Ett protokoll för transkraniell Photobiomodulation terapi hos möss
Summary
Photobiomodulation terapi är en innovativ noninvasiv modaliteten för behandling av ett brett spektrum av neurologiska och psykiatriska sjukdomar och kan också förbättra friska hjärnans funktion. Detta protokoll innehåller en stegvis guide för att utföra hjärnan photobiomodulation hos möss av transkraniell ljus leverans, som kan anpassas för användning i andra laboratorium gnagare.
Abstract
Transkraniell photobiomodulation är en potentiell innovativa noninvasiv behandlingsmetoder för att förbättra hjärnans bioenergetik, hjärnans funktion i ett brett spektrum av neurologiska och psykiatriska sjukdomar och minnesförbättringar i åldersrelaterad kognitiv försämring och neurodegenerativa sjukdomar. Vi beskriver ett laboratorium protokoll för transkraniell photobiomodulation terapi (PBMT) hos möss. Åldern BALB/c-möss (18 månader gamla) behandlas med en 660 nm laser transcranially, en gång dagligen i 2 veckor. Transmittans laserdata visar att cirka 1% av det infallande röda ljuset på hårbotten når ett 1 mm djup från kortikala ytan, genomträngande dorsala hippocampus. Behandlingsresultat bedöms av två metoder: en Barnes labyrint test, som är en hippocampus-beroende spatial inlärning och minne uppgift utvärdering, och mäta Hippocampus ATP-nivåer, som används som ett bioenergetik index. Resultaten från Barnes uppgiften visar en förbättring av det rumsliga minnet i laser-behandlade åldern möss jämfört med åldersmatchade kontroller. Biokemisk analys efter laserbehandling indikerar ökade Hippocampus ATP-nivåer. Vi postulerar att förstärkningen av minnesprestanda potentiellt beror på en förbättring i hippocampus energiomsättning induceras av röd laserbehandling. Observationerna i möss skulle kunna utvidgas till andra djurmodeller eftersom detta protokoll kan potentiellt anpassas till andra arter som ofta används i translationell neurovetenskap, såsom kanin, katt, hund eller apa. Transkraniell photobiomodulation är en säker och kostnadseffektiv modalitet som kan vara en lovande terapeutisk metod i åldersrelaterad kognitiv försämring.
Introduction
PBMT, eller låg nivå laser ljusterapi (LLLT), är en allmän term som hänvisar till terapeutiska metoder som bygger på stimulering av biologiska vävnader av ljus energi från laser eller lysdioder (LED). Nästan alla PBMT behandlingar tillämpas med rött till (NIR) nära infrarött ljus våglängder från 600 till 1100 nm, en uteffekt som sträcker sig från 1 till 500 mW och en fluence alltifrån 20 J/cm2 (se Chung et al.1).
Transcranial PBMT är en icke-invasiv ljus leveransmetod som utförs av bestrålning av huvudet med en extern ljuskälla (laser eller lysdioder)2. För djur program innehåller metoden kontakt eller beröringsfri placering av LED eller laser sonden på djurets huvud. Beroende på regionen terapeutiska av intresse, kan en ljusledaren placeras antingen över hela huvudet (för att täcka alla hjärnområden) eller över en viss del av huvudet, såsom den prefrontala, frontal eller parietala regionen. Partiell överföring av röd/NIR ljus genom hårbotten, skalle och dura mater kan nå den kortikala ytan och ge en mängd fotonenergi som är tillräcklig för att ge terapeutiska fördelar. Därefter skulle de levererade ljus fluence på kortikal nivå spridas på grå och vit hjärnan saken tills den når de djupa strukturerna i hjärnan3.
Ljus i spektrala banden på röd till mån (600-680 nm) och tidig NIR-region (800-870 nm) motsvarar absorptionsspektrum av cytokrom c oxidas, enzymet terminal av mitokondriell respiratoriska kedja4. Det är en hypotes om att PBMT i de röda/NIR-spektrumet orsakar vattenmolekylens av kväveoxid (NO) från cytokrom c oxidas, vilket medförde höjningar i mitokondriell elektrontransport och, slutligen, ökade ATP generation5. Med avseende på neuronal applikationer, neurostimulatory fördelarna med hjärnan PBMT använda transkraniell bestrålning metoder har rapporterats i olika prekliniska studier, inklusive gnagare modeller av traumatisk hjärnskada (TBI) skada6, akut stroke7, Alzheimers sjukdom (AD)8, Parkinsons sjukdom (PD)9, depression10och åldrande11.
Hjärnans åldrande anses ett neuropsykologiska tillstånd som negativt påverkar vissa kognitiva funktioner, såsom inlärning och minne12. Mitokondrierna är de primära organeller som är ansvarig för ATP produktionen och neuronala blockeringar. Mitokondriell dysfunktion är kända för att vara associerade med åldersrelaterade underskott i hjärnområden som är kopplade till spatial navigering minne, till exempel hippocampus13. Eftersom kraniell behandling med röd/NIR ljus primärt akter genom modulering av mitokondriell bioenergetik, kan tillräcklig levererade ljus dosering till hippocampus resultera i förbättring av rumsliga minne resultat14.
Syftet med det nuvarande protokollet är att demonstrera transkraniell PBMT förfarandet hos möss, med låga nivåer av rött ljus. Krävs lasermätningar ljustransmission genom huvudet vävnader i åldern möss beskrivs. Dessutom Barnes labyrint, som en hippocampus-beroende spatial inlärning och minne uppgift och Hippocampus ATP-nivåer, som ett index med bioenergetik används för utvärdering av behandling inverkan på djur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi beskriver ett protokoll för genomför ett transkraniell PBMT förfarande hos möss. Detta protokoll är specifikt riktad till neurovetenskap laboratorier som utför photobiomodulation forskning fokuserat på gnagare. Detta protokoll kan dock anpassas till andra försöksdjur som används frekvent inom neurovetenskap, såsom kanin, katt, hund eller apa.
För närvarande finns det ökade intresset för utreda transkraniell PBMT med röd/NIR lasrar och lysdioder. För att framgångsrikt genom…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av ett bidrag från Tabriz University of Medical Sciences (bevilja nr 61019) till S.S.-E. och en publikation bidrag från LiteCure LLC, Newark, DE, USA till L.D.T. Författarna vill tacka immunologi avdelning och utbildning utveckling Center (EDC) av Tabriz University of Medical Sciences för deras vänliga hjälp.
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).
