, Γ-aminobutirik asit elektroforetik teslim (GABA) epileptik odaklama içine fareler nöbetleri önler
Summary
Epilepsi araştırmalarının zorluk klasik tedavinin yetersiz kaldığı hastalarda yeni tedaviler geliştirmektir. Yeni bir protokol kullanarak-implante edilmiş bir ilaç teslim sistemi yardımıyla-epileptik odak içine GABA elektroforetik teslim tarafından anestezik fareler nöbetleri kontrol edebiliyoruz.
Abstract
Epilepsi dünya çapında milyonlarca insanı etkileyen nörolojik bozukluklar grubudur. Hastaların% 70 ‘ inde ilaçlarla tedavi yararlı olsa da, ciddi yan etkiler hastanın yaşam kalitesini etkiler. Dahası, epileptik hastaların yüksek bir yüzdesi ilaç dirençli; onların durumunda, Nöroşirürji veya nöronörolojik gereklidir. Bu nedenle, epilepsi araştırmalarının önemli amacı, ilaç geçirmez hastalarda epilepsi tedavisine ya da yan etkilere gerek kalmadan tedavi edebilecek veya tekrarlayan nöbetleri önlemenin yeni terapileri keşfetmektir. Nöromühendislik, epileptik hastaları risk altında tedavi etmek için daha iyi çözümler bulmak üzere yeni stratejiler ve teknolojiler kullanarak yepyeni yaklaşımlar sağlar.
Epilepsi akut fare modelinde yeni bir deneysel protokol gösterisi olarak, doğrudan situ elektroforetik ilaç teslim sistemi kullanılır. Yani, mikrofluidik iyon pompası (Μfıp) içeren bir nöral prob, isteğe bağlı ilaç teslimi için ve yerel sinir aktivitesinin eşzamanlı kaydı implante edilir ve 4-aminopyridin kaynaklı (4AP kaynaklı) nöbet gibi kontrol edebilme yeteneğine sahip olduğunu göstermiştir Etkinlik (SLE) etkinliği. Γ-aminobutirik asit (GABA) konsantrasyonu, nöbet odağı bir antiepileptik etkiye ulaşmak için GABA tesliminin hassas kontrolü ile fizyolojik aralıkta tutulur ama overinhibisyon kaynaklı rebound patlamaları neden değil. Bu yöntem, hem patolojik aktivitenin hem de müdahalenin tespiti ile doğrudan epileptik odaklamaya karşı inhibitör nörotransmitter sağlayarak nöbetleri durdurmayı sağlar.
Deneysel yöntemle gelişmelerin bir sonucu olarak, SLEs nöbet başlangıcında hassas ayarlı GABA teslimat tarafından nöbet kontrolü sağlayan bir son derece lokalize bir şekilde indüklenmiş olabilir.
Introduction
Epilepsi en yaygın dördüncü nörolojik bozukluktur: nüfusun yaklaşık% 1 ‘ i epilepsi muzdarip ve etkilenen kişinin üçte biri tekrarlayan nöbetlere sahiptir. Çoğu durumda, nöbetler ilaç ile kontrol edilebilir. Ancak, ilaç tedavisi, uygun dozajı1,2bulmak için yıllar sürebilir her hasta için ayrı olarak ayarlanması gerekir. Ayrıca, ilacın çoğu yaşam kalitesini azaltmak ciddi yan etkilere sahiptir3,4,5,6,7. Son olarak, olguların% 30 ‘ unda hastalar ilaçlara dayanıklıdır ve sürekli tek nöbet jeneratör Locus durumunda, sadece Resektif Nöroşirürji nöbetlerin oluşumunu zayıflatabilir8. Bu nedenle, modern epilepsi araştırmalarında önemli bir girişim, risk altındaki hastalarda tekrarlayan nöbetleri önleyebilen yeni stratejileri keşfetmektir, ancak güçlü ilaç terapilerinin ve invaziv rezektif ameliyatların ihtiyacını azaltıyor.
