L’administration électrophorétique de l’acide γ-aminobutyrique (GABA) dans la mise au point épileptique prévient les crises de souris
Summary
Le défi de la recherche sur l’épilepsie est de développer de nouveaux traitements pour les patients où la thérapie classique est insuffisante. En utilisant un nouveau protocole — avec l’aide d’un système implantables de délivrance de médicaments — nous sommes en mesure de contrôler les saisies chez les souris anesthésiées par l’administration électrophorétique du GABA dans la mise au point épileptique.
Abstract
L’épilepsie est un groupe de troubles neurologiques qui touchent des millions de personnes dans le monde. Bien que le traitement avec des médicaments est utile dans 70% des cas, les effets secondaires graves affectent la qualité de vie des patients. En outre, un pourcentage élevé de patients épileptiques sont résistants aux médicaments; dans leur cas, la neurochirurgie ou la neurostimulation sont nécessaires. Par conséquent, l’objectif principal de la recherche sur l’épilepsie est de découvrir de nouvelles thérapies qui sont soit capables de guérir l’épilepsie sans effets secondaires ou prévenir les crises récurrentes chez les patients pharmacorésistants. La neuroingénierie offre de nouvelles approches en utilisant des stratégies et des technologies novatrices pour trouver de meilleures solutions pour guérir les patients épileptiques à risque.
En guise de démonstration d’un nouveau protocole expérimental dans un modèle aigu de souris d’épilepsie, on utilise un système d’administration électrophorétique direct in situ. À savoir, une sonde neuronale incorporant une pompe ionique microfluidique (μFIP) pour la délivrance de médicaments à la demande et l’enregistrement simultané de l’activité neuronale locale est implantée et démontrée pour être capable de contrôler la capture induite par la 4-aminopyridine (induite par 4AP) activité de l’événement (SLE). La concentration d’acide γ-aminobutyrique (GABA) est maintenue dans la gamme physiologique par le contrôle précis de la livraison de GABA pour atteindre un effet antiépileptique dans la mise au point de saisie, mais pas pour provoquer des rafales de rebond induite par la surinhibition. La méthode permet à la fois la détection de l’activité pathologique et l’intervention pour arrêter les crises en livrant des neurotransmetteurs inhibiteurs directement à la focalisation épileptique avec un contrôle spatio-temporel précis.
À la suite de l’évolution de la méthode expérimentale, SLEs peut être induit d’une manière hautement localisée qui permet le contrôle des crises par la livraison de GABA précisément accordé au début de la crise.
Introduction
L’épilepsie est le quatrième trouble neurologique le plus fréquent: environ 1% de la population souffre d’épilepsie, et environ un tiers des personnes touchées ont des crises récurrentes. Dans la plupart des cas, les crises peuvent être contrôlées par des médicaments. Cependant, le traitement médicamenteux doit être fixé pour chaque patient individuellement, où le dosage approprié peut prendre des années pour trouver1,2. En outre, la plupart des médicaments a des effets secondaires graves qui réduisent la qualité de vie3,4,5,6,7. Enfin, dans 30% des cas, les patients sont résistants aux médicaments, et dans le cas d’un locus de générateur de convulsions unique constant, seule la neurochirurgie régénératrice peut atténuer l’occurrence des saisies8. Par conséquent, une initiative majeure dans la recherche moderne sur l’épilepsie consiste à découvrir de nouvelles stratégies qui peuvent prévenir les crises récurrentes chez les patients à risque, tout en réduisant la nécessité de thérapies médicamenteuses fortes et de chirurgies réactives invasives.
Des crises épileptiques surviennent lorsqu’il y a un déséquilibre dans les circuits excitateurs et inhibiteurs dans tout le cerveau (épilepsie généralisée) ou dans une partie localisée du cerveau (épilepsie focale), de sorte que les neurones se déchargent de façon anormale9 , le 10 , 11. antiépileptiques peuvent agir de deux façons différentes dans la prévention des crises: soit la diminution de l’excitation ou l’amélioration de l’inhibition12. Plus précisément, ils peuvent soit modifier l’activité électrique des cellules neuronales en affectant les canaux ioniques dans la membrane cellulaire13 ou agir sur la transmission chimique entre les neurones en affectant le neurotransmetteur inhibiteur GABA ou l’excitateur glutamate dans les synapses14,15. Pour certains médicaments, le mode d’action est inconnu18. En outre, les traitements médicamenteux ont un effet continu sur les patients et ne peuvent pas s’adapter à la dynamique de prévalence des crises épileptiques. Idéalement, les médicaments avec des mécanismes d’action spécifiques agirait sur les processus épileptiques sous-jacents. Un traitement optimal ne touchera pas le cerveau interictally mais agirait immédiatement quand une crise commence à se développer. Contrairement à cela, dans tous les cas d’épilepsie, les médicaments signifient maintenant un traitement systématique, affectant tout le cerveau et tout le corps du patient9.
