Электрофоновая доставка γ-аминомасляной кислоты (ГАМК) в эпилептический фокус предотвращает судороги у мышей
Summary
Проблема эпилепсии исследования заключается в разработке новых методов лечения для пациентов, где классическая терапия является недостаточным. С помощью нового протокола-с помощью имплантируемой системы доставки лекарств-мы в состоянии контролировать припадки в обезболированных мышей электрофореотической доставки ГАМК в эпилептический фокус.
Abstract
Эпилепсия представляет собой группу неврологических расстройств, которые затрагивают миллионы людей во всем мире. Хотя лечение с помощью лекарств полезно в 70% случаев, серьезные побочные эффекты влияют на качество жизни пациентов. Кроме того, высокий процент больных эпилепсией лекарственно устойчивы; в их случае необходима Нейрохирургия или нейростимуляция. Таким образом, основная цель исследований эпилепсии заключается в том, чтобы обнаружить новые методы лечения, которые либо способны лечить эпилепсией без побочных эффектов, либо предотвращать рецидивирующие припадки у лекарственно устойчивых пациентов. Нейроинженерия предоставляет новые подходы с помощью новых стратегий и технологий, чтобы найти лучшие решения для лечения эпилептических пациентов в опасности.
В качестве демонстрации романа экспериментальный протокол в острой мыши модель эпилепсии, прямой на месте электрофоореотической системы доставки наркотиков используется. А именно, нейронный зонд, включающий микрофлюидный ионный насос (Мкпоон) для доставки наркотиков по требованию и одновременной записи локальной нервной деятельности, имплантируется и демонстрируется, чтобы быть способным контролировать индуцированный 4-аминоопидин (4AP-индуцированный) захват мероприятия (СКВ). Концентрация γ-аминомасляная кислота (ГАМК) хранится в физиологическом диапазоне, точный контроль доставки ГАМК для достижения противоэпилептического эффекта в захвате фокус, но не вызывает гиперингибирование индуцированной отскок всплесков. Метод позволяет обнаруживать патологическую активность и вмешательство для прекращения судорог путем доставки тормозных нейромедиаторов непосредственно в эпилептический фокус с точным пространческим контролем.
В результате разработок в экспериментальном методе, SLEs могут быть вызваны в высоко локализованные образом, что позволяет захват контроля точно настроенной ГАМК доставка на начало захвата.
Introduction
Эпилепсия является четвертым наиболее распространенным неврологическим расстройством: около 1% населения страдает эпилепсией, и около одной трети пострадавших имеют периодические припадки. В большинстве случаев, припадки могут контролироваться с помощью лекарств. Тем не менее, медикаментозного лечения необходимо установить для каждого пациента индивидуально, где надлежащее дозирование может занять годы, чтобы найти1,2. Кроме того, большинство лекарств имеет серьезные побочные эффекты, которые снижают качество жизни3,4,5,6,7. Наконец, в 30% случаев пациенты устойчивы к лекарствам, а в случае постоянного единственного захвата генератора локуса, только резсективная Нейрохирургия может смягчить возникновение судорог8. Таким образом, Главная инициатива в современных исследованиях эпилепсии заключается в том, чтобы обнаружить новые стратегии, которые могут предотвратить рецидивирующие припадки у пациентов, находящихся в опасности, при одновременном снижении необходимости сильного медикаментозного лечения и инвазивных ресективных операций.
Эпилептические припадки возникают, когда есть дисбаланс в возбуждающих и тормозных схем либо по всему мозгу (обобщенные эпилепсии) или в локализованной части головного мозга (координационных эпилепсии), такие, что нейроны разряда в ненормальной моды9 , 10 , 11. противоэпилептические препараты могут действовать двумя различными способами в профилактике ареста: либо снижение возбуждения или усиление ингибирования12. В частности, они могут либо изменить электрическую активность нейрональных клеток, влияя на ионные каналы в клеточной мембране13 или действовать на химическую передачу между нейронами, влияя на тормозящий НЕЙРОМЕДИАТОР ГАМК или возбуждающих Глутамат в синапсах14,15. Для некоторых лекарств, режим действия неизвестен18. Кроме того, медикаментозного лечения оказывают непрерывное воздействие на пациентов и не может адаптироваться к распространенности динамики судорог. В идеале, препараты с конкретными механизмами действия будут действовать в зависимости от основных эпилептических процессов. Оптимальное лечение не коснется мозга interictally, но будет действовать сразу же, когда захват начинает развиваться. В отличие от этого, во всех случаях эпилепсии, лечение в настоящее время означает систематическое лечение, затрагивающих весь мозг и весь организм пациента9.
