Забор спинномозговой жидкости и крови из боковой хвостовой вены у крыс во время регистрации ЭЭГ
Summary
Протокол показывает повторные заборы спинномозговой жидкости и крови у крыс с эпилепсией, проводимые параллельно с непрерывным видео-электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Они играют важную роль в изучении возможных связей между изменениями в различных молекулах жидкостей организма и судорожной активностью.
Abstract
Поскольку состав жидкостей организма отражает многие физиологические и патологические процессы, образцы биологической жидкости обычно получают во многих экспериментальных контекстах для измерения молекул, представляющих интерес, таких как гормоны, факторы роста, белки или небольшие некодирующие РНК. Конкретным примером является отбор проб биологических жидкостей при исследовании биомаркеров эпилепсии. В этих исследованиях желательно сравнивать уровни молекул в спинномозговой жидкости (СМЖ) и в плазме, проводя параллельный забор ликвора и плазмы и учитывая временное расстояние забора проб от судорог и до судорог. Комбинированный забор ликвора и плазмы крови в сочетании с видео-ЭЭГ-мониторингом у животных с эпилепсией является перспективным подходом для валидации предполагаемых диагностических и прогностических биомаркеров. Описана процедура комбинированного забора ликвора из большой цистерны и забора крови из боковой хвостовой вены у крыс с эпилепсией, находящихся под непрерывным видео-ЭЭГ-контролем. Эта процедура имеет значительные преимущества по сравнению с другими широко используемыми методами. Это позволяет быстро взять пробы с минимальной болью или инвазивностью, а также сократить время анестезии. Кроме того, он может быть использован для получения образцов спинномозговой жидкости и плазмы крови крыс, зарегистрированных как на привязной, так и на телеметрической ЭЭГ, и может быть использован многократно в течение нескольких дней эксперимента. Ожидается, что за счет минимизации стресса, связанного с отбором проб за счет сокращения анестезии изофлураном, меры будут более точно отражать истинные уровни исследуемых молекул в биожидкостях. В зависимости от наличия соответствующего аналитического анализа, этот метод может быть использован для измерения уровней нескольких различных молекул при одновременной регистрации ЭЭГ.
Introduction
Забор спинномозговой жидкости (ликвора) и крови важен для выявления и валидации биомаркеров эпилепсии как в доклинических, так и в клинических исследованиях 1,2. В настоящее время диагностика эпилепсии и большинство исследований биомаркеров эпилепсии сосредоточены на ЭЭГ и нейровизуализации 3,4,5. Однако эти подходы имеют ряд ограничений. Помимо рутинных измерений кожи головы, во многих случаях ЭЭГ требует инвазивных методов, таких как глубинные электроды6. Методы визуализации головного мозга имеют низкое временное и пространственное разрешение и являются относительно дорогими и трудоемкими 7,8. По этой причине идентификация неинвазивных, недорогих биомаркеров на основе биожидкостей была бы очень привлекательной альтернативой. Кроме того, эти биомаркеры биожидкости могут быть объединены с доступными диагностическими подходами для повышения их прогностической способности.
Пациентам с диагнозом эпилепсия обычно проводят ЭЭГ 9,10 и забор крови 11,12,13,14, а также выводят ликвор для исключения опасных для жизни причин (например, острых инфекций, аутоиммунного энцефалита)15. Эти образцы крови и спинномозговой жидкости могут быть использованы в клинических исследованиях, направленных на выявление биомаркеров эпилепсии. Например, Хогг и его коллеги обнаружили, что увеличение трех фрагментов тРНК плазмы предшествует возникновению судорог при эпилепсии учеловека. Аналогичным образом, уровни интерлейкина-1бета (IL-1β) в ликворе и сыворотке крови человека, выраженные как отношение уровней IL-1β в ликворе к сыворотке крови, могут предсказывать развитие посттравматической эпилепсии после черепно-мозговой травмы16. Эти исследования подчеркивают важность отбора проб биожидкостей для исследования биомаркеров эпилепсии, но они сталкиваются с многочисленными ограничениями, присущими клиническим испытаниям, например, сопутствующим фактором противоэпилептических препаратов (ПЭП) в крови, частым недостатком этиологической информации, неадекватным контролем, умеренным числом пациентов и др. 17,18.