Les crises épileptiques peuvent apparaître plusieurs années après l’insulte initiale comme le traumatisme cérébral. La période entre l’insulte initiale et l’occurrence des premières saisies spontanées est caractérisée par des réorganisations moléculaires et cellulaires considérables, y compris la mort neuronale avec la disparition des connexions de réseau neuronale et de l’axonale germination/néosynaptogenèse avec l’apparition de nouvelles connexions19,20,21. Une fois que les saisies sont récurrentes, leur fréquence et leur sévérité tendent à augmenter, impliquant plus de régions cérébrales. Il est important de distinguer les sites d’apparition des crises (régions épileptogéniques) des réseaux de propagation, car les règles de la Genèse et de la propagation des crises peuvent différer. Les recherches effectuées sur les tissus humains et les modèles expérimentaux d’épilepsie ont fourni des données importantes concernant la réorganisation des circuits et leur capacité à générer des saisies20,21,22, 23. Toutefois, il est difficile de déterminer si ces réorganisations sont des réponses adaptatives ou si elles sont liées de façon causale à l’épilepsie ou à la genèse de la crise et à la propagation12.
Par conséquent, la localisation de la concentration épileptique et l’application de médicaments antiépileptiques localement constituent l’un des principaux défis de la recherche sur l’épilepsie contemporaine. Plusieurs expériences utilisant des modèles animaux de l’épilepsie et certaines études cliniques visaient à trouver le début des événements de crise et à définir les mécanismes sous-jacents dans le cerveau24,25,26,27. À cette fin, nous avons développé un nouveau protocole expérimental utilisant l’épilepsie induite par le 4AP, modèle28,29,30,31 dans une préparation aiguë de souris, qui permet l’insertion précise de trois périphériques dans la zone donnée de l’hippocampe, où l’activité du réseau in vivo est manipulée de manière hautement localisée. L’injection localisée de 4AP par une micropipette en verre aide à induire des SLEs épileptiques dans un endroit localisé de l’hippocampe, tandis qu’avec l’aide de la nouvelle sonde μFIP à base de polymère, le contrôle de l’activité de saisie est réalisé simultanément par l’enregistrement du neuronale l’activité électrique avec les sites d’enregistrement de l’appareil. L’activité de champ local de l’hippocampe est également surveillée avec une sonde de silicium multicanal d’une manière spécifique à la couche dans le cortex et dans l’hippocampe simultanément.
Les sondes μFIP récemment inventées fonctionnent en utilisant un champ électrique appliqué pour pousser les médicaments chargés stockés dans un canal microfluidique sur une membrane échangeuse d’ions (IEM) et vers les tissus environnants (figure 1). L’IEM transporte sélectivement un seul type d’ion (cation ou anion) et, par conséquent, travaille à limiter à la fois la diffusion passive dans l’état «off» et le transport d’espèces à charge opposée du tissu environnant dans l’appareil. Le champ électrique est créé à la demande en appliquant une petite tension (< 1 V) entre l’électrode source qui est interne au canal microfluidique et une électrode cible qui est externe à l’appareil (dans ce cas, la vis de tête sur le modèle animal). Le taux de délivrance des médicaments est proportionnel à la tension appliquée et au courant mesuré entre les électrodes source et cible. L’accordabilité précise de la délivrance des médicaments est l’un des principaux avantages du μFIP. Un autre avantage crucial, comparé aux systèmes de distribution de médicaments à base de fluide ou de pression, est que dans le PFIP, il n’y a qu’une augmentation négligeable de la pression au point de livraison de médicaments, car les médicaments sont livrés à travers l’IEM sans leur solution porteuse.
Il y a une petite quantité de fuite passive de GABA quand le μFIP est “OFF”, mais cela a été trouvé pour ne pas affecter SLEs. Les μFIP sont fabriqués sur mesure suivant des méthodes de microfabrication conventionnelles que nous avons signalées précédemment31.
Comme une façon de prévenir les crises récurrentes est le blocus des rejets de réseau au tout début ou même avant la première crise, la méthode présentée pour délivrer le neurotransmetteur inhibiteur GABA dans la mise au point épileptique a une grande potentiel thérapeutique pour le contrôle des crises chez les patients atteints d’épilepsie focale. Comme le GABA est un substrat endogène, il laisse les propriétés neuronales intrinsèques inchangées dans les concentrations physiologiques. L’application locale de faibles niveaux de GABA n’affectera que les cellules naturellement sensibles à l’inhibition, et ne causera des effets similaires à l’inhibition physiologique, contrairement à la stimulation cérébrale profonde (DBS), qui a des actions non spécifiques en stimulant toutes les cellules du réseau neuronale dans son environnement, provoquant une réaction mixte impliquant à la fois l’excitation et l’inhibition. En conclusion, la méthode proposée offre une approche plus spécifique du contrôle des saisies que la DBS.
