Фотобиомодуляция под электроэнцефалографическим контролем сна для стимуляции лимфатического выведения токсинов из мозга мышей
Summary
В данном исследовании представлена неинвазивная и портативная технология транскраниальной фотобиомодуляции под электроэнцефалографическим контролем для стимуляции лимфатического удаления токсинов (например, растворимого бета-амилоида) из мозга старых и не подвергавшихся анестезии самцов мышей BALB/c во время естественного глубокого сна.
Abstract
Менингеальные лимфатические сосуды (MLV) играют важную роль в выведении токсинов из головного мозга. Разработка инновационных технологий стимуляции функций МЖВ является перспективным направлением в прогрессе лечения различных заболеваний головного мозга, связанных с аномалиями МЖВ, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, опухоли головного мозга, черепно-мозговые травмы, внутричерепные кровоизлияния. Сон – это естественное состояние, при котором процессы дренажа мозга наиболее активны. Поэтому стимуляция дренажа мозга и MLV во время сна может иметь наиболее выраженный терапевтический эффект. Однако таких коммерческих технологий в настоящее время не существует.
В данном исследовании представлена новая портативная технология транскраниальной фотобиомодуляции (tPBM) под электроэнцефалографическим (ЭЭГ) контролем сна, предназначенная для фотостимуляции выведения токсинов (например, растворимого бета-амилоида (Aβ)) из головного мозга стареющих мышей BALB/c с возможностью сравнения терапевтической эффективности различных оптических ресурсов. Технологию можно использовать в естественном состоянии домашней клетки без анестезии, сохраняя двигательную активность мышей. Эти данные открывают новые перспективы для разработки неинвазивных и клинически перспективных фототехнологий для коррекции возрастных изменений функций МЖВ и процессов дренирования мозга, а также для эффективного очищения тканей мозга от метаболитов и токсинов. Эта технология предназначена как для доклинических исследований функций спящего мозга, так и для разработки клинически значимых методов лечения заболеваний мозга, связанных со сном.
Introduction
Менингеальные лимфатические сосуды (МЖВ) играют важную роль в выведении токсинов и метаболитов из тканей головного мозга 1,2,3. Поражение МЖВ при различных заболеваниях головного мозга, включая опухоли, черепно-мозговые травмы, кровоизлияния, нейродегенеративные процессы, сопровождается снижением функций МЖВ, приводящим к прогрессированию этих патологий 1,2,3,4,5,6 . Таким образом, разработка методов стимуляции МЖВ открывает новые горизонты в появлении эффективных технологий лечения заболеваний головного мозга. Недавно была предложена неинвазивная технология эффективной транскраниальной фотобиомодуляции (tPBM) для стимуляции MLV и удаления токсинов, таких как кровь и Aβ из мозга 5,7,8,9,10,11,12. Интересно отметить, что глубокий сон является естественным фактором для активации лимфодренажных процессов в головном мозге13,14. Исходя из этого факта, логично предположить, что tPBM MLV во время сна может оказывать более эффективные терапевтические эффекты, чем во время бодрствования 9,11,12,15. Тем не менее, в настоящее время не существует коммерческих технологий для tPBM во время сна16. Кроме того, эксперименты на животных для изучения терапевтических эффектов tPBM проводятся под наркозом, который необходим для точной доставки света в мозг. Однако анестезия существенно влияет на дренаж мозга, что снижает качество результатов исследований17.
Aβ является продуктом метаболизма нормальной нервной активности18. Как установлено в культивируемых корковых нейронах крыс, Aβ высвобождается из них с высокой скоростью во внеклеточное пространство (2-4 молекулы/нейрон/с для Aβ)19. Имеются данные о том, что растворенная форма Aβ, расположенная во внеклеточном и периваскулярном пространствах, наиболее токсична для нейронов и синапсов20. Растворимый Aβ быстро выводится из головного мозга человека в течение 1-2,5 ч21. MLV представляют собой туннели для удаления растворимого Aβ из мозга 1,7, который уменьшается с возрастом, что приводит к накоплению Aβ в старом мозге 1,22. Существуют доказательства того, что внеклеточные аномалии уровня Aβ в мозге коррелируют с когнитивными способностями при старении и связаны с развитием болезни Альцгеймера (БА)23,24. Поэтому старыми и старыми грызунами считаются альтернативы трансгенным моделям для изучения амилоидоза, в том числе AD25,26.
В данном исследовании представлена оригинальная и портативная технология tPBM под электроэнцефалографическим (ЭЭГ) контролем глубокого или небыстрого сна (NREM) у мышей BALB/c без анестезии для стимуляции лимфатического клиренса Aβ из головного мозга в периферическую лимфатическую систему (глубокие шейные лимфатические узлы, dcLNs).
Protocol
Representative Results
Discussion
MLV являются важной мишенью для разработки инновационных технологий модуляции дренажа мозга и удаления клеточного мусора и отходов жизнедеятельности из мозга, особенно у пожилых людей, у которых функция MLV снижается 1,22. В гомеостатическом состоянии глуб?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (No 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).
.