Dynamisk sanntidssamling av hippocampus ekstracellulær væske fra bevisste rotter ved hjelp av et mikrodialysesystem
Summary
Protokollen her gir en detaljert sanntids dynamisk prøvetaking av ekstracellulær væske fra hippocampus hos våkne rotter ved hjelp av et mikrodialysesystem.
Abstract
En rekke sykdommer i sentralnervesystemet (CNS) er forbundet med endringer i sammensetningen av hippocampus ekstracellulær væske (HECF). Imidlertid har vanskeligheter med å skaffe HECF i sanntid fra bevisste rotter lenge begrenset evalueringen av CNS-sykdomsprogresjon og effektiviteten av etnomedisinbehandling. Oppmuntrende kan en hjernemikrodialyseteknikk brukes til kontinuerlig prøvetaking med fordelene ved dynamisk observasjon, kvantitativ analyse og en liten prøvetakingsstørrelse. Dette tillater overvåking av endringer i det ekstracellulære væskeinnholdet for forbindelser fra tradisjonelle urter og deres metabolitter i hjernen til levende dyr. Målet med denne studien var derfor å nøyaktig implantere en cerebrospinalvæskemikrodialysesonde i hippocampus-regionen hos Sprague Dawley (SD) rotter med et tredimensjonalt hjernestereotaktisk apparat, og kutte av molekylvekter større enn 20 kDa. HECF av høy kvalitet ble deretter oppnådd fra bevisste rotter ved hjelp av et mikrodialyseprøvetakingskontrollsystem med en justerbar prøvetakingshastighet fra 2,87 nL / min – 2,98 ml / min. Avslutningsvis gir protokollen vår en effektiv, rask og dynamisk metode for å oppnå HECF hos våkne rotter ved hjelp av mikrodialyseteknologi, noe som gir oss ubegrensede muligheter til å utforske patogenesen til CNS-relaterte sykdommer og evaluere legemiddeleffektiviteten.
Introduction
Sykdommer i sentralnervesystemet (CNS) med høy sykelighet, som nevrodegenerativ sykdom, traumatisk hjerneskade, hypoksiindusert hjerneskade i stor høyde og iskemisk hjerneslag, er viktige årsaker til den økende dødeligheten over hele verden 1,2,3. Sanntidsovervåking av cytokiner og proteinendringer i spesifikke hjernegrupper bidrar til diagnostisk nøyaktighet av CNS-sykdommer og hjernefarmakokinetiske studier etter medisinering. Tradisjonell vitenskapelig forskning bruker hjernevevshomogenat eller en manuell samling av interstitiell hjernevæske fra dyr for påvisning av spesifikke stoffer og for farmakokinetiske studier. Dette har imidlertid noen mangler, for eksempel en begrenset prøvestørrelse, manglende evne til dynamisk å observere endringene i indikatorer og ujevn prøvetakingskvalitet 4,5,6. Cerebrospinalvæske, en interstitiell væske, beskytter hjernen og ryggmargen mot mekanisk skade. Dens sammensetning er forskjellig fra serumet på grunn av eksistensen av blod-hjernebarrieren (BBB)7. Direkte analyse av cerebrospinalvæskeprøver bidrar mer til å avsløre mekanismen for CNS-lesjoner og legemiddeloppdagelse. Uunngåelig har cerebrospinalvæskeprøvene, manuelt oppnådd direkte fra cisterna magna og cerebrale ventrikler gjennom en sprøyte, ulemper med blodforurensning, en tilfeldig sjanse for prøveinnsamling, usikkerhet i mengde og nesten ingen mulighet for flere uthenting 8,9. Mer spesielt, konvensjonelle interstitielle hjernevæskeprøvetakingsmetoder kan ikke oppnå prøver fra skadede hjernegrupper, noe som hindrer utforskningen av patogenesen av CNS-sykdommer i spesifikke hjernegrupper og effektevalueringen av målrettede etnomedisinbehandlinger 9,10.