Доклинические исследования предлагают другие возможности для изучения молекул в биожидкостях в качестве потенциальных биомаркеров эпилепсии. На самом деле, во время регистрации ЭЭГ у животных можно изъять плазму и/или ликвор. Кроме того, отбор проб может проводиться многократно в течение нескольких дней эксперимента, и для повышения надежности исследования может быть использован ряд контрольных групп по возрасту, полу и эпилептическому расстройству. Подробно описана гибкая методика получения ликвора из cisterna magna с параллельным забором плазмы из хвостовой вены у крыс с ЭЭГ-мониторингом. Представленная методика имеет ряд преимуществ перед альтернативными методами. Используя метод иглы-бабочки, можно собирать ликвор несколько раз без ущерба для функции электродов ЭЭГ или аналогичных головных имплантатов. Это представляет собой усовершенствование процедур удаления интратекального катетера, которые связаны с относительно высоким риском инфекции. Кроме того, метод свободного падения, используемый для забора крови, превосходит другие методы забора крови из хвостовых вен из-за значительно сниженного риска гемолиза из-за того, что кровь не проходит через трубку и не применяется вакуумное давление. При выполнении в строгих условиях, свободных от микробов, риск заражения животных особенно низок. Кроме того, начав забор крови на самом конце хвоста животного, забор крови можно повторить несколько раз. Такие методики просты в освоении и могут применяться во многих доклинических исследованиях заболеваний центральной нервной системы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящая работа иллюстрирует простую в освоении технику сбора ликвора и крови у крыс, которая может быть полезна не только для исследований на моделях эпилепсии, но и других неврологических состояний или заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, Паркинсона или рассеянный склероз. В…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Данное исследование было поддержано грантом Рабочей программы Европейского Союза «Горизонт 2020» (название H2020-FETOPEN-2018-2020) в рамках грантового соглашения 964712 (PRIME; М. Симонато).
Materials
| Blood collection set BD Vacutainer Safety-Lok | BD Italy SpA, Milan, Italy | 367246 | Material |
| Blood Collection tubes (Microtainer K2E) | BD Italy SpA, Milan, Italy | 365975 | Material |
| Butterfly Winged Infusion Set 23G x 3/4'' 0.6 x 19 mm | Nipro, Osaka, Japan | PSY-23-ET-ICU | Material |
| Centrifuge refrigerated ALC PK 130R | DJB Labcare Ltd, Buckinghamshire, England | 112000033 | Material |
| Cotton suture 3-0 | Ethicon, Johnson & Johnson surgical technologies, Raritan, New Jersey, USA | 7343H | Material |
| Diazepam 5 mg/2ml, Solupam | Dechra Veterinary Products, Torino, Italy | 105183014 (AIC) | Solution |
| Digital video 8-channel media recorder system of telemetry EEG set up | Data Sciences International (DSI), St Paul, MN, USA | PNM-VIDEO-008 | Equipment |
| Digital video surveillance system of tethered EEG set up | EZVIZ Network, Hangzhou, Cina | EZVIZ (V5.3.2) | Equipment |
| Disinfectant based on stabilized peroxides and quaternary ammonium activity | Laboratoire Garcin-Bactinyl, France | LB 920111 | Solution |
| Dummy guide cannula 8 mm | Agn Tho's, Lindigö, Sweden | CXD-8 | Material |
| Electrode 3-channel two-twisted | Invivo1, Plastic One, Roanoke, Virginia, USA | MS333/3-B/SPC | Material |
| Electrode holder for stereotxic surgery | Agn Tho's, Lindigö, Sweden | 1776-P1 | Equipment |
| Eppendorf BioSpectrometer basic | Eppendorf AG, Hamburg, Germany | 6137 | Equipment |
Eppendorf PCR Tubes 0.2 mL |
Eppendorf Srl, Milan, Italy | 30124332 | Material |
| Eppendorf μCuvette G1.0 | Eppendorf AG, Hamburg, Germany | 6138 | Equipment |
| Feeding needle flexible 17G for rat | Agn Tho's, Lindigö Sweden | 7206 | Material |
| Grass Technology apparatus | Grass Technologies, Natus Neurology Incorporated, Pleasanton, California, USA | M665G08 | Equipment (AS40 amplifier, head box, interconnecting cables, telefactor model RPSA S40) |
| Isoflurane 100%, IsoFlo | Zoetis, Rome, Italy | 103287025 (AIC) | Solution |
| Ketamine (Imalgene) | Merial, Toulouse, France | 221300288 (AIC) | Solution |
| Lithium chloride | Sigma-Aldrich, Milan, Italy | L9650 | Material |
| Microinjection cannula 31G 9 mm | Agn Tho's, Lindigö Sweden | CXMI-9 | Material |
| MP150 modular data acquisition and analysis system | Biopac, Goleta, California, USA | MP150WSW | Equipment |
