Inducción y evaluación de discinesias inducidas por levodopa en un modelo de rata de la enfermedad de Parkinson
Summary
Este artículo describe métodos para inducir y evaluar discinesias inducidas por levodopa en un modelo de rata de la enfermedad de Parkinson. El protocolo ofrece información detallada sobre la intensidad y la frecuencia de una variedad de comportamientos discinéticos, tanto distónicos como hipercinéticos, proporcionando una herramienta confiable para probar tratamientos dirigidos a esta necesidad médica no satisfecha.
Abstract
La levodopa (L-DOPA) sigue siendo la terapia estándar de oro utilizada para tratar los síntomas motores de la enfermedad de Parkinson (EP). Sin embargo, los movimientos involuntarios no deseados conocidos como discinesias inducidas por L-DOPA (LID) se desarrollan con el uso prolongado de este precursor de dopamina. Se estima que la incidencia de LID aumenta a aproximadamente el 90% de los individuos con EP dentro de los 10-15 años posteriores al tratamiento. Comprender los mecanismos de esta enfermedad y desarrollar tratamientos antidiscinesia novedosos y efectivos requiere un modelado consistente y preciso para las pruebas preclínicas de intervenciones terapéuticas. Aquí se presenta un método detallado para la inducción confiable y la calificación integral de los LID después de la lesión nigral inducida por 6-OHDA en un modelo de rata de EP. La evaluación confiable de LID en ratas proporciona una herramienta poderosa que se puede utilizar fácilmente en todos los laboratorios para probar terapias emergentes centradas en reducir o eliminar esta carga común inducida por el tratamiento para las personas con EP.
Introduction
Aunque han pasado más de 50 años desde que la levodopa (L-DOPA) se introdujo por primera vez como tratamiento para individuos con EP 1,2, sigue siendo la terapia más efectiva para los síntomas motores parkinsonianos. Los síntomas motores clínicos asociados con la EP provienen de la pérdida de neuronas dopaminérgicas (DA) en la sustancia negra (SN) pars compacta, lo que resulta en la disminución dramática de la dopamina disponible en el cuerpo estriado. L-DOPA restaura eficazmente los niveles de DA estriatal, lo que resulta en un beneficio motor temprano en la enfermedad 3,4. Inoportunamente, con el tratamiento a largo plazo, la mayoría de las personas con EP desarrollarán discinesias inducidas por L-DOPA (LID), incluyendo corea, distonía y atetosis, que a menudo afectan significativamente las actividades de la vida diaria 5,6,7.
Si bien existen varios modelos conductuales de LID en roedores, las diferencias en el modelado y la evaluación del comportamiento de los LID han puesto en duda la reproducibilidad de los resultados entre laboratorios, así como la confiabilidad de estas herramientas experimentales para la investigación preclínica de la EP. Desarrollado en asociación con un especialista en trastornos clínicos del movimiento8, el protocolo actual es un método sencillo para la inducción y calificación de LID y es apropiado para su uso en un modelo de rata de EP que utiliza lesiones nigrales unilaterales inducidas por 6-hidroxidopamina (6-OHDA) 9,10. La escala de calificación LID proporcionada aquí incluye la puntuación tanto para la intensidad como para la frecuencia del comportamiento discinético en varias partes individuales del cuerpo. También se proporciona información pertinente sobre la optimización del flujo de trabajo de los experimentos y el cuidado y manejo adecuados de los animales parkinsonianos y discinéticos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aquí se presentan detalles para la inducción reproducible y la calificación de LID en un modelo de rata parkinsoniana después de la lesión unilateral de 6-OHDA del sistema DA nigrostriatal. Si bien una vez se pensó que los roedores no desarrollaron LID y que la asimetría rotacional puede ser el análogo de LID en ratas31, los modelos de ratas y ratones se han caracterizado en las últimas dos décadas y son una herramienta bien aceptada para la investigación de LID 15,32,33,34.<sup class="…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Queremos reconocer las luchas de todas las personas con enfermedad de Parkinson y la fuerza y resiliencia que muestran todos los días, especialmente el amado padre de KSC, Mark Steece. El trabajo representado aquí fue apoyado por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (NS090107, NS110398) y el Programa Internacional de Subvenciones de Investigación de la Fundación de la Enfermedad de Parkinson, ahora la Fundación de Parkinson. También nos gustaría agradecer a Molly VanderWerp por su excelente asistencia editorial.