Hjernemikrodialyse er en teknikk for prøvetaking av interstitiell hjernevæske hos våkne dyr11. Mikrodialysesystemet imiterer vaskulær permeabilitet ved hjelp av en sonde implantert i hjernen. Mikrodialysesonden er bevæpnet med en semi-permeabel membran og er implantert i bestemte hjernegrupper. Etter perfusjon med isotonisk kunstig cerebrospinalvæske (ACSF), kan den dialyserte interstitielle hjernevæsken gunstig samles med fordelene med små prøvestørrelser, kontinuerlig prøvetaking og dynamisk observasjon12,13. Når det gjelder plassering, kan hjernemikrodialyseprober selektivt implanteres i hjernestrukturer eller kraniale cisterner av interesse14. En observasjon av unormale nivåer av et endogent stoff i hippocampus ekstracellulær væske (HECF) antyder forekomsten av CNS-sykdommer eller patogenesen av sykdom. Flere studier har vist at biomarkørene for CNS-sykdommer, som D-aminosyrer ved schizofreni, β-amyloid- og tau-proteiner ved Alzheimers sykdom, nevrofilament-lettkjeder ved traumatisk hjerneskade og ubiquitin karboksyterminal hydrolase L1 ved hypoksisk iskemi encefalopati, kan analyseres i cerebrospinalvæske15,16,17 . En kjemisk analysemetode basert på hjernens mikrodialyseprøvetakingsteknikk kan brukes til å overvåke dynamiske endringer av eksogene forbindelser som aktive ingredienser i etnomedisin, som diffunderer og distribuerer i bestemte hjernegrupper14.
Denne artikkelen presenterer den spesifikke prosessen med dynamisk HECF-oppkjøp i våkne rotter og måler dets osmotiske trykk for å sikre prøvekvalitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Patogenesen av CNS-sykdommer er fortsatt ikke fullt ut forstått, noe som hindrer utviklingen av nye terapier og rusmidler. Studier har vist at de fleste CNS-sykdommer er nært beslektet med hippocampus-lesjoner20,21,22. Den foreslåtte hjernens mikrodialyseteknikk kan målrette mot bestemte regioner i hjernen, spesielt hippocampus, noe som gjør at den skiller seg ut fra den tradisjonelle tilnærmingen til å samle HECF. Sonder…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (82104533), Science & Technology Department of Sichuan Province (2021YJ0175) og China Postdoctoral Science Foundation (2020M683273). Forfatterne vil gjerne takke Mr. Yuncheng Hong, senior utstyrsingeniør ved Tri-Angels D &H Trading Pte. Ltd. (Singapore) for å tilby tekniske tjenester for mikrodialyseteknikken.
Materials
| Air-drying oven | Suzhou Great Electronic Equipment Co., Ltd | GHG-9240A | |
| Animal anesthesia system | Rayward Life Technology Co., Ltd | R500IE | |
| Animal temperature maintainer | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| Artificial cerebrospinal fluid | Beijing leagene biotech. Co., Ltd | CZ0522 | |
| Brain microdialysis probe | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Catheter | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Covance infusion harness | Instech Laboratories, Inc. | CIH95 | |
| Denture base resins | Shanghai Eryi Zhang Jiang Biomaterials Co., Ltd | 190732 | |
| Electric cranial drill | Rayward Life Technology Co., Ltd | 78001 | |
| Electric shaver | Rayward Life Technology Co., Ltd | CP-5200 | |
| Free movement tank for animals | CMA Microdialysis AB | CMA120 | |
| Heparin sodium injection | Chengdu Haitong Pharmaceutical Co., Ltd | H51021208 | |
| Iodophor | Sichuan Lekang Pharmaceutical Accessories Co., Ltd | 202201 | |
| Isofluran | Rayward Life Technology Co., Ltd | R510-22 | |
| Microdialysis catheter stylet | CMA Microdialysis AB | 8011205 | |
| Microdialysis collection tube | CMA Microdialysis AB | 7431100 | |
| Microdialysis collector | CMA Microdialysis AB | CMA4004 | |
| Microdialysis fep tubing | CMA Microdialysis AB | 3409501 | |
