Elektroforetische levering van γ-aminoboterzuur zuur (GABA) in epileptische focus voorkomt aanvallen bij muizen
Summary
De uitdaging van epilepsie onderzoek is het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor patiënten waar klassieke therapie ontoereikend is. Met behulp van een nieuw protocol-met de hulp van een implanteerbare Drug Delivery System-zijn we in staat om aanvallen in verdoofd muizen controle door de elektroforetische levering van GABA in de epileptische focus.
Abstract
Epilepsie is een groep van neurologische aandoeningen die miljoenen mensenwereld wijd treft. Hoewel de behandeling met medicatie is nuttig in 70% van de gevallen, ernstige bijwerkingen van invloed op de kwaliteit van leven van patiënten. Bovendien is een hoog percentage epileptische patiënten resistent tegen drugs; in hun geval, Neurochirurgie of neurostimulatie zijn noodzakelijk. Daarom is het belangrijkste doel van epilepsie onderzoek is het ontdekken van nieuwe therapieën die ofwel kunnen genezen epilepsie zonder bijwerkingen of het voorkomen van terugkerende aanvallen in resistente patiënten. Neuroengineering biedt nieuwe benaderingen met behulp van innovatieve strategieën en technologieën om betere oplossingen te vinden om epileptische patiënten in gevaar te genezen.
Als een demonstratie van een nieuw experimenteel protocol in een acuut muismodel van epilepsie, wordt een direct in situ elektroforetische drug delivery systeem gebruikt. Namelijk, een neurale sonde waarin een microfluidische ion pomp (µ FIP) voor on-demand drugs levering en gelijktijdige opname van lokale neurale activiteit wordt geïmplanteerd en aangetoond te kunnen controleren 4-aminopyridine-geïnduceerde (4AP-geïnduceerde) inbeslagneming-achtige evenement (SLE) activiteit. De γ-aminoboterzuur zuur (GABA) concentratie wordt bewaard in de fysiologische bereik door de precieze controle van GABA levering aan een epilepticum effect in de inbeslagneming focus te bereiken, maar niet te veroorzaken overremming-geïnduceerde rebound uitbarstingen. De methode maakt zowel de opsporing van pathologische activiteit en interventie om epileptische aanvallen te stoppen door het leveren van remmende neurotransmitters rechtstreeks aan de epileptische focus met precieze spatiotemporal controle.
Als resultaat van de ontwikkelingen aan de experimentele methode, kan SLEs in een hoogst gelokaliseerde manier worden veroorzaakt die beslaglegging controle door de precies gestemde GABA levering bij het beslag leggings begin toestaat.
Introduction
Epilepsie is de vierde meest voorkomende neurologische aandoening: ongeveer 1% van de bevolking lijdt aan epilepsie, en ongeveer een derde van de getroffen hebben terugkerende aanvallen. In de meeste gevallen, epileptische aanvallen kunnen worden gecontroleerd met medicatie. Nochtans, moet de drugbehandeling voor elke patiënt individueel worden geplaatst, waar de juiste dosering jaren kan vergen om1,2te vinden. Bovendien, de meeste van de medicatie heeft ernstige bijwerkingen die de kwaliteit van leven te verminderen3,4,5,6,7. Ten slotte, in 30% van de gevallen patiënten resistent zijn tegen medicatie, en in het geval van een constante enkele inbeslagneming Generator Locus, alleen resektieve Neurochirurgie kan het optreden van aanvallen te dempen8. Daarom is een belangrijk initiatief in de moderne epilepsie onderzoek is het ontdekken van nieuwe strategieën die kunnen voorkomen dat terugkerende aanvallen bij patiënten in gevaar, terwijl het verminderen van de noodzaak van sterke drugs therapieën en invasieve resektieve operaties.
Epileptische aanvallen optreden wanneer er sprake is van een onbalans binnen prikkelende en remmende circuits, hetzij in de hersenen (gegeneraliseerde epilepsie) of in een gelokaliseerde deel van de hersenen (focale epilepsie), zodanig dat neuronen kwijting in een abnormale mode9 , 10 , 11. epilepticum drugs kunnen handelen op twee verschillende manieren in inbeslagneming preventie: ofwel afnemende excitatie of verbetering van remming12. Specifiek, kunnen zij of de elektroactiviteit van neuronale cellen wijzigen door ionenkanalen in celmembraan13 te beïnvloeden of op chemische transmissie tussen neuronen te handelen door de remmende neurotransmitter Gaba of de prikkelende te beïnvloeden glutamaat in de synapsen14,15. Voor sommige medicijnen, de wijze van actie is onbekend18. Ook drugsbehandelingen hebben een continu effect op patiënten en kunnen zich niet aanpassen aan de prevalentie dynamiek van epileptische aanvallen. Idealiter, drugs met specifieke mechanismen van de actie zou handelen op de onderliggende epileptische processen. Een optimale behandeling zou niet raken de hersenen interictally, maar zou onmiddellijk handelen wanneer een aanval begint te ontwikkelen. In tegenstelling tot dat, in alle gevallen van epilepsie, medicatie betekent nu een systematische behandeling, die de hele hersenen en het hele lichaam van de patiënt9.
