En protokol til transkranial Photobiomodulation terapi i mus
Summary
Photobiomodulation terapi er en innovativ noninvasive modalitet til behandling af en lang række neurologiske og psykiatriske lidelser og kan også forbedre sund hjernefunktion. Denne protokol indeholder en trinvis vejledning til udførelse af hjernen photobiomodulation i mus af transkranial lys levering, der kan tilpasses til brug i andre laboratoriet gnavere.
Abstract
Transkranial photobiomodulation er en potentiel innovative noninvasive terapeutisk tilgang for at forbedre hjerne bioenergetik, hjernefunktion i en bred vifte af neurologiske og psykiatriske lidelser, og hukommelse ekstraudstyr i aldersrelaterede kognitive tilbagegang og neurodegenerative sygdomme. Vi beskriver et laboratorium protokol for transkranial photobiomodulation terapi (PBMT) i mus. Alderen BALB/c mus (18 måneder) er behandlet med en 660 nm laser transcranially, én gang dagligt i 2 uger. Laser transmittans data viser, at ca. 1% af det indfaldende rød lys på hovedbunden når en 1 mm dybde fra den kortikale overflade, gennemtrængende dorsale hippocampus. Behandlingsresultater er vurderet af to metoder: en Barnes labyrint-test, som er en hippocampus-afhængige rumlige indlæring og hukommelse opgaven vurderingen, og måle hippocampus ATP niveauer, der anvendes som en bioenergetik indeks. Resultaterne fra Barnes opgave viser en forbedring af den fysiske hukommelse i laser-behandlede alderen mus i forhold til alder-matchede kontrol. Biokemiske analyser efter Laserbehandling angiver øget hippocampus ATP niveauer. Vi postulere, at styrkelsen af hukommelse ydeevne er potentielt en forbedring i hippocampus energimetabolisme induceret af den røde laserbehandling. Observationer i mus kunne udvides til andre dyremodeller, da denne protokol ville potentielt kunne tilpasses til andre arter, der ofte anvendes i translationel neurovidenskab, som kanin, kat, hund eller abe. Transkranial photobiomodulation er en sikker og omkostningseffektiv modalitet, som kan være et lovende terapeutisk tilgang i aldersrelaterede kognitiv svækkelse.
Introduction
PBMT eller lavt niveau laserlys terapi (LLLT), er en generel term, der henviser til terapeutiske metoder baseret på stimulering af biologisk væv af lysenergi fra lasere eller lysemitterende dioder (lysdioder). Næsten alle PBMT behandlinger anvendes med rød til nær-infrarødt (NIR) lys ved bølgelængder fra 600 til 1100 nm, en udgangseffekt, lige fra 1 til 500 mW, og en fluens spænder fra 20 Jørgensen/cm2 (Se Chung et al.1).
Transcranial PBMT er en noninvasiv lys leveringsmetode, der er udført af bestråling af hovedet ved hjælp af en ekstern lyskilde (laser eller lysdioder)2. For animalsk applikationer omfatter denne metode kontakt eller noncontact placering af LED eller laser sonden på dyrets hoved. Afhængigt af det terapeutiske område af interesse, kan en lys sonden placeres enten over hele hovedet (for at dække alle områderne i hjernen) eller en bestemt del af hovedet, som den præfrontale, frontal eller parietal region. Delvis overførsel af rød/NIR lys gennem hovedbunden, kraniet og dura mater kan nå det kortikale overflade niveau og giver en mængde af photon energi nok til at producere terapeutiske fordele. Efterfølgende, ville den leverede lys fluens på den kortikale plan blive formeret på grå og hvid hjerne sagen indtil det når de dybere strukturer i hjernen3.