| Ophthalmic vet ointment, Hylo night | Ursapharm, Milan, Italy | 941791927 (AIC) | Material |
| Pilocarpine hydrochloride | Sigma-Aldrich, Milan, Italy | P6503 | Material |
| PTFE Tube with joint | Agn Tho's, Lindigö, Sweden | JT-10 | Material |
| Saline | 0.9% NaCl, pH adjusted to 7.0 | Solution | |
| Scopolamine hydrobromide trihydrate | Sigma-Aldrich, Milan, Italy | S2250 | Material |
| Scopolamine methyl nitrate | Sigma-Aldrich, Milan, Italy | S1876 | Material |
| Silver sulfadiazine 1% cream | Sofar, Trezzano Rosa, Milan, Italy | 025561010 (AIC) | Material |
| Simplex rapid dental methacrylic cement | Kemdent, Associated Dental Products Ltd, Swindon, United Kingdom | ACR811 | Material |
| Stereotaxic apparatus | David Kopf Instruments, Los Angeles, CA, USA | Model 963 | Equipment |
| Sucrose solution | 10% sucrose in distilled water | Home-made | Solution |
| Syringe 1 mL | Biosigma, Cona, Venezia, Italy | 20,71,26,03,00,350 | Material |
| Telemeters | Data Sciences International (DSI), St Paul, MN, USA | CTA-F40 | Material |
| Telemetry EEG traces analyzer | Data Sciences International (DSI), St Paul, MN, USA | NeuroScore v3-0 | Equipment |
| Telemetry system | Data Sciences International (DSI), St Paul, MN, USA | Hardware plus software Ponemah core 6.51 | Equipment |
| Xylazine hydrochloride | Sigma-Aldrich, Milan, Italy | X1251 | Material |
References
- Hanin, A., et al. Cerebrospinal fluid and blood biomarkers of status epilepticus. Epilepsia. 61 (1), 6-18 (2020).
- Pitkänen, A., et al. Advances in the development of biomarkers for epilepsy. The Lancet Neurology. 15 (8), 843-856 (2016).
- Dlugos, D., et al. Childhood Absence Epilepsy Study Team (2013). Pretreatment EEG in childhood absence epilepsy: associations with attention and treatment outcome. Neurology. 81 (2), 150-156 (2013).
- Lorenzo, N. Y., et al. Intractable frontal lobe epilepsy: pathological and MRI features. Epilepsy research. 20 (2), 171-178 (1995).
- van Dellen, E., et al. Epilepsy surgery outcome and functional network alterations in longitudinal MEG: a minimum spanning tree analysis. NeuroImage. 86, 354-363 (2014).
- Shah, A. K., Mittal, S. Invasive electroencephalography monitoring: Indications and presurgical planning. Annals of Indian Academy of Neurology. 17 (Suppl 1), S89-S94 (2014).
- Whiting, P., et al. A systematic review of the effectiveness and cost-effectiveness of neuroimaging assessments used to visualise the seizure focus in people with refractory epilepsy being considered for surgery. Health technology assessment. 10 (4), 1-iv (2006).
- Lenkov, D. N., Volnova, A. B., Pope, A. R., Tsytsarev, V. Advantages and limitations of brain imaging methods in the research of absence epilepsy in humans and animal models. Journal of neuroscience methods. 212 (2), 195-202 (2013).
- Leach, J. P., Stephen, L. J., Salveta, C., Brodie, M. J. Which electroencephalography (EEG) for epilepsy? The relative usefulness of different EEG protocols in patients with possible epilepsy. Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry. 77 (9), 1040-1042 (2006).
- Huppertz, H. J., et al. Localization of interictal delta and epileptiform EEG activity associated with focal epileptogenic brain lesions. NeuroImage. 13 (1), 15-28 (2001).
- Linder, C., et al. Comparison between dried blood spot and plasma sampling for therapeutic drug monitoring of antiepileptic drugs in children with epilepsy: A step towards home sampling. Clinical biochemistry. 50 (7-8), 418-424 (2017).
- Wegner, I., Wilhelm, A. J., Lambrechts, D. A., Sander, J. W., Lindhout, D. Effect of oral contraceptives on lamotrigine levels depends on comedication. Acta neurologica Scandinavica. 129 (6), 393-398 (2014).
- Palmio, J., et al. CSF and plasma adipokines after tonic-clonic seizures. Seizure. 39, 10-12 (2016).
- Hogg, M. C., et al. Elevation in plasma tRNA fragments precede seizures in human epilepsy. Journal of Clinical Investigation. 129 (7), 2946-2951 (2019).
- Ellul, M., Solomon, T. Acute encephalitis – diagnosis and management. Clinical medicine. 18 (2), 155-159 (2018).
- Diamond, M. L., et al. IL-1β associations with posttraumatic epilepsy development: a genetics and biomarker cohort study. Epilepsia. 55 (7), 1109-1119 (2014).
- Auvin, S., et al. Prospective clinical trials to investigate clinical and molecular biomarkers. Epilepsia. 58 (Suppl 3), 20-26 (2017).
