Generation og On-Demand indledning af akut Ictal aktivitet i gnaver og menneskeligt væv
Summary
Akutte anfald modeller er vigtige for at studere de underliggende epileptiform begivenheder mekanismer. Desuden giver evnen til at generere epileptiform begivenheder på efterspørgsel en meget effektiv metode til at studere den nøjagtige rækkefølge af begivenheder ligger til grund for deres indledning. Her beskriver vi de akutte 4-aminopyridine kortikale beslaglæggelse modeller etableret i mus og humant væv.
Abstract
Kontrollere anfald forbliver et udfordrende spørgsmål for den medicinske samfund. For at gøre fremskridt, skal forskerne grundigt studere beslaglæggelse dynamics og undersøge dens underliggende mekanismer. Akut anfald modeller er praktisk, giver mulighed for at udføre elektrofysiologiske optagelser og kan generere en stor mængde af electrographic beslaglæggelse-lignende (ictal) begivenheder. De lovende fund fra akutte anfald modeller kan derefter avancerede til kronisk epilepsi modeller og kliniske forsøg. Således vil at studere anfald i akut modeller, der trofast gentage electrographic og dynamiske underskrifter fra et klinisk anfald være afgørende for at gøre klinisk relevante resultater. Studerer ictal begivenheder i akutte anfald modeller fremstillet af humant væv er også vigtige for at gøre resultaterne, der er klinisk relevant. Det vigtigste fokus i dette papir er på den kortikale 4-AP model på grund af sin alsidighed i generere ictal begivenheder i både i vivo og in vitro- undersøgelser, samt i både mus og humant væv. Metoder i dette papir vil også beskrive en alternativ metode til beslaglæggelse induktion ved hjælp af nul-Mg2 + model og giver en detaljeret oversigt over fordelene og begrænsninger af den epileptiform-lignende aktivitet genereret i de forskellige akutte beslaglæggelse modeller. Derudover ved at udnytte kommercielt tilgængelig optogenetic mus stammer, kan en kort (30 ms) lys puls bruges til at udløse hændelsen ictal identiske med dem, der opstår spontant. 30-100 ms pust af neurotransmittere (Gamma-Amino smørsyre eller glutamat) kan ligeledes anvendes til den menneskelige væv til at udløse ictal begivenheder, der er identiske med dem, der opstår spontant. Evnen til at udløse ictal begivenheder på efterspørgslen i akutte anfald modeller tilbyder den nyfundne evne til at observere den nøjagtige rækkefølge af begivenheder, der ligger til grund for beslaglæggelse indledning dynamics og effektivt vurdere potentielle Anti-beslaglæggelse behandlinger.
Introduction
Akutte anfald modeller kan med held reproducere electrographic underskrifter minder om ictal begivenheder observeret i elektroencefalografi (EEG) af individer oplever en beslaglæggelse. Forskere bruger disse ictal-lignende begivenheder (herefter omtalt som ‘ictal events’) som surrogater for beslaglæggelse event1. Klinisk, tjene ictal begivenheder som en pålidelig proxy for beslaglæggelse begivenheder siden anfald er en neurologisk lidelse, der stammer fra hjernen. I den overvågning enhed, epilepsi, neurologer er afhængige af påvisning af ictal begivenheder til at bekræfte hjernens epileptogenic region og isolere det for resektion2. I intensiv afdeling overvåge læger ictal aktivitet at vurdere hvis nogen beslaglæggelse aktivitet fortsætter i bedøvet patienter3. Kontrollere anfald er fortsat for at være en udfordrende spørgsmål for den medicinske samfund, som 30% af epilepsi-patienter er resistente til rådighed medicin4,5, og 10% af medicinske tilfælde der involverer narkotika-induceret anfald er unresponsive til standardbehandling3. Dette udgør en alvorlig bekymring for samfundet, som 10% af den amerikanske befolkning er fast hen til erfaring en beslaglæggelse begivenhed i deres levetid og 3% forventes at udvikle epilepsi6.