Materials
| 100 Minutes Digital Timer | Staples | 1111764 | |
| Compass CX Compact Scale | Ohaus | 30428202 | |
| 5-(2-aminoethyl)-1,2,4-benzenetriol, monohydrobromide | Cayman Chemicals | 25330 | 6-OHDA is a catecholaminergic neurotoxin that is used to induce dopaminergic lesions and parkinsonian symptoms in rodents. |
| Allentown cages | Allentown, LLC | Rat900 | Allentown cages provide the ability to view the rats from all sides. |
| BD Allergist Trays with Permanently Attached Needle | BD | BD 305540 | For subcutaneous L-DOPA injections |
| Benserazide hydrochloride | Sigma-Aldrich | B7283 | Benserazide is a peripheral decarboxylase inhibitor used with L-DOPA to to induce dyskinesia in rodent models of PD. |
| Glass amber scintillation vials | Thermo Scientific | B7921 | Used for storage of L-DOPA/benserazide at -20 °C until mixed with sterile saline. |
| L-3,4-Dihydroxyphenylalanine methyl ester hydrochloride | Sigma-Aldrich | D1507 | L-3,4-Dihydroxyphenylalanine methyl ester is a precursor to L-DOPA that crosses the blood-brain barrierand use to treat parkinsonian symptoms in rodents. |
| Paper Mate Sharpwriter Mechanical Pencils | Staples | 107250 | |
| Rodent nutritionally complete enrichment treats | Bio-Serv | F05478 | |
| Round Ice Bucket with Lid, 2.5 L | Corning | 432129 | |
| Standard Plastic Clipboard | Staples | 1227770 | |
| Steel wired 6' long movable shelving units | Uline | H9488 | Width/Height can be adjusted to need/number of rats per experiment |
| Sterile Saline 0.9% | Covidien/Argyle | 1020 | For mixing with L-DOPA/benserazide prior to subcutaneous injections. |
References
- Cotzias, G. C., Papavasiliou, P. S., Gellene, R. L-dopa in parkinson’s syndrome. New England Journal of Medicine. 281, 272 (1969).
- Yahr, M. D., Duvoisin, R. C., Schear, M. J., Barrett, R. E., Hoehn, M. M. Treatment of parkinsonism with levodopa. Archives of Neurology. 21 (4), 343-354 (1969).
- Bastide, M. F., et al. Pathophysiology of L-dopa-induced motor and non-motor complications in Parkinson’s disease. Progress in Neurobiology. 132, 96-168 (2015).
- Sellnow, R. C., et al. Regulation of dopamine neurotransmission from serotonergic neurons by ectopic expression of the dopamine D2 autoreceptor blocks levodopa-induced dyskinesia. Acta Neuropathologica Communications. 7 (1), 8 (2019).
- Bastide, M. F., Bezard, E. L-dopa induced dyskinesia in Parkinson’s disease]. Bulletin de l’Académie Nationale de Médecine. 199 (2-3), 201-212 (2015).
- Hauser, R. A., et al. ADS-5102 (Amantadine) extended-release capsules for levodopa-induced dyskinesia in Parkinson’s Disease (EASE LID 2 study): Interim results of an open-label safety study. Journal of Parkinson’s Disease. 7 (3), 511-522 (2017).
- Huot, P., Johnston, T. H., Koprich, J. B., Fox, S. H., Brotchie, J. M. The pharmacology of L-DOPA-induced dyskinesia in Parkinson’s disease. Pharmacological Reviews. 65 (1), 171-222 (2013).
- Steece-Collier, K., et al. Embryonic mesencephalic grafts increase levodopa-induced forelimb hyperkinesia in parkinsonian rats. Movement Disorders. 18 (12), 1442-1454 (2003).
- Thiele, S. L., Warre, R., Nash, J. E. Development of a unilaterally-lesioned 6-OHDA mouse model of Parkinson’s disease. Journal of Visualized Experiments. (60), e3234 (2012).
- Simola, N., Morelli, M., Carta, A. R. The 6-hydroxydopamine model of Parkinson’s disease. Neurotoxicity Research. 11 (3-4), 151-167 (2007).