- Weber, Y. G., Nies, A. T., Schwab, M., Lerche, H. Genetic biomarkers in epilepsy. Neurotherapeutics. 11 (2), 324-333 (2014).
- Fornari, R. V., et al. Rodent stereotaxic surgery and animal welfare outcome improvements for behavioral neuroscience. Journal of Visualized Experiments. (59), e3528 (2012).
- Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. Survivable stereotaxic surgery in rodents. Journal of Visualized Experiments. (20), e880 (2008).
- Gardiner, T. W., Toth, L. A. Stereotactic Surgery and Long-Term Maintenance of Cranial Implants in Research Animals. Contemporary Topics in Laboratory Animal Science. 38 (1), 56-63 (1999).
- Westergren, I., Johansson, B. B. Changes in physiological parameters of rat cerebrospinal fluid during chronic sampling: evaluation of two sampling methods. Brain Research Bulletin. 27 (2), 283-286 (1991).
- Soukupová, M., et al. Impairment of GABA release in the hippocampus at the time of the first spontaneous seizure in the pilocarpine model of temporal lobe epilepsy. Experimental Neurology. 257, 39-49 (2014).
- Soukupová, M., et al. Microdialysis of Excitatory Amino Acids During EEG Recordings in Freely Moving Rats. Journal of Visualized Experiments. (141), e58455 (2018).
- Guarino, A., et al. Low-dose 7,8-Dihydroxyflavone Administration After Status Epilepticus Prevents Epilepsy Development. Neurotherapeutics. 19 (6), 1951-1965 (2022).
- Curia, G., Longo, D., Biagini, G., Jones, R. S. G., Avoli, M. The pilocarpine model of temporal lobe epilepsy. Journal of Neuroscience Methods. 172 (2), 143-157 (2008).
- Racine, R. J. Modification of seizure activity by electrical stimulation: II. Motor seizure. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 32 (3), 281-294 (1972).
- Zou, W., et al. Repeated Blood Collection from Tail Vein of Non-Anesthetized Rats with a Vacuum Blood Collection System. Journal of Visualized Experiments. (130), e55852 (2017).
- . Blood sampling: Rat Available from: https://nc3rs.org.uk/3rs-resources/blood-sampling/blood-sampling-rat (2022)
- Powles-Glover, N., Kirk, S., Wilkinson, C., Robinson, S., Stewart, J. Assessment of toxicological effects of blood microsampling in the vehicle dosed adult rat. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 68 (3), 325-331 (2014).
- Zeller, W., Weber, H., Panoussis, B., Bürge, T., Bergmann, R. Refinement of blood sampling from the sublingual vein of rats. Laboratory Animal. 32 (4), 369-376 (1998).
- Wang, D., Zhao, Y., Yang, Y., Xie, H. Safety assessment of multiple repeated percutaneous punctures for the collection of cerebrospinal fluid in rats. Brazilian Journal of Medical and Biological Research. 54 (6), e10032 (2021).
- Möller, C., et al. Impact of repeated kindled seizures on heart rate rhythms, heart rate variability, and locomotor activity in rats. Epilepsy & Behavior. 92, 36-44 (2019).
- Espinosa-Garcia, C., Zeleke, H., Rojas, A. Impact of Stress on Epilepsy: Focus on Neuroinflammation-A Mini Review. International Journal of Molecular Sciences. 22 (8), 4061 (2021).
- Cassar, S. C., et al. Comparing levels of biochemical markers in CSF from cannulated and non-cannulated rats. Journal of Neuroscience Methods. 192 (2), 249-253 (2010).
- Huang, Y. L., Säljö, A., Suneson, A., Hansson, H. A. Comparison among different approaches for sampling cerebrospinal fluid in rats. Brain Research Bulletin. 41 (5), 273-279 (1996).
- Hattori, N., Takumi, A., Saito, K., Saito, Y. Effects of serial cervical or tail blood sampling on toxicity and toxicokinetic evaluation in rats. Journal of Toxicological Sciences. 45 (10), 599-609 (2020).
- Roncon, P., et al. MicroRNA profiles in hippocampal granule cells and plasma of rats with pilocarpine-induced epilepsy–comparison with human epileptic samples. Scientific Reports. 5, 14143 (2015).
- van Vliet, E. A., et al. Standardization procedure for plasma biomarker analysis in rat models of epileptogenesis: Focus on circulating microRNAs. Epilepsia. 58 (12), 2013-2024 (2017).
- Kirschner, M. B., et al. Haemolysis during sample preparation alters microRNA content of plasma. PLoS One. 6 (9), e24145 (2011).
- Grimm, H., et al. Advancing the 3Rs: innovation, implementation, ethics and society. Frontiers in Veterinary Science. 10, 1185706 (2023).
