Γ-aminobutyric एसिड (GABA) मिरगी फोकस में इलेक्ट्रोफोरेटिक प्रसव चूहों में बरामदगी से बचाता है
Summary
मिर्गी अनुसंधान की चुनौती रोगियों के लिए उपन्यास उपचार विकसित करना है जहां शास्त्रीय चिकित्सा अपर्याप्त है । एक नए प्रोटोकॉल का उपयोग करना-एक implantable दवा वितरण प्रणाली की मदद से-हम मिरगी ध्यान में गाबा की electrophoretic प्रसव के द्वारा निश्चेय चूहों में बरामदगी को नियंत्रित करने में सक्षम हैं ।
Abstract
मिर्गी मस्तिष्क संबंधी विकारों का एक समूह है जो दुनिया भर में लाखों लोगों को प्रभावित करता है । हालांकि दवा के साथ उपचार मामलों के ७०% में सहायक है, गंभीर साइड इफेक्ट रोगियों के जीवन की गुणवत्ता को प्रभावित । इसके अलावा, मिर्गी के रोगियों की एक उच्च प्रतिशत दवा प्रतिरोधी रहे हैं; उनके मामले में, न्यूरोसर्जरी या neuroउद्दीपन आवश्यक हैं । इसलिए मिर्गी अनुसंधान का प्रमुख लक्ष्य नए उपचारों की खोज करना है जो या तो बिना दुष्प्रभाव के इलाज करने में सक्षम हैं या फिर दवा प्रतिरोधी रोगियों में आवर्ती बरामदगी को रोक रहे हैं । Neuroengineering नई रणनीतियों और प्रौद्योगिकियों का उपयोग करने के लिए जोखिम में मिरगी रोगियों के इलाज के लिए बेहतर समाधान खोजने के द्वारा नए दृष्टिकोण प्रदान करता है ।
मिर्गी के एक तीव्र माउस मॉडल में एक उपंयास प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल के प्रदर्शन के रूप में, एक प्रत्यक्ष स्वस्थाने इलेक्ट्रोफोरेटिक दवा वितरण प्रणाली का उपयोग किया जाता है । अर्थात्, एक तंत्रिका जांच के लिए एक microfluidic आयन पंप शामिल (μFIP) पर मांग दवा वितरण और एक साथ स्थानीय तंत्रिका गतिविधि की रिकॉर्डिंग प्रत्यारोपित और करने के लिए नियंत्रित करने में सक्षम होने का प्रदर्शन 4-aminopyridine प्रेरित (4AP-प्रेरित) जब्ती की तरह इवेंट (SLE) गतिविधि । Γ-aminobutyric एसिड (GABA) एकाग्रता के सटीक नियंत्रण गाबा प्रसव के द्वारा शारीरिक सीमा में रखा जाता है जब्ती ध्यान में एक antiepileptic प्रभाव तक पहुँचने के लिए लेकिन overinhibition प्रेरित प्रतिक्षेप फटने का कारण नहीं. विधि रोग गतिविधि और हस्तक्षेप के दोनों का पता लगाने के लिए सटीक spatiotemporal नियंत्रण के साथ मिरगी ध्यान केंद्रित करने के लिए सीधे निरोधात्मक ंयूरोट्रांसमीटर पहुंचाने के द्वारा दौरे को रोकने के लिए अनुमति देता है ।