- Borlongan, C. V., Hida, H., Nishino, H. Early assessment of motor dysfunctions aids in successful occlusion of the middle cerebral artery. Neuroreport. 9 (16), 3615-3621 (1998).
- Fleming, S. M. Behavioral outcome measures for the assessment of sensorimotor function in animal models of movement disorders. International Review of Neurobiology. 89, 57-65 (2009).
- Borlongan, C. V., Sanberg, P. R. Elevated body swing test: a new behavioral parameter for rats with 6-hydroxydopamine-induced hemiparkinsonism. Journal of Neuroscience. 15 (7), 5372-5378 (1995).
- Chang, J. W., Wachtel, S. R., Young, D., Kang, U. J. Biochemical and anatomical characterization of forepaw adjusting steps in rat models of Parkinson’s disease: studies on medial forebrain bundle and striatal lesions. Neurosciences. 88 (2), 617-628 (1999).
- Lundblad, M., et al. Pharmacological validation of behavioural measures of akinesia and dyskinesia in a rat model of Parkinson’s disease. European Journal of Neuroscience. 15 (1), 120-132 (2002).
- Olsson, M., Nikkhah, G., Bentlage, C., Bjorklund, A. Forelimb akinesia in the rat Parkinson model: differential effects of dopamine agonists and nigral transplants as assessed by a new stepping test. Journal of Neuroscience. 15 (5), 3863-3875 (1995).
- Monville, C., Torres, E. M., Dunnett, S. B. Comparison of incremental and accelerating protocols of the rotarod test for the assessment of motor deficits in the 6-OHDA model. Journal of Neuroscience Methods. 158 (2), 219-223 (2006).
- Steece-Collier, K., et al. Striatal Nurr1, but not FosB expression links a levodopa-induced dyskinesia phenotype to genotype in Fisher 344 vs. Lewis hemiparkinsonian rats. Experimental Neurology. 330, 113327 (2020).
- Steece-Collier, K., et al. Genetic silencing of striatal CaV1.3 prevents and ameliorates levodopa dyskinesia. Movement Disorders. 34 (5), 697-707 (2019).
- Tayarani-Binazir, K. A., Jackson, M. J., Strang, I., Jairaj, M., Rose, S., Jenner, P. Benserazide dosing regimen affects the response to L-3,4-dihydroxyphenylalanine in the 6-hydroxydopamine-lesioned rat. Behavioral Pharmacology. 23 (2), 126-133 (2012).
- Lindgren, H. S., Rylander, D., Ohlin, K. E., Lundblad, M., Cenci, M. A. The “motor complication syndrome” in rats with 6-OHDA lesions treated chronically with L-DOPA: relation to dose and route of administration. Behavioural Brain Research. 177 (1), 150-159 (2007).
- Suckow, M. A., Stevens, K. A., Wilson, R. P. . American College of Laboratory Animal Medicine series xvii. , 1268 (2012).
- Zhou, Y. Z., Alany, R. G., Chuang, V., Wen, J. Studies of the Rate Constant of l-DOPA Oxidation and Decarboxylation by HPLC. Chromatographia. 75, 597-606 (2012).
- Stroomer, A. E., Overmars, H., Abeling, N. G., van Gennip, A. H. Simultaneous determination of acidic 3,4-dihydroxyphenylalanine metabolites and 5-hydroxyindole-3-acetic acid in urine by high-performance liquid chromatography. Clinical Chemistry. 36 (10), 1834-1837 (1990).
- . PubChem Compound Summary for CID 6047, Levodopa Available from: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Levodopa (2021)
- Merck. . The Merck Index 13th edn. , (2021).
- Ortner, N. J., et al. Lower affinity of isradipine for L-Type Ca(2+) channels during substantia nigra dopamine neuron-like activity: Implications for neuroprotection in Parkinson’s Disease. Journal of Neuroscience. 37 (228), 6761-6777 (2017).
- Hazra, A., Gogtay, N. Biostatistics series module 3: Comparing groups: Numerical variables. Indian Journal of Dermatology. 61 (3), 251-260 (2016).