| Microdialysis in vitro stand | CMA Microdialysis AB | CMA130 | |
| Microdialysis microinjection pump | CMA Microdialysis AB | 788130 | |
| Microdialysis syringe (1.0 mL) | CMA Microdialysis AB | 8309020 | |
| Microdialysis tubing adapter | CMA Microdialysis AB | 3409500 | |
| Non-absorbable surgical sutures | Shanghai Tianqing Biological Materials Co., Ltd | S19004 | |
| Ophthalmic forceps | Rayward Life Technology Co., Ltd | F12016-15 | |
| Osmometer | Löser | OM 807 | |
| Sodium hyaluronate eye drops | URSAPHARM Arzneimittel GmbH | H20150150 | |
| Stereotaxie apparatus | Rayward Life Technology Co., Ltd | 68025 | |
| Surgical scissors | Rayward Life Technology Co., Ltd | S14014-15 | |
| Surgical scissors | Shanghai Bingyu Fluid technology Co., Ltd | BY-103 | |
| Syringe needle | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Trypsin solution | Boster Biological Technology, Ltd. |
PYG0107 | |
| Ultrasonic cleaner | Guangdong Goote Ultrasonic Co., Ltd | KMH1-240W8101 |
Riferimenti
- Erkkinen, M. G., Kim, M. O., Geschwind, M. D. Clinical neurology and epidemiology of the major neurodegenerative diseases. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 10 (4), 033118 (2018).
- Salehi, A., Zhang, J. H., Obenaus, A. Response of the cerebral vasculature following traumatic brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (7), 2320-2339 (2017).
- Kurtzman, R. A. e. m. 3., Caruso, J. L. High-altitude illness death investigation. Academic Forensic Pathology. 8 (1), 83-97 (2018).
- Matsumoto, T., et al. Pharmacokinetic study of Ninjin’yoeito: Absorption and brain distribution of Ninjin’yoeito ingredients in mice. Journal of Ethnopharmacology. 279, 114332 (2021).
- Mahat, M. Y., et al. An improved method of transcutaneous cisterna magna puncture for cerebrospinal fluid sampling in rats. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 272-279 (2012).
- Ceaglio, N., et al. High performance collection of cerebrospinal fluid in rats: evaluation of erythropoietin penetration after osmotic opening of the blood-brain barrier. Journal of Neuroscience Methods. 219 (1), 70-75 (2013).
- Bothwell, S. W., Janigro, D., Patabendige, A. Cerebrospinal fluid dynamics and intracranial pressure elevation in neurological diseases. Fluids and Barriers of the CNS. 16 (1), 9 (2019).
- Barthel, L., et al. A step-by-step guide for microsurgical collection of uncontaminated cerebrospinal fluid from rat cisterna magna. Journal of Neuroscience Methods. 352, 109085 (2021).
- Zhao, Y., Yang, Y., Wang, D. X., Wang, J., Gao, W. Y. Cerebrospinal fluid amino acid metabolite signatures of diabetic cognitive dysfunction based on targeted mass spectrometry. Journal of Alzheimer’s Disease. 86 (4), 1655-1665 (2022).
- Lim, N. K., et al. An improved method for collection of cerebrospinal fluid from anesthetized mice. Journal of Visualized Experiments. (133), e56774 (2018).
- Hendrickx, S., et al. A sensitive capillary LC-UV method for the simultaneous analysis of olanzapine, chlorpromazine and their FMO-mediated N-oxidation products in brain microdialysates. Talanta. 162, 268-277 (2017).
- Chefer, V. I., Thompson, A. C., Zapata, A., Shippenberg, T. S. Overview of brain microdialysis. Current Protocols in Neuroscience. , (2009).
- Hammarlund-Udenaes, M. Microdialysis as an important technique in systems pharmacology-a historical and methodological review. The AAPS Journal. 19 (5), 1294-1303 (2017).
- Anderzhanova, E., Wotjak, C. T. Brain microdialysis and its applications in experimental neurochemistry. Cell and Tissue Research. 354 (1), 27-39 (2013).
- Mohammadi, A., Rashidi, E., Amooeian, V. G. Brain, blood, cerebrospinal fluid, and serum biomarkers in schizophrenia. Psychiatry Research. 265, 25-38 (2018).
