Generatie en On-Demand inleiding van Acute Ictale activiteit in knaagdier en menselijk weefsel
Summary
Acute inbeslagneming modellen zijn belangrijk voor de studie van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de epileptiform gebeurtenissen. Bovendien biedt de mogelijkheid om het genereren van epileptiform evenementen op afroep een zeer efficiënte methode om te bestuderen van de exacte volgorde van de gebeurtenissen ten grondslag liggen aan hun inleiding. Hier beschrijven we de acute 4-aminopyridine corticale inbeslagneming modellen gevestigd in muis en menselijk weefsel.
Abstract
Controle van de vangsten, blijft een uitdagende kwestie voor de medische gemeenschap. Onderzoekers moeten om vorderingen te maken, een manier om uitvoerig bestuderen van inbeslagneming dynamiek en onderzoeken van de onderliggende mechanismen. Acute inbeslagneming modellen zijn handig, bieden de mogelijkheid voor het uitvoeren van elektrofysiologische opnames, en een grote hoeveelheid electrographic inbeslagneming-achtige (Ictale) gebeurtenissen kunnen genereren. De veelbelovende resultaten van acute inbeslagneming modellen kunnen vervolgens aan chronische epilepsie modellen en klinische proeven worden vooruitgegaan. Dus, bestuderen van de vangsten in acute modellen die getrouw het repliceren van de electrographic en dynamische handtekeningen van een klinische inbeslagneming is essentieel voor het maken van klinisch relevante bevindingen. Bestuderen van Ictale gebeurtenissen in acute inbeslagneming modellen bereid uit menselijk weefsel is ook belangrijk voor het maken van de bevindingen die klinisch relevant zijn. De belangrijkste focus in dit document is op de corticale 4-AP model vanwege zijn veelzijdigheid in Ictale gebeurtenissen genereert in zowel in vivo en in vitro studies, evenals in zowel muis en menselijk weefsel. De methoden in dit artikel zal ook beschrijven een alternatieve methode van inbeslagneming inductie met behulp van de nul-Mg2 + model en bieden een gedetailleerd overzicht van de voordelen en beperkingen van de activiteit van de epileptiform-achtige gegenereerd in de verschillende acute inbeslagneming modellen. Bovendien, door te profiteren van verkrijgbare optogenetic muis stammen, een lichte puls van korte (30 ms) kan worden gebruikt om een identiek zijn aan die welke voorkomen spontaan Ictale gebeurtenis te activeren. 30-100 ms soezen van neurotransmitters (Gamma-Amino Boterzuur of glutamaat) kunnen ook worden toegepast op het menselijke weefsel trigger Ictale gebeurtenissen die identiek zijn aan die welke voorkomen spontaan. De mogelijkheid om te activeren Ictale gebeurtenissen op afroep in acute inbeslagneming modellen biedt de pas ontdekte mogelijkheid om te observeren de exacte volgorde van de gebeurtenissen die ten grondslag liggen aan de inbeslagneming initiatie dynamiek en efficiënt het evalueren van potentiële anti-epilepsie therapieën.
Introduction
Acute inbeslagneming modellen kunnen met succes reproduceren electrographic handtekeningen die doet denken aan Ictale gebeurtenissen waargenomen in het electroencephalogram (EEG) van individuen een beslaglegging te ervaren. Onderzoekers gebruiken deze Ictale-achtige gebeurtenissen (hierna te noemen ‘Ictale events’) als surrogaten voor de inbeslagneming gebeurtenis1. Klinisch, dienen Ictale gebeurtenissen als een betrouwbare proxy voor inbeslagneming evenementen omdat vangsten zijn een neurologische aandoening die afkomstig van de hersenen is. In de controle unit van epilepsie, neurologen zijn afhankelijk van de opsporing van Ictale gebeurtenissen isoleren voor resectie2te bevestigen de epileptogene regio van de hersenen. Op de intensive care toezicht op artsen Ictale activiteit om te beoordelen wanneer een activiteit van de inbeslagneming ingetogen patiënten3 blijft. Controle van de vangsten blijft een uitdagende kwestie voor de medische gemeenschap, worden als 30% van de epilepsie patiënten drug resistent tegen de beschikbare medicatie4,5 zijn, en 10% van de medische gevallen waarbij drug-induced toevallen reageert niet op de standaardbehandeling3. Dit presenteert een ernstig probleem voor de samenleving, zoals 10% van de Amerikaanse bevolking is verkenden om te ervaren een inbeslagneming gebeurtenis in hun leven en 3% worden verwacht om epilepsie6.