Epileptik nöbetler, beyin (Genelleştirilmiş epilepsi) veya beynin lokalize bir bölümünde (fokal epilepsi) uyarıcı ve inhibitör devreleri içinde bir dengesizlik olduğunda ortaya çıkar, nöromların anormal bir moda boşaltılması gibi9 , 10 ‘ dan fazla , 11. antiepileptik ilaçlar nöbet önleme iki farklı şekillerde hareket edebilir: ya azalan uyarılma veya inhibisyonu arttırmak12. Özellikle, onlar ya da inhibitör nörotransmitter GABA etkileyen tarafından nöronlar arasında kimyasal iletim üzerinde hücre membranı13 veya ACT iyon kanalları etkileyen nöronal hücrelerin elektrik aktivitesini değiştirebilir olabilir uyarıcı sinaps içinde glutamat14,15. Bazı ilaçlar için, eylem modu bilinmiyor18. Ayrıca, ilaç tedavileri hastalar üzerinde sürekli bir etkiye sahiptir ve nöbetlerin prevalansı dinamiklerine uyum sağlayamaz. İdeal olarak, belirli eylem mekanizmaları olan ilaçlar altta yatan epileptik süreçlerde hareket eder. Optimal bir tedavi beyin interictally dokunmaz ama bir nöbet gelişmekte başladığında hemen hareket edeceğini. Bunun aksine, epilepsi her durumda, ilaç şimdi sistematik bir tedavi anlamına gelir, tüm beyin ve hastanın tüm vücudu etkileyen9.
Epileptik nöbetler, beyin travması gibi ilk hakaret sonrasında uzun yıllar görünebilir. İlk hakaret ve birinci spontan nöbetlerin oluşumu arasındaki dönem, nöronal ağ bağlantılarının ortadan kalkması ile nöronal ölüm de dahil olmak üzere, önemli moleküler ve hücresel reorganizasyonlar ile karakterize edilir ve akal yeni bağlantıların görünümü ile sprouting/neosynaptogenesis19,20,21. Nöbetler tekrarlayan hale gelince, onların frekansı ve şiddeti daha fazla beyin bölgeleri içeren, artış eğilimindedir. Nöbet Genesis ve yayılma kuralları farklı olabilir gibi, yayılım ağlarından nöbet başlangıcı (epileptojenik bölgeler) siteleri ayırt etmek önemlidir. Epilepsinin insan dokusu ve deneysel modelleri üzerinde yapılan araştırmalar, devrelerin yeniden yapılanma ve nöbetleri oluşturmak için yeteneklerini hakkında önemli veriler sağladı20,21,22, 23. ancak, bu yeniden yapıların adaptif tepkiler olup olmadığını veya epileptogenez veya nöbet Genesis ve yayılma12ile ilgili olup olmadıklarını belirlemek zordur.
Bu nedenle epileptik odağı lokalleştirme ve antiepileptik ilaçlar yerel olarak uygulanması, çağdaş epilepsi araştırmalarında başlıca zorluklardan biridir. Epilepsi hayvan modelleri ve bazı klinik çalışmalar kullanarak çeşitli deneyler nöbet olayların başlangıcını bulmak ve beyin temel mekanizmaları tanımlamak için amaçlanan24,25,26,27. Bu amaçla, 4ap kaynaklı epilepsi modeli28,29,30,31 kullanarak yeni bir deneysel protokol geliştirdik akut fare hazırlama, hangi üç kesin ekleme sağlar cihazlar, ağ aktivitesinin vivo olarak oldukça lokalize bir şekilde yönetildiği hipokampus ‘un verilen alanına girer. Bir cam mikropipet tarafından lokalize 4AP enjeksiyon hipokampus lokalize bir noktada epileptik SLEs ikna etmek için yardımcı olurken, yeni polimer tabanlı μFIP prob yardımıyla nöbet aktivitesinin kontrolü aynı anda nöronal kayıt yoluyla elde edilir cihazın kayıt siteleri ile elektrik aktivitesi. Hipokampal yerel alan aktivitesi aynı zamanda korteks içinde ve hipokampus aynı anda katmana özgü bir şekilde çok kanallı silikon prob ile izlenir.