Epileptische aanvallen kunnen verschijnen vele jaren na de eerste belediging, zoals hersentrauma. De periode tussen de aanvankelijke belediging en het voorkomen van de eerste spontane aanvallen wordt gekenmerkt door aanzienlijke moleculaire en cellulaire reorganisaties, met inbegrip van neuronale dood met de verdwijning van neuronale netwerkverbindingen en axonale kiemen/neosynaptogenesis met de verschijning van nieuwe verbindingen19,20,21. Zodra epileptische aanvallen worden terugkerende, hun frequentie en ernst de neiging om te verhogen, waarbij meer hersengebieden. Het is belangrijk om te onderscheiden van de sites van inbeslagneming begin (epileptogenic regio’s) van propagatie netwerken, zoals de regels van inbeslagneming Genesis en voortplanting kan verschillen. Onderzoek uitgevoerd op menselijk weefsel en experimentele modellen van epilepsie hebben belangrijke gegevens over de reorganisatie van circuits en hun vermogen om epileptische aanvallen te genereren20,21,22, 23. het is echter moeilijk om te bepalen of deze reorganisaties zijn adaptieve reacties of dat ze causaal verband houden met epileptogenese of inbeslagneming Genesis en voortplanting12.
Daarom is het lokaliseren van de epileptische focus en het toepassen van epilepticum drugs lokaal een van de belangrijkste uitdagingen in het hedendaagse epilepsie onderzoek. Verschillende experimenten met behulp van dierlijke modellen van epilepsie en een aantal klinische studies gericht op het begin van de inbeslagneming gebeurtenissen te vinden en de onderliggende mechanismen in de hersenen24,25,26,27te definiëren. Hiertoe ontwikkelden we een nieuw experimenteel protocol met behulp van de 4AP epilepsie model28,29,30,31 in een acute muis voorbereiding, die het mogelijk maakt de precieze invoeging van drie apparaten in het gegeven gebied van de hippocampus, waar de netwerkactiviteit in vivo op een hoogst gelokaliseerde manier wordt gemanipuleerd. Gelokaliseerde 4AP injectie door een glazen micropipet helpt bij het induceren van epileptische SLEs in een gelokaliseerde plek in de hippocampus, terwijl met behulp van de nieuwe polymeer-gebaseerde µ FIP sonde de controle van de inbeslagneming activiteit wordt bereikt gelijktijdig door het opnemen van de neuronale elektrische activiteit met de opnamelocaties van het apparaat. Hippocampale lokale veld activiteit wordt ook gecontroleerd met een multichannel silicium sonde in een laag-specifieke wijze in de cortex en in de Hippocampus gelijktijdig.
De onlangs uitgevonden µ FIP sondes werken met behulp van een toegepast elektrisch veld te duwen geladen drugs opgeslagen in een microvloeiende kanaal over een ion-uitwisseling membraan (Internet Explorer-onderhoud) en naar het omliggende weefsel (Figuur 1). Het Internet Explorer-onderhoud vervoert selectief slechts één type van ionen (kation of anion) en, dus, werkt om beide passieve verspreiding in de “van” staat en vervoer van tegengestelde geladen soorten van het omringende weefsel in het apparaat te beperken. Het elektrisch veld wordt op aanvraag gemaakt door een kleine spanning (< 1 V) toe te passen tussen de bron elektrode die inwendig is voor het microfluidische kanaal en een doel elektrode die buiten het apparaat ligt (in dit geval de hoofd schroef op het diermodel). Het tarief van de toediening van geneesmiddelen is evenredig aan de toegepaste spanning en de gemeten stroom tussen de bron-en doel elektrodes. De precieze tunability van de druglevering is een van de belangrijkste voordelen van de µ FIP. Een ander kritisch voordeel, in vergelijking met vloeibare of op druk gebaseerde systemen voor de levering van medicijnen, is dat in de µ FIP is er slechts een verwaarloosbare druk te verhogen bij de drug delivery Outlet als drugs worden geleverd over de Internet Explorer-onderhoud zonder hun carrier-oplossing.