Vangsten in chronische epilepsie modellen bestuderen is duur, arbeidsintensief en vaak maanden duren om te bereiden7. Het is ook moeilijk uit te voeren van elektrofysiologische opnames in vrij bewegende dieren. Klinische testen worden geconfronteerd met soortgelijke problemen, evenals extra complexiteit aan de patiënt toestemming, variabiliteit in de achtergronden van de deelnemers en de morele en ethische overwegingen betrokken8gerelateerde. Acute inbeslagneming modellen, aan de andere kant, zijn gunstig omdat ze relatief gemakkelijk te bereiden, kosten-efficiënte en geschikt voor het genereren van grote hoeveelheden Ictale gebeurtenissen voor studie9. Bovendien, wordt het weefsel vastgesteld in een stabiele positie, zodat de voorwaarden ideaal zijn voor het uitvoeren van de elektrofysiologische opnames nodig om te studeren van de dynamiek van de inbeslagneming en de bijbehorende onderliggende pathofysiologie. Acute inbeslagneming modellen blijven gunstig over in silico (computer) modellen, omdat ze zijn gebaseerd op biologisch materiaal bestaat uit de hersenen samenstellende neuronale netwerk met al zijn inherente factoren en synaptische verbinding, die niet kan worden vastgelegd modellen10door zelfs de meest gedetailleerde computer. Deze functies maken acute inbeslagneming modellen klaar om efficiënt op de screening voor potentiële anti-epilepsie therapieën en het maken van de voorlopige bevindingen voor het bevorderen van hen voor verder onderzoek in chronische epilepsie modellen en klinische proeven.
Acute inbeslagneming modellen zijn meestal ontleend aan de normale hersenweefsel die hyper-prikkelbaar voorwaarden heeft ondergaan. Om klinisch relevante Ictale gebeurtenissen in gezonde hersenweefsel, is het belangrijk om te begrijpen dat de hersenen optimaal functioneert in een kritieke toestand11 waar (E) excitatie en inhibitie (I) zijn evenwichtige12. Een verstoring van de E-ik evenwicht kan leiden tot de staat van de hyper-prikkelbaar inbeslagneming waarin neerslag Ictale gebeurtenissen. Daarom in dit conceptuele kader, er zijn twee belangrijke strategieën voor het genereren van Ictale gebeurtenissen in hersenen plakjes (in vitro) of in geheel-hersenen (in vivo) preparaten: verhoogd of verminderde remming (“disinhibitie”) excitatie (“niet-disinhibitie”). Echter Ictale gebeurtenissen worden hoogst gerangschikt en gesynchroniseerd evenementen waarvoor de invloed van GABAergic interneuronen te orkestreren van de neurale netwerk activiteit13,14. Om deze reden zijn niet-disinhibitie modellen het meest effectief voor genereren Ictale evenementen in geïsoleerde neurale netwerken, zoals in een in vitro brain slice15, overwegende dat de in vitro disinhibitie modellen vaak leiden tot een stekelige activiteit denken aan The-achtige stekelige. Bovendien, deze conceptuele kader, een kortstondige synchroniseren gebeurtenis kan ook betrouwbaar leiden tot een Ictale gebeurtenis16. In feite, kan een Ictale gebeurtenis worden veroorzaakt door een kleine verstoring op de neurale systeem17 toegepast wanneer er op een kritieke toestand overgang (“bifurcatie”) punt18. Traditioneel werden deze verstoringen veroorzaakt door elektrische stimulatie. De recente ontwikkeling van optogenetics in de neurowetenschappen, echter biedt nu een meer elegante strategie om kritieke toestand overgangen16.