At studere anfald i kronisk epilepsi modeller er dyre, besværlige og ofte tager måneder at forberede7. Det er også vanskeligt at udføre elektrofysiologiske optagelser i frit flytte dyr. Humane kliniske forsøg står over for lignende problemer, samt yderligere kompleksiteter relateret til patientens samtykke, variation i deltagernes baggrund, og den moralske og etiske overvejelser involveret8. Akut anfald modeller, på den anden side er positiv, fordi de er relativt nem at forberede, omkostningseffektive og kan skabe store mængder af ictal begivenheder for undersøgelse9. Derudover er vævet fast i en stabil stilling, så betingelserne, der er ideelle til at udføre de elektrofysiologiske optagelser nødvendigt at studere beslaglæggelse dynamik og de tilhørende underliggende patofysiologi. Akutte anfald modeller forblive gunstige forhold i siliciummangan (computer) modeller, fordi de er baseret på biologiske materiale består af hjernens konstituerende neuronal netværk med alle dens iboende faktorer og synaptisk forbindelse, der ikke kan hentes af selv de mest detaljerede computer modeller10. Disse funktioner gør akut anfald modeller klar til at være effektiv ved screening for potentielle Anti-beslaglæggelse behandlinger og foretager foreløbige resultater inden man rykkede dem for yderligere undersøgelse i kronisk epilepsi modeller og kliniske forsøg.
Typisk, akut anfald modeller er afledt af det normale hjernevæv, der har været udsat for hyper-overgearet betingelser. For at fremkalde klinisk relevante ictal begivenheder i raske hjernevæv, er det vigtigt at forstå, at hjernen fungerer optimalt i en kritisk tilstand11 hvor excitation (E) og hæmning, (I) er afbalanceret12. En afbrydelse af E-jeg balance kan føre til hyper-overgearet beslaglæggelse tilstand hvor ictal begivenheder bundfald. I overensstemmelse hermed, inden for denne begrebsmæssige ramme, der er to store strategier til at generere ictal begivenheder i hjernen skiver (in vitro-) eller i hele hjernen (i vivo) præparater: enten faldt hæmning (“disinhibition”) eller øget excitation (“ikke-disinhibition”). Dog ictal begivenheder er meget bestilt og synkroniseret begivenheder, der kræver indflydelse af GABAergic interneurons til at orkestrere neurale netværk aktivitet13,14. Derfor er ikke-disinhibition modeller den mest effektive for generere ictal begivenheder i isolerede neurale netværk, såsom i en in vitro- hjerne skær15, in vitro- disinhibition modeller almindeligt foere til spiking aktivitet minder om interictal-lignende spiking. Desuden inden for denne begrebsmæssige ramme, kan en momentan synkronisering begivenhed også pålideligt udløse en ictal event16. Faktisk kan en ictal begivenhed udløses ved enhver mindre undertrykkelse af netbårne anvendes til neurale system17 , når det er i en kritisk tilstand overgangen (“bifurcation”) punkt18. Traditionelt har blev disse perturbationer fremkaldt af elektrisk stimulation. Den seneste udvikling af optogenetics i neurovidenskab, men tilbyder nu en mere elegant strategi for at fremkalde kritiske tilstand overgange16.
