Имплантация осмотического мини-насоса для повышения концентрации глюкозы в спинномозговой жидкости мыши
Summary
В этой статье описан подробный протокол повышения концентрации глюкозы в спинномозговой жидкости (СМЖ) мышей. Этот подход может быть полезен для изучения влияния высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости на нейродегенерацию, когнитивные функции и периферический метаболизм глюкозы у мышей.
Abstract
Диабет увеличивает риск снижения когнитивных функций и ухудшает работу мозга. Является ли эта связь между высоким уровнем глюкозы и когнитивным дефицитом причинно-следственной, остается неуловимым. Более того, также неясно, опосредованы ли эти дефициты повышением уровня глюкозы в спинномозговой жидкости (СМЖ) и/или крови. Существует очень мало исследований, изучающих прямое влияние высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости на функцию центральной нервной системы (ЦНС), особенно на обучение и память, поскольку современные модели диабета недостаточно развиты для решения таких исследовательских вопросов. В этой статье описывается метод хронического повышения уровня глюкозы в спинномозговой жидкости в течение 4 недель путем непрерывного введения глюкозы в боковой желудочек с использованием осмотических мини-насосов у мышей. Протокол был подтвержден путем измерения уровня глюкозы в спинномозговой жидкости. Этот протокол повышал уровень глюкозы в спинномозговой жидкости до ~ 328 мг / дл после инфузии 50% раствора глюкозы при скорости потока 0,25 мкл / ч по сравнению с концентрацией глюкозы в спинномозговой жидкости ~ 56 мг / дл у мышей, получавших искусственную спинномозговую жидкость (ликвор). Кроме того, этот протокол не влиял на уровень глюкозы в крови. Таким образом, этот метод может быть использован для определения прямого влияния высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости на функцию мозга или конкретный нейронный путь независимо от изменений уровня глюкозы в крови. В целом, подход, описанный здесь, будет способствовать разработке животных моделей для проверки роли высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости в опосредующих особенностях болезни Альцгеймера и / или других нейродегенеративных расстройств, связанных с диабетом.
Introduction
Диабет 1 и 2 типа нарушает функцию мозга 1,2,3. Например, диабет увеличивает риск снижения когнитивных функций и нейродегенеративных расстройств, включая болезнь Альцгеймера 3,4. Кроме того, люди с диабетом имеют дефектное восприятие глюкозы в головном мозге 5,6. Этот дефект способствует патогенезу гипогликемии, связанной с неосведомленностью и недостаточным контррегуляторным ответом на гипогликемию7,8, которая может привести к летальному исходу, если ее не лечить немедленно.
Учитывая, что диабет повышает уровень глюкозы в крови, а также в спинномозговой жидкости (CSF)9, важно определить, способствует ли один или оба этих фактора нарушению функции мозга. Вопрос о том, вызывает ли диабет повреждение головного мозга из-за высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости отдельно или в сочетании с другими факторами, такими как дефицит инсулина или резистентность к инсулину, также остается открытым. Животные модели диабета 1 и 2 типа демонстрируют снижение когнитивных функций и нейродегенерацию в дополнение к нарушенному энергетическому балансу и периферическому метаболизму глюкозы10,11,12,13. Однако из этих моделей невозможно отделить селективные эффекты высокого уровня глюкозы в спинномозговой жидкости от уровня глюкозы в крови при опосредовании осложнений диабета на функцию мозга.
В этом протоколе описываются методы разработки мышиной модели гипергликорахии для проверки влияния хронически высоких уровней глюкозы в спинномозговой жидкости на функцию мозга, энергетический баланс и гомеостаз глюкозы. Мышиная модель, разработанная с помощью этого метода, представляет собой инструмент для исследований, изучающих этиологическую роль нерегулируемого гомеостаза глюкозы в нервной и поведенческой функции.
Поэтому предложенный подход будет полезен для понимания прямых эффектов повышенного уровня глюкозы в спинномозговой жидкости при различных патофизиологических состояниях.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой статье представлен подробный протокол повышения уровня глюкозы в спинномозговой жидкости у мышей с помощью осмотических мини-насосов, подключенных к канюле, имплантированной в боковой желудочек. Хроническая инфузия глюкозы в мозг мыши с помощью этой процедуры будет полезна дл?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Грант Национального института здравоохранения DK124619 для KHC.