De in dit document beschreven methoden laten zien hoe te genereren Ictale gebeurtenissen op afroep in acute inbeslagneming modellen voor zowel in vitro (stap 1 van het Protocol) en in vivo studies (stap 2 van het Protocol). Het gaat om de keuze van de regio van de hersenen, inbeslagneming inductie methode, studie type en soorten; de focus zal evenwel op de aanbevolen keuze van een acute 4-AP corticale inbeslagneming model vanwege haar veelzijdigheid in een breed scala aan studie typen. De 4-AP inbeslagneming acute in vitro model is gebaseerd op het standaardprotocol voor te bereiden op kwalitatief hoogwaardige hersenen segmenten elektrofysiologische opnames en imaging studies19. Al zijn deze protocollen gebruikt te maken van de in vitro coronale hersenen segmenten van de somatosensorische-motorische cortex van muizen16,20 en mens21. Wijzigingen voor het genereren van Ictale gebeurtenissen in dit soort hersenen segmenten zijn eerder aangetoond16 en de volledige details zijn beschreven in het Protocol hieronder. De acute in vivo 4-AP corticale inbeslagneming model is gebaseerd op het standaardprotocol voor te bereiden op een craniotomy imaging studies22. De wijziging is dat geen venster (glasplaatje) is geïnstalleerd na de craniotomy. In plaats daarvan, worden proconvulsant agenten (4-AP) topisch toegepast op de blootgestelde cortex ertoe Ictale gebeurtenissen terwijl het dier onder narcose. Om onze kennis was onze fractie de eerste om deze acute in vivo corticale inbeslagneming model in muizen16,23te ontwikkelen. De acute in vivo 4-AP corticale inbeslagneming model bereid uit volwassen muizen werd ontwikkeld ter aanvulling van de in vitro segment model uit jonge weefsel. De replicatie van de bevindingen in het volwassen in vivo inbeslagneming model helpt om te generaliseren van de bevindingen van segment modellen door de inherente problemen met betrekking tot de niet-fysiologische omstandigheden van een 2D hersenen segment (versus een 3-D geheel-hersenen structuur) en de fysiologische verschillen tussen jonge en volwassen weefsel.
De methode van op afroep Ictale gebeurtenis inleiding is aangetoond door middel van ofwel soezen van neurotransmitters met een picospritzer of optogenetic strategieën. Tot de beste van onze kennis is onze fractie de eerste Ictale gebeurtenissen in menselijk weefsel met behulp van neurotransmitters via een picospritzer16starten. Voor optogenetic strategieën is de C57BL/6 muizen stam de conventionele stam gebruikt voor het uitdrukken van transgenen. De expressie voor channelrhodopsin-2 (ChR2) in GABAergic interneuronen of glutamaterge piramidale cellen zal bieden de optionele mogelijkheid voor het genereren van Ictale gebeurtenissen op afroep met korte pulsen van licht. Geschikt optogenetic muizen stammen omvatten de verkrijgbare C57BL/6 variant die ChR2 in beide interneuronen uitdrukt, met behulp van de muis vesiculaire GABA vervoerder promotor (VGAT)24of piramidevormige cellen, met behulp van de muis thymus cel antigeen 1 promotor (Thy1)25. Deze verkrijgbare VGAT-ChR2 en Thy1-ChR2 muizen bieden de mogelijkheid om het activeren van de GABAergic neuronen of glutamaterge neuronen, respectievelijk in de neocortex met blauw (470 nm) licht. De mogelijkheid gebeurtenissen moet genereren Ictale on-demand in acute inbeslagneming modellen bieden nieuwe mogelijkheden om te studeren inbeslagneming initiatie dynamiek en efficiënt het evalueren van potentiële anti-epilepsie therapieën.
Protocol
Representative Results
Discussion
De segmenten van de hersenen worden behandeld met een proconvulsant drug of een gewijzigde ACSF perfusaat verhogen van het neurale netwerk prikkelbaarheid en bevorderen van een neerslag van Ictale evenementen (electrographic inbeslagneming-achtige events). Bij muizen, moeten de voorkeur coronale segmenten van de somatosensorische-motor ruimte bevatten die de cortex cingularis, gebied 2 (CG), maar niet het retrosplenial gebied (RS); Deze anatomische Markeringen helpen bij het identificeren van het bereik van coronale segm…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Canadese instituten van gezondheidsonderzoek (MOP 119603 Peter L. Carlen en Taufik A. Valiante), het Ontario hersenen Instituut (Taufik A. Valiante) en de Mightex Student onderzoeksbeurs (naar Michael Chang). We zouden graag bedanken Liam Long voor zijn hulp bij het filmen van het video manuscript. Wij willen erkennen Paria Baharikhoob, Abeeshan Selvabaskaran en Shadini Dematagoda voor hun hulp bij het opstellen van de figuren en tabellen in dit manuscript. Figuren 1A, 3Aen 4A 6A zijn alle originele figuren gemaakt van gegevens die zijn gepubliceerd in Chang et al. 16.