- Lashley, T., et al. Molecular biomarkers of Alzheimer’s disease: progress and prospects. Disease Models & Mechanisms. 11 (5), 031781 (2018).
- Kawata, K., Tierney, R., Langford, D. Blood and cerebrospinal fluid biomarkers. Handbook of Clinical Neurology. 158, 217-233 (2018).
- Zhao, Q. P., et al. Protective effects of dehydrocostuslactone on rat hippocampal slice injury induced by oxygen-glucose deprivation/reoxygenation. International Journal of Molecular Medicine. 42 (2), 1190-1198 (2018).
- Wang, X. B. . Protective effects of dehydrocostuslactone on oxygen-glucose deprivation injury in rat hippocampal slices. , (2017).
- Coimbra-Costa, D., Alva, N., Duran, M., Carbonell, T., Rama, R. Oxidative stress and apoptosis after acute respiratory hypoxia and reoxygenation in rat brain. Redox Biology. 12, 216-225 (2017).
- Liu, H. Y., Chou, K. H., Chen, W. T. Migraine and the Hippocampus. Current Pain and Headache Reports. 22 (2), 13 (2018).
- Toda, T., Parylak, S. L., Linker, S. B., Gage, F. H. The role of adult hippocampal neurogenesis in brain health and disease. Molecular Psychiatry. 24 (1), 67-87 (2019).
- Wang, P., Lo Cascio, F., Gao, J., Kayed, R., Huang, X. F., F, X. Binding and neurotoxicity mitigation of toxic tau oligomers by synthetic heparin like oligosaccharides. Chemical Communications. 54 (72), 10120-10123 (2018).
- Han, J. Y., Li, Q., Ma, Z. Z., Fan, J. Y. Effects and mechanisms of compound Chinese medicine and major ingredients on microcirculatory dysfunction and organ injury induced by ischemia/reperfusion. Pharmacology & Therapeutics. 177, 146-173 (2017).
- Peng, T. M., et al. Anti-inflammatory effects of traditional Chinese medicines on preclinical in vivo models of brain ischemia-reperfusion-injury: Prospects for neuroprotective drug discovery and therapy. Frontiers in Pharmacology. 10, 204 (2019).
- König, M., Thinnes, A., Klein, J. Microdialysis and its use in behavioural studies: Focus on acetylcholine. Journal of Neuroscience Methods. 300, 206-215 (2018).
- Liu, M. Z., Wang, P., Yu, X. M., Dong, G. C., Yue, J. Intracerebral microdialysis coupled to LC-MS/MS for the determination tramadol and its major pharmacologically active metabolite O-desmethyltramadol in rat brain microdialysates. Drug Testing and Analysis. 9 (8), 1243-1250 (2017).
- de Lima Oliveira, M., et al. Cerebral microdialysis in traumatic brain injury and subarachnoid hemorrhage: state of the art. Neurocritical Care. 21 (1), 152-162 (2014).
- Amiridze, N., Dang, Y., Brown, O. R. Hydroxyl radicals detected via brain microdialysis in rats breathing air and during hyperbaric oxygen convulsions. Redox Report. 4 (4), 165-170 (1999).
- Chang, H. Y., Morrow, K., Bonacquisti, E., Zhang, W., Shah, D. K. Antibody pharmacokinetics in rat brain determined using microdialysis. MABS. 10 (6), 843-853 (2018).
- Wan, H. Y., et al. Pharmacokinetics of seven major active components of Mahuang decoction in rat blood and brain by LC-MS/MS coupled to microdialysis sampling. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 393 (8), 1559-1571 (2020).
- Zheng, H. Z., et al. Pharmacokinetic analysis of Huangqi Guizhi Wuwu decoction on blood and brain tissue in rats with normal and cerebral ischemia-reperfusion Injury by microdialysis with HPLC-MS/MS. Drug Design Development and Therapy. 14, 2877-2888 (2020).
- Bongaerts, J., et al. Sensitive targeted methods for brain metabolomic studies in microdialysis samples. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 161, 192-205 (2018).
- Zhang, Y. Q., Jiang, N., Yetisen, A. K. Brain neurochemical monitoring. Biosensors and Bioelectronics. 189, 113351 (2021).