Стартовые фонды и награда за пилотные исследования, медицинский факультет Рочестерского университета, штат Нью-Йорк, в KHC.
Премия Института неврологии Дель Монте за пилотные исследования, Университет Рочестера, KHC.
Университетская исследовательская премия, офис вице-президента по исследованиям, Университет Рочестера, штат Нью-Йорк, в KHC.
МУР разработал и выполнил метод, проанализировал результаты, подготовил графики и рисунки, написал и отредактировал рукопись. KHC задумал и руководил исследованием, проанализировал результаты, написал и отредактировал рукопись. КХК является гарантом этой работы. Все авторы одобрили окончательный вариант рукописи.
Materials
| 0.22 µm syringe filter | Membrane solutions | SFPES030022S | |
| 1 mL sterile Syringe (Luer-lok tip) | BD | 309628 | |
| 1 mL TB syringe | BD | 309659 | |
| 100 mL Glass beaker | Fisher | N/a | |
| 100% Ethanol (Koptec) | DLI | UN170 | Use 70% dilution to clean the surgery area |
| 50 mL conical tube | Fisher | N/A | |
| Allignment indicator | KOPF | 1905 | |
| Alzet brain infusion kit | DURECT | Kit # 3; 0008851 | Cut tubing in the kit to 1 inch length |
| Alzet osmotic pump | DURECT | 2004 | Flow rate 0.25 µL/h |
| Anesthesia system | Kent Scientific | SomnoSuite | |
| Betadine solution | Avrio Health | N/A | |
| CaCl2 . 2H2O | Fisher | C79-500 | |
| Cannula holder | KOPF | 1966 | |
| Centering scope | KOPF | 1915 | |
| Dental Cement Liquid | Lang Dental | REF1404 | |
| Dental cement Powder | Lang Dental | REF1220-C | |
| D-glucose | Sigma | G8270 | |
| Electric drill | KOPF | 1911 | While drilling a hole avoid rupturing dura mater |
| Eye lubricant (Optixcare) | CLC Medica | N/A | |
| Glass Bead sterilizer (Germinator 500) | VWR | 101326-488 | Place instruments in sterile water to let them cool before surgery |
| Glucose Assay Kit | Cayman chemical | 10009582 | |
| H2O2 | Sigma | H1009-500ml | Apply 3% H2O2 on skull surface to make the cranial sutures visible. |
| Hair Clipper | WAHL | N/A | |
| heating pad | Heatpax | 19520483 | |
| Hemostat | N/A | N/A | |
| Isoflurane (Fluriso) | Zoetis | NDC1385-046-60 | |
| KCl | VWR | 0395-500g | |
| Magnetic stand | WPI | M1 | |
| Magnifying desk lamp | Brightech | LightView Pro Flex 2 | |
| Metal Spatula | N/A | N/A | |
| MgCl2 . 6H2O | Fisher | BP214-500 | |
| Micromanipulator (Right handed) | WPI | M3301R | |
| Micromanipulator with digital display | KOPF | 1940 | |
| Na2HPO4 . 7H2O | Fisher | S373-500 | |
| NaCl | Sigma | S7653-5Kg | |
| NaH2PO4 . H2O | Fisher | S369-500 | |
| Neosporin | Johnson & Johnson | N/A | Apply topical oinment to prevent infection |
| Parafilm | Bemis | DM-999 | |
| Rimadyl (Carprofen) 50mg/ml | Zoetis | N/A | 5 mg/kg, subcutaneous, for analgesia |
| Scalpel | N/A | N/A | |
| Stereotaxic allignment system | KOPF | 1900 | |
| Sterile 27 gauge needle | BD | 305109 | |
| Sterile cotton tip applicators (Solon) | AMD Medicom | 56200 | |
| Sterile nylon sutures (5.0) | Oasis | MV-661 | Use non-absorable suture for closing the wound |
| Sterile sharp scissors | N/A | N/A | |
| Sterile surgical blades | VWR | 55411-050 | |
| Surgical gloves (Nitrile) | Ammex | N/A | Change gloves if there is suspision of contamination |
| Tray | N/A | N/A |
Referenzen
- Moheet, A., Mangia, S., Seaquist, E. R. Impact of diabetes on cognitive function and brain structure. Annals of the New York Academy of Sciences. 1353, 60-71 (2015).
