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Neuroscience

Fotobiomodulazione sotto controllo elettroencefalografico del sonno per la stimolazione della rimozione linfatica delle tossine dal cervello di topo

Published: June 28, 2024
doi:
10.3791/67035
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1Department of Biology,Saratov State University, 2Institute of Physics, Department of Optics and Biophotonics,Saratov State University, 3Institute of Biochemistry and Physiology of Plants and Microorganisms,Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences

Summary

Questo studio presenta la tecnologia non invasiva e portatile della fotobiomodulazione transcranica sotto controllo elettroencefalografico per la stimolazione della rimozione linfatica delle tossine (ad es. beta amiloide solubile) dal cervello di topi maschi BALB/c invecchiati e non anestetizzati durante il sonno profondo naturale.

Abstract

I vasi linfatici meningei (MLV) svolgono un ruolo importante nella rimozione delle tossine dal cervello. Lo sviluppo di tecnologie innovative per la stimolazione delle funzioni della MLV è una direzione promettente nel progresso del trattamento di varie malattie cerebrali associate ad anomalie della MLV, tra cui il morbo di Alzheimer e il Parkinson, i tumori cerebrali, le lesioni cerebrali traumatiche e le emorragie intracraniche. Il sonno è uno stato naturale in cui i processi di drenaggio del cervello sono più attivi. Pertanto, la stimolazione del drenaggio cerebrale e dei MLV durante il sonno può avere gli effetti terapeutici più pronunciati. Tuttavia, tali tecnologie commerciali attualmente non esistono.

Questo studio presenta una nuova tecnologia portatile di fotobiomodulazione transcranica (tPBM) sotto controllo elettroencefalografico (EEG) del sonno progettata per fotostimolare la rimozione delle tossine (ad esempio, beta amiloide solubile (Aβ)) dal cervello di topi BALB/c invecchiati con la capacità di confrontare l’efficacia terapeutica di diverse risorse ottiche. La tecnologia può essere utilizzata nella condizione naturale di una gabbia domestica senza anestesia, mantenendo l’attività motoria dei topi. Questi dati aprono nuove prospettive per lo sviluppo di fototecnologie non invasive e clinicamente promettenti per la correzione dei cambiamenti legati all’età nelle funzioni MLV e nei processi di drenaggio del cervello e per la pulizia efficace dei tessuti cerebrali da metaboliti e tossine. Questa tecnologia è destinata sia a studi preclinici sulle funzioni del cervello addormentato sia allo sviluppo di trattamenti clinicamente rilevanti per le malattie cerebrali legate al sonno.

Introduction

I vasi linfatici meningei (MLV) svolgono un ruolo importante nella rimozione delle tossine e dei metaboliti dai tessuti cerebrali 1,2,3. Il danno delle MLV in varie malattie cerebrali, tra cui tumori, lesioni cerebrali traumatiche, emorragie e processi neurodegenerativi, è accompagnato da una diminuzione delle funzioni della MLV che porta alla progressione di queste patologie 1,2,3,4,5,6 . Pertanto, lo sviluppo di metodi per la stimolazione dei MLV apre nuovi orizzonti nell’emergere di tecnologie efficaci per il trattamento delle malattie cerebrali. Recentemente, è stata proposta una tecnologia non invasiva per un’efficace fotobiomodulazione transcranica (tPBM) per stimolare i MLV e rimuovere tossine come sangue e Aβ dal cervello 5,7,8,9,10,11,12. È interessante notare che il sonno profondo è un fattore naturale per l’attivazione dei processi di drenaggio linfatico nel cervello 13,14. Sulla base di questo fatto, è logico supporre che il tPBM dei MLV durante il sonno possa avere effetti terapeutici più efficaci rispetto alla veglia 9,11,12,15. Tuttavia, attualmente non esistono tecnologie commerciali per la tPBM durante il sonno16. Inoltre, gli esperimenti sugli animali per studiare gli effetti terapeutici del tPBM vengono eseguiti in anestesia, necessaria per fornire con precisione la luce al cervello. Tuttavia, l’anestesia influisce in modo significativo sul drenaggio del cervello, il che riduce la qualità dei risultati della ricerca17.

Aβ è un prodotto metabolico della normale attività neurale18. Poiché è stato stabilito nei neuroni corticali di ratto in coltura, l’Aβ viene rilasciato da essi ad alti tassi nello spazio extracellulare (2-4 molecole/neurone/s per Aβ)19. Ci sono prove che la forma disciolta di Aβ, situata negli spazi extracellulari e perivascolari, è più tossica per i neuroni e le sinapsi20. L’Aβ solubile viene rapidamente eliminato dal cervello umano durante 1-2,5 ore21. I MLV sono i tunnel per la rimozione dell’Aβ solubile dal cervello 1,7 che diminuisce con l’età, portando all’accumulo di Aβ nel cervello invecchiato 1,22. Ci sono prove che le anomalie extracellulari dei livelli di Aβ nel cervello sono correlate alle prestazioni cognitive nell’invecchiamento e sono associate allo sviluppo della malattia di Alzheimer (AD)23,24. Pertanto, i roditori anziani e anziani sono considerati alternative ai modelli transgenici per lo studio dell’amiloidosi, incluso AD25,26.