Эпилептические припадки могут появиться через много лет после первоначального оскорбления, такие как травма головного мозга. Период между первоначальным оскорблением и возникновением первых спонтанных изъятий характеризуется значительными молекулярными и клеточными реорганизациями, включая нейрональные смерти с исчезновением нейрональных сетевых соединений и аксональных Прорастание/неининтепатогенез с появлением новых соединений19,20,21. Как только припадки становятся повторяющимися, их частота и тяжесть, как правило, увеличиваются, вовлекая больше областей мозга. Важно отличать места захвата начала (эпилептогенного зоны) от сетей распространения, по мере того как правила генезиса захвата и распространения могут отличать. Исследования, выполненные на ткани человека и экспериментальные модели эпилепсии предоставили важные данные о реорганизации схем и их способность генерировать припадки20,21,22, 23. Однако трудно определить, являются ли эти реорганизации адаптивными реакциями или же они связаны с епилептоженесис или изъятием и распространением12.
Таким образом, локализация эпилептического фокуса и применение противоэпилептических препаратов на местном уровне являются одной из основных проблем в современных исследованиях эпилепсии. Несколько экспериментов с использованием животных моделей эпилепсии и некоторых клинических исследований, направленных на поиск наступления событий захвата и определить основные механизмы в мозге24,25,26,27. С этой целью, мы разработали новый экспериментальный протокол с использованием 4ap-индуцированной эпилепсии модель28,29,30,31 в острой мыши подготовки, которая позволяет точную вставки из трех устройств в данной области гиппокампа, где сетевая активность в естественных условиях манипулируют в весьма локализованные образом. Локализованные инъекции 4AP на стеклянной микропипетке помогает индуцировать эпилептические SLEs в локализованной месте в гиппокампе, в то время как с помощью романа полимерных основе Мкмфпа контроля захвата деятельности достигается одновременно путем записи нейронов электрической активности с записью сайтов устройства. Гиппокампа местной деятельности поле также контролируется с помощью мультиканальной кремния зонд в слой-специфического образом в коре головного мозга и в гиппокампе одновременно.
Недавно изобретенные датчики Мкпоон работают с помощью прикладного электрического поля для толчка заряженных препаратов, хранящихся в микрофлюидодическом канале через ионный обмен мембраны (IEM) и наружу к окружающим тканям (рис. 1). IEM выборочно транспортирует только один тип Иона (катион или анион) и, таким образом, работает, чтобы ограничить как пассивную диффузию в “выключном” состоянии, так и транспортировку противоположно заряженных видов из окружающей ткани в устройство. Электрическое поле создается по требованию, применяя небольшое напряжение (< 1 V) между исходным электродом, который является внутренним к микрофлюидному каналу, и целевым электродом, который является внешним к устройству (в данном случае, головной винт на животной модели). Скорость доставки лекарственных средств пропорциональна прикладному напряжению и измеряемой текущей между источником и целевыми электродами. Точная возможность доставки лекарственных препаратов является одним из основных преимуществ Мкмфк. Еще одним важным преимуществом, по сравнению с fluiудической или давлением на основе системы доставки наркотиков, является то, что в мкмпоон есть только незначительное увеличение давления на выходе поставки наркотиков, как наркотики поставляются через IEM без их перевозчика решения.
Существует небольшое количество пассивной утечки ГАМК, когда Мкмфв является “выключен”, но это было обнаружено не эффект SLEs. Мкмфв производится на заказ после обычных методов микроизготовления, которые мы сообщали ранее31.
Поскольку одним из способов предотвращения периодических изъятий является блокада сетевых разрядов в самом начале или даже до первого случая захвата, представленный метод для доставки тормозных нейромедиаторов ГАМК в эпилептический фокус имеет большое Терапевтический потенциал для контроля захвата у пациентов с очаговых эпилепсии. Так как ГАМК является эндогенного субстрата, он оставляет внутренние нейронные свойства без изменений в физиологических концентрациях. Местное применение низких уровней ГАМК будет только влиять на клетки естественно реагировать на ингибирование, и только вызвать аналогичные эффекты для физиологического ингибирования, в отличие от глубокой стимуляции мозга (ГСМ), который имеет неспецифичные действия, стимулируя все клетки нейронной сети в своей среде, вызывая неоднозначную реакцию с участием как возбуждение и ингибирование. В заключение, предлагаемый метод предусматривает более конкретный подход к контролю захвата, чем ГСМ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Разрабатывая новый экспериментальный протокол в острой мыши модели эпилепсии, SLEs может быть успешно контролируется с помощью Мкмфм имплантированных в эпилептический фокус. Благодаря своей способности поставлять ГАМК с временной и пространственной точностью, 4AP-индуцированные SLEs кон…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
К.М.П. признает финансирование от гранта Международного ученого-Уитакера, находящегося в ведении Института международного образования. A. k. была спонсируется Мари Кюри IEF (No 625372). А.В. признает финансирование Европейского исследовательского совета (КЧП) в рамках программы исследования и инновационной деятельности Европейского союза Horizon 2020 (соглашение о предоставлении гранта No 716867). А.В. дополнительно признает инициативу превосходства Экс-Марсель университет-A * MIDEX, французский “инвестиции D’aviir” программы. Авторы признают д-ра Ильке Гуца, д-ра Сахику Наль, д-ра Винченцо Курто, д-ра Мэри Дональю, д-ра Марка Ферро и Зофиа Маглчук за участие в плодотворных дискуссиях.
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 |
Referências
- 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. Neurociência. 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).
