Eine Pilotstudie zur repetitiven transkraniellen Magnetstimulation von Aβ- und Tau-Spiegeln in der Rhesusaffen-Zerebrospinalflüssigkeit

Summary

Hier beschreiben wir das Verfahren für eine Pilotstudie zur Untersuchung der Wirkung der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation mit unterschiedlichen Frequenzen (1 Hz/20 Hz/40 Hz) auf den Aβ- und Tau-Metabolismus in der Rhesusaffen-Zerebrospinalflüssigkeit.

Abstract

Frühere Studien haben gezeigt, dass ein nicht-invasives Lichtflimmerregime und eine Stimulation des tonenden Tonus den Aβ- und Tau-Stoffwechsel im Gehirn beeinflussen können. Als nicht-invasive Technik wurde die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen eingesetzt. Diese Studie untersuchte die Auswirkungen von rTMS auf die Aβ- und Tau-Spiegel in der Rhesusaffen-Zerebrospinalflüssigkeit (CSF). Dies ist eine einzelblinde, selbstkontrollierte Studie. Drei verschiedene Frequenzen (niederfrequent, 1 Hz; hohe Frequenzen, 20 Hz und 40 Hz) von rTMS wurden verwendet, um den bilateral-dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) des Rhesusaffen zu stimulieren. Eine Katheterisierungsmethode wurde verwendet, um CSF zu sammeln. Alle Proben wurden einer Flüssigchip-Detektion unterzogen, um CSF-Biomarker (_Aβ42, _Aβ42/_Aβ40, tTau, pTau) zu analysieren. Die CSF-Biomarkerspiegel änderten sich mit der Zeit nach der Stimulation durch rTMS. Nach der Stimulation zeigte der _{Aβ42-Spiegel} im Liquor bei allen Frequenzen (1 Hz, 20 Hz und 40 Hz) einen Aufwärtstrend, mit signifikanteren Unterschieden bei den hohen Frequenzen (p < 0,05) als bei der niedrigen Frequenz.

Nach hochfrequentem rTMS stieg der Gesamt-Tau-Spiegel (tTau) des Liquors sofort zum Post-rTMS-Zeitpunkt an (p < 0,05) und nahm allmählich um 24 h ab. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass der Gehalt an phosphoryliertem Tau (pTau) unmittelbar nach 40 Hz rTMS (p < 0,05) anstieg. Das Verhältnis von _Aβ42/_Aβ40 zeigte einen Aufwärtstrend bei 1 Hz und 20 Hz (p < 0,05). Es gab keinen signifikanten Unterschied in den Tau-Spiegeln bei niederfrequenter (1 Hz) Stimulation. So können hohe Frequenzen (20 Hz und 40 Hz) von rTMS positive Auswirkungen auf Aβ- und Tau-Spiegel im Rhesusaffen-CSF haben, während niederfrequentes (1 Hz) rTMS nur Aβ-Spiegel beeinflussen kann.

Introduction

Amyloid-β (Aβ) und Tau sind wichtige CSF-Biomarker. Aβ besteht aus 42 Aminosäuren (_Aβ1-42), die das Produkt des transmembranen Amyloid-Vorläuferproteins (APP) sind, das durch β- und γ-Sekretasen hydrolysiert ^wird1. _Aβ1-42 kann aufgrund seiner Löslichkeitseigenschaften zu extrazellulären Amyloid-Plaques im Gehirn aggregieren1,2. Tau ist ein mikrotubuli-assoziiertes Protein, das hauptsächlich in Axonen vorhanden ist und am anterograden axonalen Transport beteiligt ^ist3. Abnormale Tau-Hyperphosphorylierung wird hauptsächlich durch das Ungleichgewicht zwischen Kinasen und Phosphatasen induziert, was zur Ablösung von Tau aus Mikrotubuli und zur Bildung von neurofibrillären Tangles (NFT)¹ führt. Die Konzentration von Tau steigt im Liquor an, da Tau und phosphorylierte Tau-Proteine (pTau) während des neurodegenerativen Prozesses in den extrazellulären Raum freigesetzt werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass CSF-Biomarker für die drei wichtigsten pathologischen Veränderungen des Gehirns der Alzheimer-Krankheit (AD) relevant sind: extrazelluläre Amyloid-Plaques, intrazelluläre NFT-Bildung und Neuronenverlust4. Abnorme Konzentrationen von Aβ und Tau treten im Frühstadium der AD auf und ermöglichen so eine frühzeitige ^{AD-Diagnose5,6}.