Er is een kleine hoeveelheid van passieve lekken van GABA wanneer de µ FIP is “off”, maar dit bleek niet te SLEs effect. De µ FIP zijn op maat gemaakt naar aanleiding van conventionele microfabricage methoden die we eerder hebben gerapporteerd31.
Aangezien een manier van het voorkomen van terugkerende aanvallen is de blokkade van het netwerk lozingen aan het begin of zelfs voor de eerste aanval evenement, de gepresenteerde methode voor het leveren van de remmende neurotransmitter GABA in de epileptische focus heeft grote therapeutisch potentieel voor inbeslagneming controle bij patiënten met focale epilepsie. Aangezien GABA is een endogene substraat, het laat intrinsieke neuronale eigenschappen ongewijzigd in fysiologische concentraties. De lokale toepassing van lage niveaus van GABA zal alleen van invloed op cellen die van nature reageren op remming, en zal alleen leiden tot soortgelijke effecten op fysiologische remming, in tegenstelling tot diepe hersenstimulatie (DBS), die onspecifieke acties heeft door het stimuleren van alle cellen van het neuronale netwerk in zijn omgeving, waardoor een gemengde reactie waarbij zowel excitatie en remming. Tot slot, de voorgestelde methode biedt een meer specifieke benadering van inbeslagneming controle dan DBS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door het ontwikkelen van een nieuw experimenteel protocol in een acuut muizenmodel van epilepsie, zou SLEs met succes kunnen worden gecontroleerd met behulp van een µ FIP geïmplanteerd in de epileptische focus. Dankzij zijn vermogen om GABA te leveren met temporele en ruimtelijke precisie, 4AP-geïnduceerde SLEs werden gecontroleerd bij het begin van de aanvallen. Behandeling van epilepsie is theoretisch mogelijk als de controle van het neurale netwerk lozingen wordt bereikt op de plaats van de inbeslagneming te starte…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.M.P. erkent de financiering van een Whitaker International Scholar Grant beheerd door het Instituut voor internationaal onderwijs. AIT werd gesponsord door de Marie Curie IEF (nr. 625372). AW erkent de financiering van de Europese Onderzoeksraad (ERC) in het kader van het Horizon 2020 onderzoek-en innovatieprogramma van de Europese Unie (subsidieovereenkomst nr. 716867). AW erkent bovendien het Excellence Initiative van Aix-Marseille University-A * MIDEX, een Frans “Investissements d’Avenir” programma. De auteurs erkennen Dr. Ilke Uguz, Dr. smetsers Inal, Dr. Vincenzo Curto, Dr. Mary Donahue, Dr. Marc Ferro, en Zsófia Maglóczky voor hun participatie in vruchtbare besprekingen.
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 |
References
- Kwan, P., Palmini, A. Association between switching antiepileptic drug products and healthcare utilization: A systematic review. Epilepsy & Behavior. 73, 166-172 (2017).
- Belleudi, V., et al. Studies on drug switchability showed heterogeneity in methodological approaches: a scoping review. Journal of Clinical Epidemiology. 101, 5-16 (2018).
- Chen, B., et al. Psychiatric and behavioral side effects of antiepileptic drugs in adults with epilepsy. Epilepsy & Behavior. 76, 24-31 (2017).
- Brodie, M. J., et al. Epilepsy, Antiepileptic Drugs, and Aggression: An Evidence-Based Review. Pharmacological Reviews. 68 (3), 563-602 (2016).
- Hamed, S. A. The auditory and vestibular toxicities induced by antiepileptic drugs. Expert Opinion on Drug Safety. 16 (11), 1281-1294 (2017).
- Hamed, S. A. The effect of epilepsy and antiepileptic drugs on sexual, reproductive and gonadal health of adults with epilepsy. Expert Review of Clinical Pharmacology. 9 (6), 807-819 (2016).
- Roff Hilton, E. J., Hosking, S. L., Betts, T. I. M. The effect of antiepileptic drugs on visual performance. Seizure. 13 (2), 113-128 (2004).
- Stafstrom, C. E., Carmant, L. Seizures and epilepsy: an overview for neuroscientists. Cold Spring Harbor Perspective in Medicine. 5 (6), (2015).
- Arzimanoglou, A., et al. A Review of the New Antiepileptic Drugs for Focal-Onset Seizures in Pediatrics: Role of Extrapolation. Paediatric Drugs. 20 (3), 249-264 (2018).
- Avoli, M., et al. Specific imbalance of excitatory/inhibitory signaling establishes seizure onset pattern in temporal lobe epilepsy. Journal of Neurophysiology. 115 (6), 3229-3237 (2016).
