיות ההשפעות הטיפוליות הבולטות ביותר. עם זאת, טכנולוגיות מסחריות כאלה אינן קיימות כיום.
מחקר זה מציג טכנולוגיה ניידת חדשה של פוטוביומודולציה טרנס-גולגולתית (tPBM) תחת בקרה אלקטרואנצפלוגרפית (EEG) של שינה, שנועדה לעורר סילוק רעלים (למשל, עמילואיד-בטא מסיס (Aβ)) ממוחם של עכברי BALB/c מזדקנים עם היכולת להשוות את היעילות הטיפולית של משאבים אופטיים שונים. ניתן להשתמש בטכנולוגיה במצב הטבעי של כלוב ביתי ללא הרדמה, תוך שמירה על הפעילות המוטורית של עכברים. נתונים אלה פותחים אפשרויות חדשות לפיתוח טכנולוגיות פוטו לא פולשניות ומבטיחות קלינית לתיקון שינויים הקשורים לגיל בתפקודי MLV ובתהליכי ניקוז המוח ולניקוי יעיל של רקמות המוח ממטבוליטים ורעלנים. טכנולוגיה זו מיועדת הן למחקרים פרה-קליניים של תפקודי המוח הישן והן לפיתוח טיפולים רלוונטיים קלינית למחלות מוח הקשורות לשינה.
Introduction
כלי הלימפה של קרום המוח (MLVs) ממלאים תפקיד חשוב בסילוק רעלים ומטבוליטים מרקמות המוח 1,2,3. נזק של MLV במחלות מוח שונות, כולל גידולים, פגיעות מוח טראומטיות, דימומים ותהליכים נוירודגנרטיביים, מלווה בירידה בתפקודי MLV מה שמוביל להתקדמות של פתולוגיות אלה 1,2,3,4,5,6 . לכן, פיתוח שיטות לגירוי של MLVs פותח אופקים חדשים בהופעתן של טכנולוגיות יעילות לטיפול במחלות מוח. לאחרונה, הוצעה טכנולוגיה לא פולשנית לפוטוביומודולציה טרנס-גולגולתית יעילה (tPBM) כדי לעורר MLV ולהסיר רעלים כגון דם ו-Aβ מהמוח 5,7,8,9,10,11,12. מעניין לציין כי שינה עמוקה היא גורם טבעי להפעלת תהליכי ניקוז לימפטי במוח13,14. בהתבסס על עובדה זו, הגיוני להניח כי tPBM של MLV במהלך השינה עשוי להיות בעל השפעות טיפוליות יעילות יותר מאשר במהלך ערות 9,11,12,15. עם זאת, אין כיום טכנולוגיות מסחריות עבור tPBM במהלך שינה16. בנוסף, ניסויים בבעלי חיים לחקר ההשפעות הטיפוליות של tPBM מבוצעים תחת הרדמה, אשר נדרשת כדי להעביר אור במדויק למוח. עם זאת, הרדמה משפיעה באופן משמעותי על ניקוז המוח, מה שמקטין את איכות תוצאות המחקר17.
Aβ הוא תוצר מטבולי של פעילות עצבית תקינה18. כפי שהתבסס בתאי עצב בקליפת המוח של חולדות בתרבית, Aβ משתחרר מהם בקצב גבוה לתוך החלל החוץ-תאי (2-4 מולקולות/נוירונים/ים עבור Aβ)19. ישנן ראיות לכך שהצורה המומסת של Aβ, הממוקמת בחללים החוץ תאיים והפריווסקולריים, רעילה ביותר לנוירונים ולסינפסות20. Aβ המסיס מנוקה במהירות מהמוח האנושי במהלך 1-2.5 שעות21. MLVs הם המנהרות להסרת Aβ המסיס מהמוח 1,7 שיורד עם הגיל, מה שמוביל להצטברות של Aβ במוח הזקן 1,22. ישנן ראיות לכך שהפרעות חוץ-תאיות ברמות Aβ במוח מתואמות עם ביצועים קוגניטיביים בהזדקנות וקשורות להתפתחות מחלת אלצהיימר (AD)23,24. לכן, מכרסמים זקנים וזקנים נחשבים חלופות למודלים טרנסגניים לחקר עמילואידוזיס, כולל AD25,26.
מחקר זה מציג טכנולוגיית tPBM מקורית וניידת תחת בקרה אלקטרואנצפלוגרפית (EEG) של שינה עמוקה או לא מהירה של תנועות עיניים (NREM) בעכברי BALB/c זכרים לא מורדמים בגילאים שונים כדי לעורר פינוי לימפתי של Aβ מהמוח למערכת הלימפה ההיקפית (בלוטות הלימפה הצוואריות העמוקות, dcLNs).
Protocol
Representative Results
Discussion
MLV הם יעד חשוב לפיתוח טכנולוגיות חדשניות לוויסות ניקוז המוח וסילוק פסולת תאית ופסולת מהמוח, במיוחד בקרב נבדקים מבוגרים שתפקוד MLV שלהם יורד 1,22. במצב הומיאוסטטי, שינה עמוקה קשורה להפעלה טבעית של ניקוי רקמת המוח13,14. לכן, ברור לצפ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מענק מהקרן הרוסית למדע (מס ’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).
.