Questo studio presenta una tecnologia tPBM originale e portatile sotto controllo elettroencefalografico (EEG) del sonno con movimenti oculari profondi o non rapidi (NREM) in topi maschi BALB/c non anestetizzati di età diverse per stimolare la clearance linfatica di Aβ dal cervello al sistema linfatico periferico (i linfonodi cervicali profondi, dcLN).

Protocol

Tutte le procedure sono state eseguite in conformità con la “Guida per la cura e l’uso degli animali da laboratorio”, la Direttiva 2010/63/UE sulla protezione degli animali utilizzati a fini scientifici e le linee guida del Ministero della Scienza e dell’Alta Istruzione della Federazione Russa (Nº 742 del 13.11.1984), che sono state approvate dalla Commissione di Bioetica dell’Università Statale di Saratov (Protocollo n. 7, 22.09.2022). 1. Assemblaggio hardware T…

Representative Results

Nella prima fase, lo studio si è concentrato sulla determinazione della dose di luce efficace (un LED da 1050 nm) per la stimolazione della rimozione linfatica di Aβ fluorescente dal cervello ai dcLN in topi BALB/c maschi adulti svegli (2-3 mesi, 26-29 g). Le dosi di luce sono state selezionate in modo casuale come 10 J/cm2, 20 J/cm2 e 30 J/cm2 sulla base dei nostri precedenti studi sugli effetti del tPBM sulla rimozione di diversi coloranti e dei globuli rossi dal cervello <…

Discussion

I MLV sono un obiettivo importante per lo sviluppo di tecnologie innovative per la modulazione del drenaggio cerebrale e la rimozione di detriti e rifiuti cellulari dal cervello, specialmente in soggetti anziani la cui funzione MLV diminuisce 1,22. In uno stato omeostatico, il sonno profondo è associato all’attivazione naturale della pulizia del tessuto cerebrale13,14. Pertanto, è ovvio aspettarsi che l…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata sostenuta da una sovvenzione della Russian Science Foundation (n. 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
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References

  1. Da Mesquita, S., et al. Functional aspects of meningeal lymphatics in ageing and Alzheimer’s disease. Nature. 560 (7717), 185-191 (2018).
  2. Chen, J., et al. Meningeal lymphatics clear erythrocytes that arise from subarachnoid hemorrhage. Nat Commun. 11, 3159 (2020).
  3. 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).
  4. Hu, X., et al. Meningeal lymphatic vessels regulate brain tumor drainage and immunity. Cell Res. 30 (3), 229-243 (2020).
  5. 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).
  6. Bolte, A., et al. Meningeal lymphatic dysfunction exacerbates traumatic brain injury pathogenesis. Nat Commun. 11 (1), 4524 (2020).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Intranasal delivery of liposomes to glioblastoma by photostimulation of the lymphatic system. Pharmaceutics. 15 (1), 36 (2023).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Fultz, N., et al. Coupled electrophysiological, hemodynamic, and cerebrospinal fluid oscillations in human sleep. Science. 366 (6465), 628-631 (2019).
  14. Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342 (6156), 373-377 (2013).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Wells, C., Brennan, S., Keon, M., Ooi, L. The role of amyloid oligomers in neurodegenerative pathologies. Int J Biol Macromol. 181, 582-604 (2021).
  21. 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).
  22. Ahn, J., et al. Meningeal lymphatic vessels at the skull base drain cerebrospinal fluid. Nature. 572 (7767), 62-66 (2019).
  23. Stevens, D., et al. Regional amyloid correlates of cognitive performance in ageing and mild cognitive impairment. Brain Commun. 4 (1), fcac016 (2022).
  24. Ma, C., Hong, F., Yang, S. Amyloidosis in Alzheimer’s disease: Pathogeny, etiology, and related therapeutic directions. Molecules. 27 (4), 1210 (2022).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Zhinchenko, E., et al. Photostimulation of extravasation of beta-amyloid through the model of blood-brain barrier. Electronics. 9 (6), 1056 (2020).
  31. Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Photostimulation of cerebral and peripheral lymphatic functions. Transl Biophotonics. 2 (1-2), e201900036 (2020).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Semyachkina-Glushkovskaya, O., et al. Transcranial photosensitizer-free laser treatment of glioblastoma in rat brain. Int J Mol Sci. 24 (18), 13696 (2023).
  35. Blázquez-Castro, A. Direct 1O2 optical excitation: A tool for redox biology. Redox Biol. 13, 39-59 (2017).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Chang, J., et al. Characteristic features of deep brain lymphatic vessels and their regulation by chronic stress. Research. 6, 0120 (2023).
  43. Prineas, L. W. Multiple sclerosis: Presence of lymphatic capillaries and lymphoid tissue in the brain and spinal cord. Science. 203 (4385), 1123-1125 (1979).
  44. 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).
  45. 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).

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