- Takeda, S., et al. Diabetes-accelerated memory dysfunction via cerebrovascular inflammation and Abeta deposition in an Alzheimer mouse model with diabetes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (15), 7036-7041 (2010).
- Arvanitakis, Z., Wilson, R. S., Bienias, J. L., Evans, D. A., Bennett, D. A. Diabetes mellitus and risk of Alzheimer disease and decline in cognitive function. Archives of Neurology. 61 (5), 661-666 (2004).
- Zilliox, L. A., Chadrasekaran, K., Kwan, J. Y., Russell, J. W. Diabetes and cognitive impairment. Current Diabetes Reports. 16 (9), 87 (2016).
- Reno, C. M., Litvin, M., Clark, A. L., Fisher, S. J. Defective counterregulation and hypoglycemia unawareness in diabetes: mechanisms and emerging treatments. Endocrinology and Metabolism Clinics of North America. 42 (1), 15-38 (2013).
- Cryer, P. E., Davis, S. N., Shamoon, H. Hypoglycemia in diabetes. Diabetes Care. 26 (6), 1902-1912 (2003).
- Hwang, J. J., et al. Hypoglycemia unawareness in type 1 diabetes suppresses brain responses to hypoglycemia. The Journal of Clinical Investigation. 128 (4), 1485-1495 (2018).
- Cryer, P. E., Gerich, J. E. Glucose counterregulation, hypoglycemia, and intensive insulin therapy in diabetes mellitus. The New England Journal of Medicine. 313 (4), 232-241 (1985).
- Tigchelaar, C., et al. Elevated cerebrospinal fluid glucose levels and diabetes mellitus are associated with activation of the neurotoxic polyol pathway. Diabetologia. 65 (7), 1098-1107 (2022).
- Zheng, H., et al. Cognitive decline in type 2 diabetic db/db mice may be associated with brain region-specific metabolic disorders. Biochimica et Biophysica Acta. Molecular Basis of Disease. 1863 (1), 266-273 (2017).
- Ernst, A., et al. Diabetic db/db mice exhibit central nervous system and peripheral molecular alterations as seen in neurological disorders. Translational Psychiatry. 3 (5), 263 (2013).
- Wang, Y., Yang, Y., Liu, Y., Guo, A., Zhang, Y. Cognitive impairments in type 1 diabetes mellitus model mice are associated with synaptic protein disorders. Neuroscience Letters. 777, 136587 (2022).
- Jolivalt, C. G., et al. Type 1 diabetes exaggerates features of Alzheimer’s disease in APP transgenic mice. Experimental Neurology. 223 (2), 422-431 (2010).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . Paxinos and Franklin’s The mouse brain in stereotaxic coordinates. , (2019).
- Vinik, A. I., Maser, R. E., Mitchell, B. D., Freeman, R. Diabetic autonomic neuropathy. Diabetes Care. 26 (5), 1553-1579 (2003).
- Furman, B. L. Streptozotocin-induced diabetic models in mice and rats. Current Protocols. 1 (4), 78 (2021).
- Grieb, P. Intracerebroventricular streptozotocin injections as a model of Alzheimer’s disease: in search of a relevant mechanism. Molecular Neurobiology. 53 (3), 1741-1752 (2016).
- Kealy, J., et al. Acute inflammation alters brain energy metabolism in mice and humans: role in suppressed spontaneous activity, impaired cognition, and delirium. The Journal of Neuroscience. 40 (29), 5681-5696 (2020).
- Dougherty, J. M., Roth, R. M. Cerebral spinal fluid. Emergency Medicine Clinics of North America. 4 (2), 281-297 (1986).