Protocol
Representative Results
Discussion
En développant un nouveau protocole expérimental dans un modèle de souris aiguë de l’épilepsie, SLEs pourrait être contrôlé avec succès avec l’aide d’un μFIP implanté dans la focalisation épileptique. Grâce à sa capacité à délivrer le GABA avec une précision temporelle et spatiale, les SLEs de 4AP ont été contrôlées au début des crises. Le traitement de l’épilepsie est théoriquement possible si le contrôle des rejets du réseau neuronal est atteint au lieu du début de la saisie. Le prot…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.M.P. reconnaît le financement d’une bourse d’études internationale Whitaker administrée par l’Institut pour l’éducation internationale. L’AK a été parrainé par l’IEF Marie Curie (no. 625372). Le Conseil européen de la recherche (ERC), dans le cadre du programme de recherche et d’innovation horizon 2020 de l’Union européenne (accord de subvention n ° 716867), reconnaît un financement. La aw reconnaît en outre l’initiative d’excellence de l’Université Aix-Marseille-A * MIDEX, un programme Français “investissements d’avenir”. Les auteurs reconnaissent le Dr. Ilke uguz, le Dr SaHikA inal, le Dr Vincenzo Curto, le Dr Mary Donahue, le Dr Marc Ferro et Zsófia Maglóczky pour leur participation à des discussions fructueuses.
Materials
| 4AP | Sigma | 275875 | |
| Alexa Fluor 488 | Abcam | ab15007 | |
| Amplifier | Neuralynx, Montana, USA | Digital Lynx 4SX | |
| Amplifier | Ampliplex | KJE-1001 | |
| Atlas Stereotaxique | Allen Atlas | 978-0470054086 | |
| Borosilica glass pipette | Sutter | BF120-69-15 | |
| Brain Matrix | WPI | RBMA-200C | |
| Bone trimmer | FST | 16109-14 | |
| Confocal microscope | Zeiss | LSM 510 | |
| Connector | INSTECH | SC20/15 | |
| Coton tige | Monoprix | EMD 6107OD | |
| Cover slip | Menzel-Glass | 15747592 | |
| DiI Stain | Thermo Fisher | D282 | |
| DMSO | Sigma | 11412-11 | |
| Drill | FOREDOM | K1070 | |
| Forceps | F.S.T. | 11412-11 | |
| GABA | Sigma | A2129 | |
| GFAP Monoclonal Antibody | Thermofisher | 53-9892-80 | |
| GOPS | Sigma | 440167-100M | |
| Hamilton seringe | Hamilton | 80330 | |
| Headscrew | Component Supply | TX00-2FH | |
| Heating pad | Harvard apparatus | 341446 | |
| Injection Pump | WPI | UMP3-3 | |
| Keithley | Tektoronix | 216A | |
| Ketamine | Renaudin | 5787419 | |
| Magnetic holder | Narishige | GJ-1 | |
| Mice | Charles River | 612 | |
| Motoric manipulator | Scientifica, UK | IVM | |
| Na2HPO4 | Sigma | 255793 | |
| NaH2PO4 | Sigma | 7558807 | |
| NeuroTrace DiI | Thermofisher | N22880 | |
| Paper towel | KIMBERLY CLARK | 7552000 | |
| PB | Sigma | P4417 | |
| PEDOT:PSS | CLEVIOS | 81076212 | |
| PFA | Acros Organic | 30525-89-4 | |
| Rectal temperature probe | Harvard apparatus | 521591 | |
| Ropivacaine | KABI | 1260216 | |
| Saline | Sigma | 7982 | |
| Scalpel | F.S.T | AUST R195806 | |
| Seringue | BD Medical | 324826 | |
| Serrefine clamp | F.S.T | 18050-28 | 4 is recommended |
| Silicon probe | NeuroNexus, Michigan, USA | A2x16-10mm-50-500-177 or A1x16-5mm-150-703 | |
| Stereotoxic frame | Stoelting | 51733U | |
| Superfrost Slide | ThermoScientific | J38000AMNZ | |
| Tubing | INSTECH | LS20 | |
| Vaseline | Laboratoire Gilbert | 3518646126611 | |
| Vectashield DAPI | Vector Laboratories, California, USA | H-1200-10 | |
| Vibratome, Leica VT1200S | Leica Microsystems | 1491200S001 | |
| Xylazine | Bayer | 4007221032311 |
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