प्रयोगात्मक विधि के विकास का एक परिणाम के रूप में, SLEs एक उच्च स्थानीयकृत तरीके कि जब्ती शुरुआत में ठीक देखते गाबा प्रसव द्वारा जब्ती नियंत्रण की अनुमति देता में प्रेरित किया जा सकता है ।
Introduction
मिरगी चौथा सबसे आम तंत्रिका संबंधी विकार है: लगभग 1% आबादी मिर्गी से ग्रस्त है, और लगभग एक तिहाई प्रभावित आवर्ती दौरे होते हैं । ज्यादातर मामलों में, बरामदगी दवा के साथ नियंत्रित किया जा सकता है । हालांकि, दवा उपचार के लिए हर रोगी व्यक्तिगत रूप से निर्धारित किया जाना चाहिए, जहां उचित खुराक साल1,2खोजने के लिए ले जा सकते हैं । इसके अतिरिक्त, दवा के सबसे गंभीर साइड इफेक्ट है कि जीवन3,4,5,6,7की गुणवत्ता को कम किया है । अंत में, मामलों रोगियों के 30% में दवा के लिए प्रतिरोधी रहे हैं, और एक निरंतर एक जब्ती जनरेटर locus के मामले में, केवल प्रतिच्छेदन न्यूरोसर्जरी8बरामदगी की घटना attenuate कर सकते हैं । इसलिए, आधुनिक मिर्गी अनुसंधान में एक प्रमुख पहल के लिए नई रणनीति है जो जोखिम में रोगियों में बारंबार बरामदगी को रोकने के लिए, जबकि मजबूत दवा चिकित्सा और आक्रामक resective सर्जरी की आवश्यकता को कम कर सकते है की खोज है ।
मिर्गी के दौरे तब होते हैं जब उत्तेजना और निरोधात्मक सर्किट के भीतर एक असंतुलन होता है या तो दिमाग (सामान्यीकृत मिर्गी) भर में या मस्तिष्क के एक स्थानीयकृत भाग में (फोकल मिर्गी), इस तरह कि एक असामान्य फैशन में ंयूरॉंस निर्वहन9 , 10 , 11. antiepileptic दवाओं जब्ती की रोकथाम में दो विभिंन तरीकों से कार्य कर सकते हैं: या तो उत्तेजना कम या वृद्धि निषेध12। विशेष रूप से, वे या तो कोशिका झिल्ली13 में आयन चैनल को प्रभावित करके न्यूरोनल कोशिकाओं के विद्युत गतिविधि को संशोधित या निरोधात्मक न्यूरोट्रांसमीटर गाबा या उत्तेजक को प्रभावित करके न्यूरॉन्स के बीच रासायनिक संचरण पर कार्य कर सकते हैं 14,15synapses में ग्लूटामेट । कुछ दवाओं के लिए, कार्रवाई की विधा अज्ञात18है । इसके अलावा, दवा उपचार रोगियों पर एक निरंतर प्रभाव है और बरामदगी की व्यापकता गतिशीलता के लिए अनुकूल नहीं कर सकते । आदर्श रूप में, कार्रवाई के विशिष्ट तंत्र के साथ दवाओं अंतर्निहित मिरगी प्रक्रियाओं पर कार्य करेगा । एक इष्टतम उपचार मस्तिष्क interictally स्पर्श नहीं है लेकिन तुरंत कार्रवाई जब एक जब्ती का विकास शुरू होगा । इसके विपरीत, मिर्गी के सभी मामलों में, दवा अब एक व्यवस्थित उपचार का मतलब है, पूरे मस्तिष्क और रोगी के पूरे शरीर को प्रभावित9.