Yakın zamanda icat edilen μFIP probları, bir iyon değişimi membranı (IEM) boyunca mikrofluidik bir kanalda saklanan ve çevreleyen dokuya (Şekil 1) şarj edilen ilaçlar itmek için uygulanan bir elektrik alanı kullanılarak çalışır. IEM seçmeli olarak sadece bir tür iyon (kıt veya Anion) taşır ve böylece, “kapalı” durumunda hem pasif difüzyon sınırlamak için çalışır ve cihaz içine çevreleyen dokudan karşılıklı şarj türlerin taşınması. Elektrik alanı, mikrofluidik kanala dahili olan kaynak elektrot ve cihaza harici bir hedef elektrot (Bu durumda, hayvan modelinde kafa vidası) arasında küçük bir voltaj (< 1 V) uygulayarak talep üzerine oluşturulur. İlaç tesliminin oranı, uygulanan voltaj ve kaynak ile hedef elektrotlar arasındaki ölçülen akım ile orantılıdır. İlaç teslimatlarının kesin olarak ayarlanabilir olması, μFIP 'nin birincil avantajlarından biridir. Fluidik veya basınç bazlı ilaç teslim sistemlerine kıyasla başka bir kritik avantaj, μFIP 'de uyuşturucu taşıyıcı çözümü olmadan IEM genelinde ilaçlar teslim edildiği için ilaç teslim çıkışında sadece ihmal edilebilir bir basınç artışı bulunduğunu belirtir.
ΜFIP “kapalı” olduğunda GABA pasif sızıntı küçük bir miktar var, ama bu SLEs etkisi bulunamadı. Μfıp, daha önce31rapor ettiğimiz konvansiyonel mikroimalat yöntemlerinden sonra özel olarak yapılmıştır.
Tekrarlayan nöbetleri önlemenin bir yolu, en başında veya hatta ilk nöbet olayından önce ağ boşaltma blokajı olduğundan, epileptik odaklanmaya inhibitör nörotransmitter GABA teslim etmek için sunulan yöntem büyük fokal Epilepsi hastalarında nöbet kontrolü için terapötik potansiyel. GABA endojen bir substrat olduğundan, fizyolojik konsantrasyonlarda değişmeden içsel nöronal özellikleri bırakır. GABA düşük düzeylerde yerel uygulama sadece inhibisyonu için doğal olarak duyarlı hücreleri etkileyecek, ve sadece fizyolojik inhibisyonu benzer etkilere neden olacak, derin beyin stimülasyon aykırı (DBS), tüm hücreleri uyararak spesifik olmayan eylemleri olan kendi ortamında nöronal ağ, hem uyarma ve inhibisyonu içeren karışık bir tepki neden. Sonuç olarak, önerilen yöntem DBS daha nöbet kontrolü için daha spesifik bir yaklaşım sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Epilepsi akut fare modelinde yeni bir deneysel protokol geliştirerek, SLEs, epileptik odaklanarak implante edilen bir Μfıp yardımıyla başarılı bir şekilde kontrol edilebilir. Temporal ve uzamsal hassasiyetle GABA teslim kabiliyeti sayesinde, 4 AP kaynaklı SLEs nöbetlerin başlangıcında kontrol edildi. Epilepsinin tedavisi teorik olarak mümkündür eğer nöral ağ deşarj kontrolü nöbet başlangıcı yerine elde edilir. Sunulan protokol bu mümkün olduğunu kanıtladı eğer enjekte inhibitör nörotrans…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.M.P. Uluslararası Eğitim Enstitüsü tarafından yönetilen bir Whitaker uluslararası akademik hibe fon kabul eder. Ak, Marie Curie ıEF (No. 625372) tarafından desteklenmektedir. A.W., Avrupa Birliği ‘nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programı (Grant anlaşması No. 716867) kapsamında Avrupa Araştırma Konseyi (ERC) ‘ den finansman kabul ediyor. A.W. Ayrıca Aix-Marseille Üniversitesi-A * MıDEX, Fransız “ınvestissements d ‘Avenir” programının mükemmellik girişimi ‘nin de kabul edildiğini belirtiyor. Yazarlar, Dr. Ilke uguz, Dr. sahika Inal, Dr. Vincenzo curto, Dr. Mary Donahue, Dr. Marc Ferro ve Zsófia Maglóczky ‘yi verimli tartışmalara katılmaları için onaylar.