Materials
| Sodium pentobarbital | N/A | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| 1 mm syringe | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| 25G 5/8” sterile needle | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Single edge razor blade (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Instant adhesive glue | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Lens paper | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Glass petri dish (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Splinter forceps (2x) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| PVC handle micro spatula | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Micro spoon with flat end | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Detailing brush 5/0 | N/A | N/A | Purcahsed from a boutique art store |
| Wide bore transfer pipette | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Dental Tweezer | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Thermometer (digital) | N/A | N/A | Purchased on Amazon.ca |
| Check carbogen tank (95%O2/5%CO2) | N/A | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| Vibratome | Leica | N/A | Purchased through the Toronto Western Hospital's Suppliers |
| brain slice incubation chamber (a.k.a. brain slice keeper) | Scientific Systems Design Inc | N/A | |
| Sodium Chloride (NaCl) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sodium Bicarbonate | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Dextrose | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Potassium Chloride (KCl) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Magnesium Sulfate (MgSO4 H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sodium phosphate monobasic monohydrate (HNaPO4·H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Calcium Chloride (CaCl2·2H2O) | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
| Sucrose | N/A | N/A | Purchased through UT Med Store |
References
- Jefferys, J. G. R. Advances in understanding basic mechanisms of epilepsy and seizures. Seizure. 19 (10), 638-646 (2010).
- Fujiwara, H., et al. Resection of ictal high-frequency oscillations leads to favorable surgical outcome in pediatric epilepsy. Epilepsia. 53 (9), 1607-1617 (2012).
- Chen, H. Y., Albertson, T. E., Olson, K. R. Treatment of drug-induced seizures. British Journal of Clinical Pharmacology. 81 (3), 412-419 (2015).
- Kwan, P., Brodie, M. J. Early Identification of Refractory Epilepsy. New England Journal of Medicine. 342 (5), 314-319 (2000).
- Giussani, G., et al. A population-based study of active and drug-resistant epilepsies in Northern Italy. Epilepsy & Behavior. 55, 30-37 (2016).
- Pellock, J. M. Overview: definitions and classifications of seizure emergencies. Journal of Child Neurology. 22 (5_suppl), 9S-13S (2007).
- Löscher, W. Critical review of current animal models of seizures and epilepsy used in the discovery and development of new antiepileptic drugs. Seizure. 20 (5), 359-368 (2011).
- Jones, R. S., da Silva, A. B., Whittaker, R. G., Woodhall, G. L., Cunningham, M. O. Human brain slices for epilepsy research: Pitfalls, solutions and future challenges. Journal of Neuroscience Methods. 260, 221-232 (2016).
- Castel-Branco, M., Alves, G., Figueiredo, I., Falcão, A., Caramona, M. The maximal electroshock seizure (MES) model in the preclinical assessment of potential new antiepileptic drugs. Methods and Findings in Experimental and Clinical Pharmacology. 31 (2), 101-106 (2009).
- Wendling, F., Bartolomei, F., Modolo, J., Pitkänen, A., Buckmaster, P., Galanopoulou, A. S., Moshé, S. Neocortical/Thalamic In Silico Models of Seizures and Epilepsy. Models of Seizures and Epilepsy. , 233-246 (2017).
- Cocchi, L., Gollo, L. L., Zalesky, A., Breakspear, M. Criticality in the brain: A synthesis of neurobiology, models and cognition. Progress in Neurobiology. 158, 132-152 (2017).
- Xue, M., Atallah, B. V., Scanziani, M. Equalizing excitation-inhibition ratios across visual cortical neurons. Nature. 511 (7511), 596-600 (2014).
- Engel, J. . Seizures and epilepsy. , (2013).
- Panuccio, G., Curia, G., Colosimo, A., Cruccu, G., Avoli, M. Epileptiform synchronization in the cingulate cortex. Epilepsia. 50 (3), 521-536 (2009).
- Avoli, M., de Curtis, M. GABAergic synchronization in the limbic system and its role in the generation of epileptiform activity. Progress in Neurobiology. 95 (2), 104-132 (2011).
- Chang, M., et al. Brief activation of GABAergic interneurons initiates the transition to ictal events through post-inhibitory rebound excitation. Neurobiology of Disease. 109, 102-116 (2018).
- Jiruska, P., et al. High-frequency network activity, global increase in neuronal activity, and synchrony expansion precede epileptic seizures in vitro. The Journal of Neuroscience. 30 (16), 5690-5701 (2010).
- Jirsa, V. K., Stacey, W. C., Quilichini, P. P., Ivanov, A. I., Bernard, C. On the nature of seizure dynamics. Brain. 137 (Pt 8), 2210-2230 (2014).
- Colbert, C. M. Preparation of cortical brain slices for electrophysiological recording. Ion Channels: Methods and Protocols. 337, 117-125 (2006).
- Li, H., Prince, D. A. Synaptic activity in chronically injured, epileptogenic sensory-motor neocortex. Journal of Neurophysiology. 88 (1), 2-12 (2002).
- Köhling, R., Avoli, M. Methodological approaches to exploring epileptic disorders in the human brain in vitro. Journal of Neuroscience Methods. 155 (1), 1-19 (2006).