Im Jahr 2016 fanden Tsai et al. heraus, dass nicht-invasives Lichtflackern (40 Hz) die Spiegel von _Aβ1-40 und _Aβ1-42 im visuellen Kortex von Mäusen vor der Ablagerung ^reduzierte7. Kürzlich berichteten sie weiter, dass die stimulation des auditiven Tonus (40 Hz) die Erkennung und das räumliche Gedächtnis verbesserte, die Amyloidproteinspiegel im Hippocampus und im auditorischen Kortex (AC) von 5XFAD-Mäusen reduzierte und die pTau-Konzentrationen im P301S-Tauopathiemodell8 verringerte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass nicht-invasive Techniken den Aβ- und Tau-Metabolismus beeinflussen könnten.

Als nicht-invasives Werkzeug könnte die transkranielle Magnetstimulation (TMS) das Nervengewebe, einschließlich des Rückenmarks, der peripheren Nerven und der Großhirnrinde, elektrisch ^stimulieren9. Darüber hinaus kann es die Erregbarkeit der Großhirnrinde an der stimulierten Stelle und in den funktionellen Verbindungen verändern. Daher wurde TMS bei der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen und prognostischen und diagnostischen Tests eingesetzt. Die häufigste Form der klinischen Intervention bei TMS, rTMS, kann die Kortexaktivierung induzieren, die Erregbarkeit des Kortex modifizieren und die kognitive / motorische Funktion regulieren.

Es wurde berichtet, dass 20 Hz rTMS eine in vitro neuroprotektive Wirkung gegen oxidative Stressoren, einschließlich Glutamat und Aβ, hatte und die Gesamtlebensfähigkeit monoklonaler Hippocampus-HT22-Zellen bei Mäusen ^{verbesserte10}. Nach 1 Hz rTMS-Stimulation waren das β APP-spaltende Enzym 1, APP, und seine C-terminalen Fragmente im Hippocampus erheblich reduziert. Bemerkenswert ist, dass die Beeinträchtigung der Langzeitpotenzierung, des räumlichen Lernens und des Gedächtnisses im Hippocampus CA1 umgekehrt ^wurde11,12. Bai et al. untersuchten die Wirkung von rTMS auf die Aβ-induzierte Gamma-Oszillationsstörung während eines Arbeitsgedächtnistests. Sie kamen zu dem Schluss, dass rTMS die Aβ-induzierte Dysfunktion umkehren könnte, was zu potenziellen Vorteilen für das Arbeitsgedächtnis ^führt13. Es gibt jedoch nur wenige Berichte über die Auswirkungen von rTMS auf den Tau-Metabolismus und die dynamischen Veränderungen von Aβ und Tau im Liquor vor und nach rTMS. Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zur Untersuchung der Auswirkungen von rTMS bei verschiedenen Frequenzen (niederfrequent, 1 Hz; hohe Frequenzen, 20 Hz und 40 Hz) auf Aβ- und Tau-Spiegel im Rhesusaffen-LIQUOR.

Protocol

Alle Experimente wurden nach den Leitlinien für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren durchgeführt, die vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie der Volksrepublik China formuliert wurden, sowie nach den Grundsätzen der Basler Erklärung. Die Genehmigung wurde vom Animal Care Committee des Sichuan University West China Hospital (Chengdu, China) erteilt. Abbildung 1 zeigt das hier verwendete einzelblinde, selbstgesteuerte Studiendesign. 1. rTMS-Ger?…

Representative Results

Die Ergebnisse zeigten, dass rTMS die Aβ- und Tau-Spiegel im Rhesusaffen-CSF beeinflussen könnte. Die CSF-Biomarkerspiegel änderten sich mit der Zeit nach der rTMS-Stimulation bei verschiedenen Frequenzen (1 Hz, 20 Hz und 40 Hz). Aβ42 und Aβ42/Aβ40Wie in Abbildung 4A gezeigt, stiegen die Aβ42-Spiegel nach 1 Hz…

Discussion

_Aβ1-42, ein etablierter Biomarker für AD, ist ein CSF-Kernbiomarker im Zusammenhang mit dem Aβ-Metabolismus und der Amyloid-Plaque-Bildung im Gehirn und wurde in klinischen Studien und in der Klinik weit ^verbreitet26 eingesetzt. Neuere Studien haben gezeigt, dass das CSF-Verhältnis _Aβ42/_Aβ40 ein besserer diagnostischer Biomarker für AD ist als _Aβ42 allein, da es ein besserer Indikator für die Pathologie des AD-Typs ^{ist27,28</su…}

Materials

Anesthesia Puncture Kit for Single Use	Weigao, Shandong, China
CCY-I magnetic field stimulator	YIRUIDE MEDICAL, Wuhan, China
GraphPad Prism version 7.0	GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, USA
Human Amyloid Beta and Tau Magnetic Bead Panel	EMD Millipore Corporation, Billerica, MA 01821 USA		liquid chip detection
MILLIPLEX Analyst 5.1	EMD Millipore Corporation, Billerica, MA 01821 USA
Monkey Chair HH-E-1	Brainsight, Cambridge, MA 02140 USA
Zoletil 50	Virbac, France		zolazepam–tiletamine