Materials
| 4AP | Sigma | 275875 | |
| Alexa Fluor 488 | Abcam | ab15007 | |
| Amplifier | Neuralynx, Montana, USA | Digital Lynx 4SX | |
| Amplifier | Ampliplex | KJE-1001 | |
| Atlas Stereotaxique | Allen Atlas | 978-0470054086 | |
| Borosilica glass pipette | Sutter | BF120-69-15 | |
| Brain Matrix | WPI | RBMA-200C | |
| Bone trimmer | FST | 16109-14 | |
| Confocal microscope | Zeiss | LSM 510 | |
| Connector | INSTECH | SC20/15 | |
| Coton tige | Monoprix | EMD 6107OD | |
| Cover slip | Menzel-Glass | 15747592 | |
| DiI Stain | Thermo Fisher | D282 | |
| DMSO | Sigma | 11412-11 | |
| Drill | FOREDOM | K1070 | |
| Forceps | F.S.T. | 11412-11 | |
| GABA | Sigma | A2129 | |
| GFAP Monoclonal Antibody | Thermofisher | 53-9892-80 | |
| GOPS | Sigma | 440167-100M | |
| Hamilton seringe | Hamilton | 80330 | |
| Headscrew | Component Supply | TX00-2FH | |
| Heating pad | Harvard apparatus | 341446 | |
| Injection Pump | WPI | UMP3-3 | |
| Keithley | Tektoronix | 216A | |
| Ketamine | Renaudin | 5787419 | |
| Magnetic holder | Narishige | GJ-1 | |
| Mice | Charles River | 612 | |
| Motoric manipulator | Scientifica, UK | IVM | |
| Na2HPO4 | Sigma | 255793 | |
| NaH2PO4 | Sigma | 7558807 | |
| NeuroTrace DiI | Thermofisher | N22880 | |
| Paper towel | KIMBERLY CLARK | 7552000 | |
| PB | Sigma | P4417 | |
| PEDOT:PSS | CLEVIOS | 81076212 | |
| PFA | Acros Organic | 30525-89-4 | |
| Rectal temperature probe | Harvard apparatus | 521591 | |
| Ropivacaine | KABI | 1260216 | |
| Saline | Sigma | 7982 | |
| Scalpel | F.S.T | AUST R195806 | |
| Seringue | BD Medical | 324826 | |
| Serrefine clamp | F.S.T | 18050-28 | 4 is recommended |
| Silicon probe | NeuroNexus, Michigan, USA | A2x16-10mm-50-500-177 or A1x16-5mm-150-703 | |
| Stereotoxic frame | Stoelting | 51733U | |
| Superfrost Slide | ThermoScientific | J38000AMNZ | |
| Tubing | INSTECH | LS20 | |
| Vaseline | Laboratoire Gilbert | 3518646126611 | |
| Vectashield DAPI | Vector Laboratories, California, USA | H-1200-10 | |
| Vibratome, Leica VT1200S | Leica Microsystems | 1491200S001 | |
| Xylazine | Bayer | 4007221032311 |
References
- Kwan, P., Palmini, A. Association between switching antiepileptic drug products and healthcare utilization: A systematic review. Epilepsy & Behavior. 73, 166-172 (2017).
- Belleudi, V., et al. Studies on drug switchability showed heterogeneity in methodological approaches: a scoping review. Journal of Clinical Epidemiology. 101, 5-16 (2018).
- Chen, B., et al. Psychiatric and behavioral side effects of antiepileptic drugs in adults with epilepsy. Epilepsy & Behavior. 76, 24-31 (2017).
- Brodie, M. J., et al. Epilepsy, Antiepileptic Drugs, and Aggression: An Evidence-Based Review. Pharmacological Reviews. 68 (3), 563-602 (2016).
- Hamed, S. A. The auditory and vestibular toxicities induced by antiepileptic drugs. Expert Opinion on Drug Safety. 16 (11), 1281-1294 (2017).
- Hamed, S. A. The effect of epilepsy and antiepileptic drugs on sexual, reproductive and gonadal health of adults with epilepsy. Expert Review of Clinical Pharmacology. 9 (6), 807-819 (2016).
- Roff Hilton, E. J., Hosking, S. L., Betts, T. I. M. The effect of antiepileptic drugs on visual performance. Seizure. 13 (2), 113-128 (2004).
- Stafstrom, C. E., Carmant, L. Seizures and epilepsy: an overview for neuroscientists. Cold Spring Harbor Perspective in Medicine. 5 (6), (2015).
- Arzimanoglou, A., et al. A Review of the New Antiepileptic Drugs for Focal-Onset Seizures in Pediatrics: Role of Extrapolation. Paediatric Drugs. 20 (3), 249-264 (2018).
- Avoli, M., et al. Specific imbalance of excitatory/inhibitory signaling establishes seizure onset pattern in temporal lobe epilepsy. Journal of Neurophysiology. 115 (6), 3229-3237 (2016).
- Badawy, R. A., Freestone, D. R., Lai, A., Cook, M. J. Epilepsy: Ever-changing states of cortical excitability. 신경과학. 222, 89-99 (2012).