मिरगी के दौरे प्रारंभिक अपमान जैसे ब्रेन ट्रॉमा के कई साल बाद दिखाई दे सकते हैं । प्रारंभिक अपमान और पहली सहज बरामदगी की घटना के बीच की अवधि काफी आणविक और सेलुलर reorganizations द्वारा विशेषता है, न्यूरोनल नेटवर्क कनेक्शन और axonal के लापता होने के साथ न्यूरोनल मौत सहित नए कनेक्शन19,20,21की उपस्थिति के साथ अंकुरण/neosynaptogenesis । एक बार दौरे आवर्ती हो, उनकी आवृत्ति और गंभीरता को बढ़ाने के लिए करते हैं, और अधिक मस्तिष्क क्षेत्रों को शामिल । यह महत्वपूर्ण है के रूप में जब्ती उत्पत्ति और प्रचार के नियमों को अलग हो सकता है, प्रसार नेटवर्क से जब्ती शुरुआत (मिरगाजेनिक क्षेत्रों) के स्थलों में भेद करने के लिए । मानव ऊतक और मिर्गी के प्रयोगात्मक मॉडलों पर किए गए शोध में सर्किट के पुनर्गठन और बरामदगी के लिए उनकी क्षमता के बारे में महत्वपूर्ण डेटा प्रदान की गई है20,21,22, 23. तथापि, यह निर्धारित करना कठिन है कि क्या ये पुनर्संगठन अनुकूलनीय प्रतिक्रियाएं हैं या क्या वे मिर्गी जनित या जब्ती उत्पत्ति और संचरण12से संबंधित हैं ।
इसलिए, मिर्गी के फोकस को रेखांकित करना और स्थानीय स्तर पर मिर्गी के साथ एंटीमिरगी दवाओं को लागू करना समकालीन मिरगी अनुसंधान में मुख्य चुनौतियों में से एक है । मिर्गी के पशु मॉडल का उपयोग कर कई प्रयोगों और कुछ नैदानिक अध्ययन जब्ती की घटनाओं की शुरुआत खोजने के लिए और मस्तिष्क24,25,26,27में अंतर्निहित तंत्र को परिभाषित करने के उद्देश्य से. यह अंत करने के लिए, हम एक नया प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल विकसित 4ap-प्रेरित मिर्गी मॉडल का उपयोग कर28,29,30,31 एक तीव्र माउस तैयारी में है, जो तीन की सटीक प्रविष्टि की अनुमति देता है हिप्पोकैम्पस के दिए गए क्षेत्र में उपकरण, जहां विवो में नेटवर्क गतिविधि एक अत्यधिक स्थानीयकृत तरीके से हेरफेर है । एक गिलास micropipette द्वारा स्थानीयकृत 4AP इंजेक्शन हिप्पोकैम्पस में एक स्थानीयकृत स्थान में मिर्गी के लिए प्रेरित करने में मदद करता है, जबकि उपन्यास बहुलक-आधारित μFIP जांच की मदद से जब्ती गतिविधि के नियंत्रण न्यूरोनल रिकॉर्डिंग द्वारा एक साथ प्राप्त की है डिवाइस की रिकॉर्डिंग साइटों के साथ विद्युत गतिविधि. Hippocampal स्थानीय क्षेत्र गतिविधि भी एक मल्टीचैनल सिलिकॉन जांच के साथ प्रांतस्था में एक परत विशेष तरीके से और हिप्पोकैम्पस में एक साथ नजर रखी है ।
हाल ही में आविष्कार μFIP जांच एक आयन एक्सचेंज झिल्ली (आईईएम) और बाहर के आसपास के ऊतकों के लिए एक microfluidic चैनल में संग्रहित चार्ज दवाओं पुश करने के लिए एक लागू बिजली के क्षेत्र का उपयोग करके काम करते हैं (चित्रा 1). Iem चुनिंदा आयन के केवल एक प्रकार (कटियन या anion) परिवहन और, इस प्रकार, के लिए “बंद” राज्य और उपकरण में आसपास के ऊतकों से oppositely चार्ज प्रजातियों के परिवहन में दोनों निष्क्रिय प्रसार सीमा काम करता है । विद्युत क्षेत्र मांग पर एक छोटे वोल्टेज (< 1 V) लागू करने के माध्यम से बनाया गया है स्रोत इलेक्ट्रोड जो microfluidic चैनल के लिए