Lys i de spektrale bands på røde far-red region (600-680 nm) og tidlig NIR regionen (800-870 nm) svarer til absorptionsspektrum af cytokrom c oxidase, terminal enzymet af mitokondrie respiratorisk kæde4. Det er en hypotese, at PBMT i rød/NIR spektrum forårsager photodissociation af nitrogenoxid (NO) fra cytokrom c oxidase, hvilket resulterer i en stigning i mitokondrie elektron transport, og i sidste ende, øget ATP generation5. Med hensyn til neuronal programmer, de potentielle neurostimulatory fordele ved brain PBMT ved hjælp af transkranial bestråling metoder er blevet rapporteret i en bred vifte af prækliniske undersøgelser, herunder gnavere modeller af traumatisk hjerne skade (TBI)6, akut slagtilfælde7, Alzheimers sygdom (AD)8, Parkinsons sygdom (PD)9, depression10og aldring11.
Hjernens ældning anses en Neuropsykologisk tilstand, der negativt påvirker nogle kognitive funktioner, såsom læring og hukommelse12. Mitokondrier er de primære ansvarlige for ATP produktion og neuronal bioenergetik organeller. Mitokondriel dysfunktion er kendt for at være forbundet med aldersrelaterede underskud i hjernen områder, der er knyttet til rumlige navigation hukommelse, såsom hippocampus13. Fordi kraniel behandling med rød/NIR lys primært handlinger ved graduering af mitokondrie bioenergetik, kan tilstrækkelig leverede lys dosering til hippocampus resultere i en forbedring af rumlig hukommelse resultater14.
Den nuværende protokol sigter mod at påvise transkranial PBMT procedure i mus, ved hjælp af lave niveauer af rødt lys. Kræves laser lys transmission målinger gennem hovedet væv i alderen mus er beskrevet. Derudover Barnes labyrint, som en hippocampus-afhængige rumlige læring og hukommelse opgave og hippocampus ATP niveauer, som en bioenergetik indeks, der bruges til en evaluering af behandling virkning på dyr.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver en protokol til at foretage en transkranial PBMT procedure i mus. Denne protokol er specifikt målrettet til neurovidenskab laboratorier, der udfører photobiomodulation forskning fokuseret på gnavere. Men denne protokol kan tilpasses andre forsøgsdyr, der ofte bruges i feltet neurovidenskab, som kanin, kat, hund eller abe.
I øjeblikket, er der stigende interesse for at undersøge transkranial PBMT med rød/NIR lasere og lysdioder. For at gennemføre hele behandlingen procedure…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en bevilling fra Tabriz University of Medical Sciences (Giv nr. 61019) til S.S.-E. og en publikation tilskud fra LiteCure LLC, Newark, DE, USA til L.D.T. Forfatterne vil gerne takke immunologi Institut og uddannelse udvikling Center (EDC) i Tabriz University of Medical Sciences for deres venlige assistance.
Materials
| Ketamine | Alfasan | #1608234-01 | |
| Xylazine | Alfasan | #1608238-01 | |
| Agarose | Sigma | #A4679 | |
| Superglue | Quickstar | ||
| Vibratome | Campden Instruments | #MA752-707 | |
| Optical glass | Sail Brand | #7102 | |
| Power meter | Thor labs | #PM100D | |
| Photodiode detector | Thor labs | #S121C | |
| Caliper | Pittsburgh | ||
| GaAlAs laser | Thor Photomedicine | ||
| Etho Vision | Noldus | ||
| Centrifuge | Froilabo | #SW14R | |
| Earmuffs | Blue Eagle | ||
| Digital camera | Visionlite | #VCS2-E742H | |
| Sterio amplifier | Sony | ||
| Ethanol | Hamonteb | #665.128321 | |
| Barnes maze | Costom-made | ||
| ATP assay kit | Sigma | #MAK190 | |
| Elisa reader | Awareness | #Stat Fax 2100 |
References
- Chung, H., et al. The nuts and bolts of low-level laser (light) therapy. Annals of Biomedical Engineering. 40 (2), 516-533 (2012).
- Salehpour, F., et al. Brain Photobiomodulation Therapy: a Narrative Review. Molecular Neurobiology. , 1-36 (2018).
- Hamblin, M. R. Shining light on the head: photobiomodulation for brain disorders. BBA Clinical. 6, 113-124 (2016).