- Loscher, W., Brandt, C. Prevention or modification of epileptogenesis after brain insults: experimental approaches and translational research. Pharmacological Reviews. 62 (4), 668-700 (2010).
- Porter, R. J. Mechanisms of action of new antiepileptic drugs. Epilepsia. 30, (1989).
- Rogawski, M. A. Diverse mechanisms of antiepileptic drugs in the development pipeline. Epilepsy Research. 69 (3), 273-294 (2006).
- Czapinski, P., Blaszczyk, B., Czuczwar, S. J. Mechanisms of action of antiepileptic drugs. Current Topics in Medicinal Chemistry. 5 (1), 3-14 (2005).
- Ye, H., Kaszuba, S. Inhibitory or excitatory? Optogenetic interrogation of the functional roles of GABAergic interneurons in epileptogenesis. Journal of Biomedical Science. 24 (1), 93 (2017).
- Loscher, W., Klitgaard, H., Twyman, R. E., Schmidt, D. New avenues for anti-epileptic drug discovery and development. Nature Reviews Drug Discovery. 12 (10), 757-776 (2013).
- Manchishi, S. M. Recent Advances in Antiepileptic Herbal Medicine. Current Neuropharmacology. 16 (1), 79-83 (2018).
- Pitkanen, A., Sutula, T. P. Is epilepsy a progressive disorder? Prospects for new therapeutic approaches in temporal-lobe epilepsy. Lancet Neurology. 1 (3), 173-181 (2002).
- Cohen, I., Navarro, V., Clemenceau, S., Baulac, M., Miles, R. On the origin of interictal activity in human temporal lobe epilepsy in vitro. Science. 298 (5597), 1418-1421 (2002).
- Huberfeld, G., et al. Glutamatergic pre-ictal discharges emerge at the transition to seizure in human epilepsy. Nature Neuroscience. 14 (5), 627-634 (2011).
- Bui, A., Kim, H. K., Maroso, M., Soltesz, I. Microcircuits in Epilepsy: Heterogeneity and Hub Cells in Network Synchronization. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 5 (11), (2015).
- Prince, D. A., Gu, F., Parada, I. Antiepileptogenic repair of excitatory and inhibitory synaptic connectivity after neocortical trauma. Progress in Brain Research. 226, 209-227 (2016).
- Nilsen, K. E., Cock, H. R. Focal treatment for refractory epilepsy: hope for the future. Brain Research: Brain Research Reviews. 44 (2-3), 141-153 (2004).
- Martinkovic, L., Hecimovic, H., Sulc, V., Marecek, R., Marusic, P. Modern techniques of epileptic focus localization. International Review of Neurobiology. 114, 245-278 (2014).
- Nagaraj, V., et al. Future of seizure prediction and intervention: closing the loop. Journal of Clinical Neurophysiology. 32 (3), 194-206 (2015).
- Osman, G. M., Araujo, D. F., Maciel, C. B. Ictal Interictal Continuum Patterns. Current Treatment Options in Neurology. 20 (5), 15 (2018).
- Slezia, A., et al. Uridine release during aminopyridine-induced epilepsy. Neurobiology of Disease. 16 (3), 490-499 (2004).
- Baranyi, A., Feher, O. Convulsive effects of 3-aminopyridine on cortical neurones. Electroencephalography Clinical Neurophysiology. 47 (6), 745-751 (1979).
- Szente, M., Baranyi, A. Mechanism of aminopyridine-induced ictal seizure activity in the cat neocortex. Brain Research. 413 (2), 368-373 (1987).
- Proctor, C. M., et al. Electrophoretic drug delivery for seizure control. Science Advances. 4 (8), eaau1291 (2018).
- Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . Paxinos and Franklin’s the Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates Fourth Edition. , (2012).
- Pinault, D. A new stabilizing craniotomy-duratomy technique for single-cell anatomo-electrophysiological exploration of living intact brain networks. Journal of Neuroscience Methods. 141 (2), 231-242 (2005).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visual Experiments. (65), e3564 (2012).
- Picot, M. C., Baldy-Moulinier, M., Daures, J. P., Dujols, P., Crespel, A. The prevalence of epilepsy and pharmacoresistant epilepsy in adults: a population-based study in a Western European country. Epilepsia. 49 (7), 1230-1238 (2008).
- Pati, S., Alexopoulos, A. V. Pharmacoresistant epilepsy: from pathogenesis to current and emerging therapies. Cleve Clinical Journal of Medicine. 77 (7), 457-467 (2010).