- Badawy, R. A., Freestone, D. R., Lai, A., Cook, M. J. Epilepsy: Ever-changing states of cortical excitability. Neurosciences. 222, 89-99 (2012).
- Loscher, W., Brandt, C. Prevention or modification of epileptogenesis after brain insults: experimental approaches and translational research. Pharmacological Reviews. 62 (4), 668-700 (2010).
- Porter, R. J. Mechanisms of action of new antiepileptic drugs. Epilepsia. 30, (1989).
- Rogawski, M. A. Diverse mechanisms of antiepileptic drugs in the development pipeline. Epilepsy Research. 69 (3), 273-294 (2006).
- Czapinski, P., Blaszczyk, B., Czuczwar, S. J. Mechanisms of action of antiepileptic drugs. Current Topics in Medicinal Chemistry. 5 (1), 3-14 (2005).
- Ye, H., Kaszuba, S. Inhibitory or excitatory? Optogenetic interrogation of the functional roles of GABAergic interneurons in epileptogenesis. Journal of Biomedical Science. 24 (1), 93 (2017).
- Loscher, W., Klitgaard, H., Twyman, R. E., Schmidt, D. New avenues for anti-epileptic drug discovery and development. Nature Reviews Drug Discovery. 12 (10), 757-776 (2013).
- Manchishi, S. M. Recent Advances in Antiepileptic Herbal Medicine. Current Neuropharmacology. 16 (1), 79-83 (2018).
- Pitkanen, A., Sutula, T. P. Is epilepsy a progressive disorder? Prospects for new therapeutic approaches in temporal-lobe epilepsy. Lancet Neurology. 1 (3), 173-181 (2002).
- Cohen, I., Navarro, V., Clemenceau, S., Baulac, M., Miles, R. On the origin of interictal activity in human temporal lobe epilepsy in vitro. Science. 298 (5597), 1418-1421 (2002).
- Huberfeld, G., et al. Glutamatergic pre-ictal discharges emerge at the transition to seizure in human epilepsy. Nature Neuroscience. 14 (5), 627-634 (2011).
- Bui, A., Kim, H. K., Maroso, M., Soltesz, I. Microcircuits in Epilepsy: Heterogeneity and Hub Cells in Network Synchronization. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 5 (11), (2015).
- Prince, D. A., Gu, F., Parada, I. Antiepileptogenic repair of excitatory and inhibitory synaptic connectivity after neocortical trauma. Progress in Brain Research. 226, 209-227 (2016).
- Nilsen, K. E., Cock, H. R. Focal treatment for refractory epilepsy: hope for the future. Brain Research: Brain Research Reviews. 44 (2-3), 141-153 (2004).
- Martinkovic, L., Hecimovic, H., Sulc, V., Marecek, R., Marusic, P. Modern techniques of epileptic focus localization. International Review of Neurobiology. 114, 245-278 (2014).
- Nagaraj, V., et al. Future of seizure prediction and intervention: closing the loop. Journal of Clinical Neurophysiology. 32 (3), 194-206 (2015).
- Osman, G. M., Araujo, D. F., Maciel, C. B. Ictal Interictal Continuum Patterns. Current Treatment Options in Neurology. 20 (5), 15 (2018).
- Slezia, A., et al. Uridine release during aminopyridine-induced epilepsy. Neurobiology of Disease. 16 (3), 490-499 (2004).
- Baranyi, A., Feher, O. Convulsive effects of 3-aminopyridine on cortical neurones. Electroencephalography Clinical Neurophysiology. 47 (6), 745-751 (1979).
- Szente, M., Baranyi, A. Mechanism of aminopyridine-induced ictal seizure activity in the cat neocortex. Brain Research. 413 (2), 368-373 (1987).
- Proctor, C. M., et al. Electrophoretic drug delivery for seizure control. Science Advances. 4 (8), eaau1291 (2018).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . Paxinos and Franklin’s the Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates Fourth Edition. , (2012).
- Pinault, D. A new stabilizing craniotomy-duratomy technique for single-cell anatomo-electrophysiological exploration of living intact brain networks. Journal of Neuroscience Methods. 141 (2), 231-242 (2005).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visual Experiments. (65), e3564 (2012).
- Picot, M. C., Baldy-Moulinier, M., Daures, J. P., Dujols, P., Crespel, A. The prevalence of epilepsy and pharmacoresistant epilepsy in adults: a population-based study in a Western European country. Epilepsia. 49 (7), 1230-1238 (2008).
- Pati, S., Alexopoulos, A. V. Pharmacoresistant epilepsy: from pathogenesis to current and emerging therapies. Cleve Clinical Journal of Medicine. 77 (7), 457-467 (2010).