Metoderne beskrevet i denne hvidbog demonstrere hvordan man kan generere ictal begivenheder på efterspørgslen i akutte anfald modeller for både in vitro- (trin 1 i protokol) og i vivo undersøgelser (trin 2 i protokollen). Det drejer sig om valget af område af hjernen, beslaglæggelse induktion metode, undersøgelse type og art; imidlertid vil fokus være på det anbefalede valg af en akut 4-AP kortikale beslaglæggelse model på grund af sin alsidighed i en lang række undersøgelse typer. Akut in vitro- 4-AP beslaglæggelse model er baseret på standard-protokol til at forberede elektrofysiologiske optagelser høj kvalitet hjernen skiver og billedbehandling undersøgelser19. Disse protokoller er allerede blevet brugt til at gøre i vitro koronale hjernen udsnit fra den somatosensoriske-motoriske cortex mus16,20 og mennesker21. Ændringer til at generere ictal begivenheder i disse typer af hjernen skiver har tidligere vist16 og alle detaljer er beskrevet i protokollen under. Akut i vivo 4-AP kortikale beslaglæggelse model er baseret på standard-protokol til at forberede en kraniotomi imaging studier22. Ændringen er, at ingen (glas dias) vinduet er installeret efter kraniotomi. I stedet anvendes proconvulsant agenter (4-AP) topisk til udsatte cortex til at fremkalde ictal begivenheder, mens dyret er under fuld narkose. Til vores viden var vores gruppe først til at udvikle denne akut i vivo kortikale beslaglæggelse model i mus16,23. Den akutte i vivo 4-AP kortikale beslaglæggelse model fremstillet af voksen mus blev udviklet til at supplere den in vitro- skive model fra juvenile væv. Replikering af resultaterne i den voksne i vivo beslaglæggelse model hjælper for at generalisere resultaterne fra Skive modeller ved at løse de iboende bekymringer med hensyn til de ikke-fysiologiske tilstande af en 2D hjernen Skive (versus en 3-D hele-hjerne struktur) og de fysiologiske forskelle mellem unge og voksne væv.
Metoden for on demand ictal begivenhed indledning er påvist ved hjælp af enten pust af neurotransmittere med en picospritzer eller optogenetic strategier. Til bedste af vores viden er vores gruppe først til at indlede ictal begivenheder i humant væv ved hjælp af neurotransmittere via en picospritzer16. For optogenetic strategier er C57BL/6 mus stamme den konventionelle stamme, der bruges til at udtrykke transgener. Udtryk for channelrhodopsin-2 (ChR2) i enten GABAergic interneurons eller glutamatergic pyramideformet celler vil give den valgfri evnen til at generere ictal begivenheder on-demand med korte lyspulser. Egnet optogenetic mus stammer omfatter de kommercielt tilgængelige C57BL/6 variant, der udtrykker ChR2 i enten interneurons, ved hjælp af musen vesikulære GABA transporter promotor (VGAT)24, eller pyramideformet celler, ved hjælp af musen thymus celle antigen 1 promotor (Thy1)25. Disse fås VGAT-ChR2 og Thy1-ChR2 mus tilbyder mulighed for at aktivere GABAergic neuroner eller glutamatergic neuroner, henholdsvis i neocortex med blå (470 nm) lys. Evnen til at generere ictal begivenheder på efterspørgslen i akutte anfald modeller kan tilbyde nye muligheder for at studere beslaglæggelse indledning dynamics og effektivt vurdere potentielle Anti-beslaglæggelse behandlinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hjernen skiver er behandlet med et proconvulsant lægemiddel eller en ændret ACSF perfusate til at øge det neurale netværk ophidselse og fremme en udfældning af ictal begivenheder (electrographic beslaglæggelse-lignende begivenheder). For mus, bør foretrukne koronale skiver af området somatosensoriske-motor indeholde cingulate cortex, område 2 (CG), men ikke retrosplenial området (RS); disse anatomiske markører hjælpe med at identificere rækken af koronale skiver, der er bedst for inducerende ictal begivenhed…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af canadiske institutter for sundhedsforskning (MOP 119603 Peter L. Carlén og Taufik A. Valiante), Ontario Brain-instituttet (til Taufik A. Valiante) og Mightex studerende forskning tilskud (til Michael Chang). Vi vil gerne takke Liam Long for sin bistand i filme video håndskriftet. Vi vil gerne anerkende Paria Baharikhoob, Abeeshan Selvabaskaran og Shadini Dematagoda for deres hjælp i udarbejdelsen af de figurer og tabeller i dette håndskrift. Tal 1A, 3A, 4A, og 6A er alle originale figurer lavet af data offentliggjort i 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).