आंतरिक है और एक लक्ष्य इलेक्ट्रोड जो डिवाइस के लिए बाहरी है (इस मामले में, सिर पेंच पशु मॉडल पर). दवा वितरण की दर लागू वोल्टेज और स्रोत और लक्ष्य इलेक्ट्रोड के बीच मापा वर्तमान के लिए आनुपातिक है । दवा वितरण की सटीक तुकनीयता μFIP के प्राथमिक लाभों में से एक है । एक अंय महत्वपूर्ण लाभ, fluidic या दबाव आधारित दवा वितरण प्रणाली की तुलना में, यह है कि μFIP में केवल दवा वितरण आउटलेट में एक नगण्य दबाव वृद्धि है के रूप में ड्रग्स IEM भर में उनके वाहक समाधान के बिना वितरित कर रहे हैं ।
वहां गाबा के निष्क्रिय लीक की एक छोटी राशि है जब μFIP “बंद” है, लेकिन यह प्रभाव नहीं SLEs पाया गया था । ΜFIP कस्टम-पारंपरिक microfabrication तरीकों कि हम पहले31की सूचना के बाद बनाया है ।
आवर्तक बरामदगी को रोकने का एक तरीका के बाद से बहुत शुरुआत में या यहां तक कि पहले जब्ती घटना से पहले नेटवर्क निर्वहन की नाकाबंदी है, मिर्गी ध्यान में निरोधात्मक न्यूरोट्रांसमीटर गाबा देने के लिए प्रस्तुत विधि महान है फोकल मिर्गी के साथ रोगियों में जब्ती नियंत्रण के लिए चिकित्सीय क्षमता । गाबा के बाद से एक अंतर्जात सब्सट्रेट है, यह शारीरिक सांद्रता में अपरिवर्तित आंतरिक न्यूरोनल गुण छोड़ता है. गाबा के निम्न स्तर के स्थानीय आवेदन केवल स्वाभाविक रूप से निषेध करने के लिए उत्तरदायी कोशिकाओं को प्रभावित करेगा, और केवल शारीरिक निषेध करने के लिए इसी तरह के प्रभाव का कारण होगा, गहरी मस्तिष्क उत्तेजना के विपरीत (DBS), जो सभी कोशिकाओं उत्तेजक द्वारा अविशिष्ट कार्रवाई की है अपने वातावरण में न्यूरोनल नेटवर्क के, दोनों उत्तेजना और निषेध शामिल एक मिश्रित प्रतिक्रिया के कारण । अंत में, प्रस्तावित विधि डीबीएस की तुलना में जब्ती नियंत्रण के लिए एक अधिक विशिष्ट दृष्टिकोण प्रदान करता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
मिर्गी के तीव्र माउस मॉडल में एक नया प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल विकसित करके, स्कल्स को मिरगी फोकस में प्रत्यारोपित एक μFIP की मदद से सफलतापूर्वक नियंत्रित किया जा सकता है । अपनी क्षमता को अस्थाई और स्थानिक प?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.M.P. अंतरराष्ट्रीय शिक्षा के लिए संस्थान द्वारा प्रशासित एक Whitaker अंतरराष्ट्रीय विद्वान अनुदान से धन स्वीकार करता है । एके को मैरी क्यूरी आईईएफ (नंबर ६२५३७२) ने प्रायोजित किया था । ए. विलियम यूरोपीय संघ के क्षितिज २०२० अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम (अनुदान समझौते No. ७१६८६७) के तहत यूरोपियन रिसर्च काउंसिल (ईआरसी) से धन स्वीकार करता है । इसके अतिरिक्त, Aix-मार्सैय विश्वविद्यालय की उत्कृष्टता पहल को भी स्वीकार करता है-A * MIDEX, एक फ्रांसीसी “इनसैटिस्स डी ‘ एवेनीर” कार्यक्रम । लेखक डॉ. Ilke Uguz, डॉ साहिका Inal, डॉ Vincenzo क्यूटो, डॉ मैरी Donahue, डॉ मार्क फैरो, और Zsófia Maglóczky स्वीकार सार्थक चर्चा में उनकी भागीदारी के लिए ।
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).