- Karu, T. I., Pyatibrat, L. V., Kolyakov, S. F., Afanasyeva, N. I. Absorption measurements of a cell monolayer relevant to phototherapy: reduction of cytochrome c oxidase under near IR radiation. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 81 (2), 98-106 (2005).
- de Freitas, L. F., Hamblin, M. R. Proposed mechanisms of photobiomodulation or low-level light therapy. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 22 (3), 348-364 (2016).
- Xuan, W., Vatansever, F., Huang, L., Hamblin, M. R. Transcranial low-level laser therapy enhances learning, memory, and neuroprogenitor cells after traumatic brain injury in mice. Journal of Biomedical Optics. 19 (10), 108003 (2014).
- DeTaboada, L., et al. Transcranial application of low-energy laser irradiation improves neurological deficits in rats following acute stroke. Lasers in Surgery and Medicine: The Official Journal of the American Society for Laser Medicine and Surgery. 38 (1), 70-73 (2006).
- De Taboada, L., et al. Transcranial laser therapy attenuates amyloid-β peptide neuropathology in amyloid-β protein precursor transgenic mice. Journal of Alzheimer’s Disease. 23 (3), 521-535 (2011).
- Oueslati, A., et al. Photobiomodulation suppresses alpha-synuclein-induced toxicity in an AAV-based rat genetic model of Parkinson’s disease. PloS One. 10 (10), e0140880 (2015).
- Xu, Z., et al. Low-level laser irradiation improves depression-like behaviors in mice. Molecular Neurobiology. 54 (6), 4551-4559 (2017).
- Salehpour, F., et al. Transcranial low-level laser therapy improves brain mitochondrial function and cognitive impairment in D-galactose–induced aging mice. Neurobiology of Aging. 58, 140-150 (2017).
- Grady, C. The cognitive neuroscience of ageing. Nature Reviews Neuroscience. 13 (7), 491 (2012).
- Beal, M. F. Mitochondria take center stage in aging and neurodegeneration. Annals of Neurology. Official Journal of the American Neurological Association and the Child Neurology Society. 58 (4), 495-505 (2005).
- Lu, Y., et al. Low-level laser therapy for beta amyloid toxicity in rat hippocampus. Neurobiology of Aging. 49, 165-182 (2017).
- Seibenhener, M. L., Wooten, M. C. Use of the open field maze to measure locomotor and anxiety-like behavior in mice. Journal of Visualized Experiments. (96), e52434 (2015).
- Rosenfeld, C. S., Ferguson, S. A. Barnes maze testing strategies with small and large rodent models. Journal of Visualized Experiments. (84), e51194 (2014).
- Huang, Y. Y., Chen, A. C. H., Carroll, J. D., Hamblin, M. R. Biphasic dose response in low level light therapy. Dose Response. 7 (4), 358-383 (2009).
- Mohammed, H. S. Transcranial low-level infrared laser irradiation ameliorates depression induced by reserpine in rats. Lasers in Medical Science. 31 (8), 1651-1656 (2016).
- Zhang, Y., Zhang, C., Zhong, X., Zhu, D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing efficiency of skull. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 5 (1), 136 (2015).
- Shaw, V. E., et al. Neuroprotection of midbrain dopaminergic cells in MPTP-treated mice after near-infrared light treatment. Journal of Comparative Neurology. 518 (1), 25-40 (2010).
- Moro, C., et al. Photobiomodulation inside the brain: a novel method of applying near-infrared light intracranially and its impact on dopaminergic cell survival in MPTP-treated mice. Journal of Neurosurgery. 120 (3), 670-683 (2014).
- Reinhart, F., et al. The behavioural and neuroprotective outcomes when 670 nm and 810 nm near infrared light are applied together in MPTP-treated mice. Neuroscience Research. 117, 42-47 (2017).
- Sadowski, M., et al. Amyloid-β deposition is associated with decreased hippocampal glucose metabolism and spatial memory impairment in APP/PS1 mice. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 63 (5), 418-428 (2004).