- Mishra, P., Pandey, C. M., Singh, U., Keshri, A., Sabaretnam, M. Selection of appropriate statistical methods for data analysis. Annals of Cardiac Anaesthesia. 22 (3), 297-301 (2019).
- Divito, C. B., et al. Loss of VGLUT3 produces circadian-dependent hyperdopaminergia and ameliorates motor dysfunction and l-Dopa-Mediated dyskinesias in a model of Parkinson’s Disease. Journal of Neuroscience. 35 (45), 14983-14999 (2015).
- Henry, B., Crossman, A. R., Brotchie, J. M. Characterization of enhanced behavioral responses to L-DOPA following repeated administration in the 6-hydroxydopamine-lesioned rat model of Parkinson’s disease. Experimental Neurology. 151 (2), 334-342 (1998).
- Andersson, M., Hilbertson, A., Cenci, M. A. Striatal fosB expression is causally linked with l-DOPA-induced abnormal involuntary movements and the associated upregulation of striatal prodynorphin mRNA in a rat model of Parkinson’s disease. Neurobiology of Disease. 6 (6), 461-474 (1999).
- Cenci, M. A., Lee, C. S., Bjorklund, A. L-DOPA-induced dyskinesia in the rat is associated with striatal overexpression of prodynorphin- and glutamic acid decarboxylase mRNA. European Journal of Neuroscience. 10 (8), 2694-2706 (1998).
- Dekundy, A., Lundblad, M., Danysz, W., Cenci, M. A. Modulation of L-DOPA-induced abnormal involuntary movements by clinically tested compounds: further validation of the rat dyskinesia model. Behavioural Brain Research. 179 (1), 76-89 (2007).
- Collier, T. J., et al. Interrogating the aged striatum: robust survival of grafted dopamine neurons in aging rats produces inferior behavioral recovery and evidence of impaired integration. Neurobiology of Disease. 77, 191-203 (2015).
- Maries, E., et al. Focal not widespread grafts induce novel dyskinetic behavior in parkinsonian rats. Neurobiology of Disease. 21 (1), 165-180 (2006).
- Mercado, N. M., et al. The BDNF Val66Met polymorphism (rs6265) enhances dopamine neuron graft efficacy and side-effect liability in rs6265 knock-in rats. Neurobiology of Disease. 148, 105175 (2021).
- Cenci, M. A., Crossman, A. R. Animal models of l-dopa-induced dyskinesia in Parkinson’s disease. Movement Disorders. 33 (6), 889-899 (2018).
- Lindenbach, D. Behavioral and cellular modulation of L-DOPA-induced dyskinesia by beta-adrenoceptor blockade in the 6-hydroxydopamine-lesioned rat. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 337 (3), 755-765 (2011).
- Petzinger, G. M. Reliability and validity of a new global dyskinesia rating scale in the MPTP-lesioned non-human primate. Movement Disorders. 16 (2), 202-207 (2001).
- Fox, S. H., Johnston, T. H., Li, Q., Brotchie, J., Bezard, E. A critique of available scales and presentation of the Non-Human Primate Dyskinesia Rating Scale. Movement Disorders. 27 (11), 1373-1378 (2012).
- Cenci, M. A., Ohlin, K. E. Rodent models of treatment-induced motor complications in Parkinson’s disease. Parkinsonism & Related Disorders. 15, 13-17 (2009).
- Cenci, M. A., Whishaw, I. Q., Schallert, T. Animal models of neurological deficits: how relevant is the rat. Nature Reviews: Neuroscience. 3 (7), 574-579 (2002).
- Zhang, Y., et al. Aberrant restoration of spines and their synapses in L-DOPA-induced dyskinesia: involvement of corticostriatal but not thalamostriatal synapses. Journal of Neuroscience. 33 (28), 11655-11667 (2013).
- Konradi, C., et al. Transcriptome analysis in a rat model of L-DOPA-induced dyskinesia. Neurobiology of Disease. 17 (2), 219-236 (2004).
- Morin, N., Jourdain, V. A., Di Paolo, T. Modeling dyskinesia in animal models of Parkinson disease. Experimental Neurology. 256, 105-116 (2014).
- Cenci, M. A., Riggare, S., Pahwa, R., Eidelberg, D., Hauser, R. A. Dyskinesia matters. Movement Disorders. 35 (3), 392-396 (2020).