- Mostany, R., Portera-Cailliau, C. A Craniotomy Surgery Procedure for Chronic Brain Imaging. Journal of Visualized Experiments. (12), e680 (2008).
- Ritter, L. M., et al. WONOEP appraisal: optogenetic tools to suppress seizures and explore the mechanisms of epileptogenesis. Epilepsia. 55 (11), 1693-1702 (2014).
- Zhao, S., et al. Cell type-specific channelrhodopsin-2 transgenic mice for optogenetic dissection of neural circuitry function. Nature Methods. 8 (9), 745-752 (2011).
- Arenkiel, B. R., et al. In vivo light-induced activation of neural circuitry in transgenic mice expressing channelrhodopsin-2. Neuron. 54 (2), 205-218 (2007).
- Heinemann, U., Pitkänen, A., Buckmaster, P., Galanopoulou, A. S., Moshé, S., et al. Brain slices from human resected tissue. Models of Seizures and Epilepsy. , 285-299 (2017).
- Florez, C., et al. In vitro recordings of human neocortical oscillations. Cerebral Cortex. 25 (3), 578-597 (2015).
- Lein, P. J., Barnhart, C. D., Pessah, I. N. Acute hippocampal slice preparation and hippocampal slice cultures. Methods in Molecular Biology. , 115-134 (2011).
- Haas, H. L., Schaerer, B., Vosmansky, M. A simple perfusion chamber for the study of nervous tissue slices in vitro. Journal of Neuroscience Methods. 1 (4), 323-325 (1979).
- Poulton, T. J., Ellingson, R. J. Seizure associated with induction of anesthesia with isoflurane. Anesthesiology: The Journal of the American Society of Anesthesiologists. 61 (4), 471-476 (1984).
- Borris, D. J., Bertram, E. H., Kapur, J. Ketamine controls prolonged status epilepticus. Epilepsy Research. 42 (2-3), 117-122 (2000).
- DeFelipe, J., Alonso-Nanclares, L., Arellano, J. I. Microstructure of the neocortex: comparative aspects. Journal of Neurocytology. 31 (3-5), 299-316 (2002).
- Velasco, A. L., Wilson, C. L., Babb, T. L., Engel, J. Functional and anatomic correlates of two frequently observed temporal lobe seizure-onset patterns. Neural Plasticity. 7 (1-2), 49-63 (2000).
- Vlachos, A., Reddy-Alla, S., Papadopoulos, T., Deller, T., Betz, H. Homeostatic regulation of gephyrin scaffolds and synaptic strength at mature hippocampal GABAergic postsynapses. Cerebral Cortex. 23 (11), 2700-2711 (2012).
- Kirmse, K., et al. GABA depolarizes immature neurons and inhibits network activity in the neonatal neocortex in vivo. Nature Communications. 6, 7750 (2015).
- Stein, V., Hermans-Borgmeyer, I., Jentsch, T. J., Hübner, C. A. Expression of the KCl cotransporter KCC2 parallels neuronal maturation and the emergence of low intracellular chloride. Journal of Comparative Neurology. 468 (1), 57-64 (2004).
- Wong, B. Y., Prince, D. A. The lateral spread of ictal discharges in neocortical brain slices. Epilepsy Research. 7 (1), 29-39 (1990).
- Trevelyan, A. J., Sussillo, D., Watson, B. O., Yuste, R. Modular propagation of epileptiform activity: evidence for an inhibitory veto in neocortex. Journal of Neuroscience. 26 (48), 12447-12455 (2006).
- Brahma, B., Forman, R., Stewart, E., Nicholson, C., Rice, M. Ascorbate inhibits edema in brain slices. Journal of Neurochemistry. 74 (3), 1263-1270 (2000).
- MacGregor, D. G., Chesler, M., Rice, M. E. HEPES prevents edema in rat brain slices. Neuroscience Letters. 303 (3), 141-144 (2001).
- Ting, J. T., Daigle, T. L., Chen, Q., Feng, G., Martina, M., Taverna, S. Acute brain slice methods for adult and aging animals: Application of targeted patch clamp analysis and optogenetics. Patch-clamp Methods and Protocols. , 221-242 (2014).
- Swartzwelder, H. S., Lewis, D., Anderson, W., Wilson, W. Seizure-like events in brain slices: suppression by interictal activity. Brain Research. 410 (2), 362-366 (1987).
- Lees, G., Stöhr, T., Errington, A. C. Stereoselective effects of the novel anticonvulsant lacosamide against 4-AP induced epileptiform activity in rat visual cortex in vitro. Neuropharmacology. 50 (1), 98-110 (2006).
