Microdialysis System을 사용한 의식이 있는 쥐의 해마 세포외 유체의 실시간 동적 수집
Summary
여기서 프로토콜은 미세 투석 시스템을 사용하여 깨어 있는 쥐의 해마에서 세포외액의 상세한 실시간 동적 샘플링을 제공합니다.
Abstract
다양한 중추신경계(CNS) 질환은 해마 세포외액(HECF) 구성의 변화와 관련이 있습니다. 그러나 의식이 있는 쥐로부터 실시간으로 HECF를 얻는 데 어려움이 있어 CNS 질병 진행 평가와 민족의학 요법의 효과가 오랫동안 제한되어 왔습니다. 고무적으로, 뇌 미세 투석 기술은 동적 관찰, 정량 분석 및 작은 샘플링 크기의 장점으로 연속 샘플링에 사용될 수 있습니다. 이를 통해 살아있는 동물의 뇌에서 전통적인 허브의 화합물과 대사 산물에 대한 세포 외액 함량의 변화를 모니터링 할 수 있습니다. 따라서 이 연구의 목적은 3차원 뇌 정위 장치를 사용하여 Sprague Dawley(SD) 쥐의 해마 영역에 뇌척수액 미세 투석 프로브를 정확하게 이식하여 20kDa 이상의 분자량을 차단하는 것이었습니다. 그런 다음 2.87nL/min – 2.98mL/min에서 샘플링 속도를 조정할 수 있는 미세 투석 샘플링 제어 시스템을 사용하여 의식이 있는 쥐로부터 고품질 HECF를 얻었습니다. 결론적으로, 우리의 프로토콜은 미세 투석 기술의 도움으로 깨어 있는 쥐에서 HECF를 얻을 수 있는 효율적이고 신속하며 역동적인 방법을 제공하여 CNS 관련 질병의 발병기전을 추가로 탐색하고 약물 효능을 평가할 수 있는 무한한 가능성을 제공합니다.
Introduction
신경퇴행성 질환, 외상성 뇌 손상, 고지대 저산소증으로 인한 뇌 손상 및 허혈성 뇌졸중과 같이 이환율이 높은 중추신경계(CNS) 질환은 전 세계적으로 사망률이 증가하는 중요한 원인입니다 1,2,3. 특정 뇌 영역의 사이토카인 및 단백질 변화의 실시간 모니터링은 중추신경계 질환의 진단 정확도와 투약 후 뇌 약동학 연구에 기여합니다. 전통적인 과학 연구는 특정 물질의 검출 및 약동학 연구를 위해 뇌 조직 균질액 또는 동물 간질 뇌액의 수동 수집을 사용합니다. 그러나 이것은 제한된 표본 크기, 지표의 변화를 동적으로 관찰할 수 없음, 고르지 않은 표본 추출 품질 4,5,6과 같은 몇 가지 단점이 있습니다. 간질액인 뇌척수액은 뇌와 척수를 기계적 손상으로부터 보호합니다. 그 구성은 혈액 뇌 장벽 (BBB)의 존재로 인해 혈청의 구성과 다릅니다.7. 뇌척수액 샘플의 직접 분석은 CNS 병변 및 약물 발견의 메커니즘을 밝히는 데 더 도움이 됩니다. 필연적으로, 주사기를 통해 수조 마그나 및 뇌실에서 직접 수동으로 얻은 뇌척수액 샘플은 혈액 오염의 단점, 무작위 샘플 수집 기회, 수량의 불확실성 및 다중 검색 가능성이 거의 없습니다 8,9. 특히, 기존의 간질성 뇌액 샘플링 방법은 손상된 뇌 영역에서 샘플을 얻을 수 없어 특정 뇌 영역에서 CNS 질환의 발병기전을 탐색하고 표적 민족 의학 요법의 효능 평가를 방해합니다 9,10.
뇌 미세투석(brain microdialysis)은 깨어 있는 동물에서 간질성 뇌액을 채취하는 기술이다11. 미세 투석 시스템은 뇌에 이식 된 프로브의 도움으로 혈관 투과성을 모방합니다. 미세 투석 프로브는 반투과성 막으로 무장하고 특정 뇌 영역에 이식됩니다. 등장성 인공 뇌척수액(African artificial cerebrospinal fluid, ACSF)으로 관류한 후, 투석된 간질성 뇌액은 작은 표본 크기, 연속적인 샘플링 및 동적 관찰의 이점으로 유리하게 수집될 수 있다12,13. 위치 측면에서, 뇌 미세투석 프로브는 관심 있는 뇌 구조 또는 두개골 수조에 선택적으로 이식될 수 있다14. 해마 세포 외액 (HECF)에서 내인성 물질의 비정상적인 수준을 관찰하면 CNS 질환의 발생 또는 질병의 발병 기전을 알 수 있습니다. 여러 연구에 따르면 정신분열증의 D-아미노산, 알츠하이머병의 β-아밀로이드 및 타우 단백질, 외상성 뇌 손상의 신경필라멘트 경쇄, 저산소성 허혈성 뇌병증의 유비퀴틴 카르복시 말단 가수분해효소 L1과 같은 CNS 질환에 대한 바이오마커를 뇌척수액에서 분석할 수 있습니다15,16,17 . 뇌 미세투석 샘플링 기법에 기초한 화학 분석 방법을 사용하여 특정 뇌 영역에서 확산 및 분포하는 민족 의학의 활성 성분과 같은 외인성 화합물의 동적 변화를 모니터링할 수 있다14.
이 기사는 깨어 있는 쥐에서 동적 HECF 획득의 특정 과정을 제시하고 샘플 품질을 보장하기 위해 삼투압을 측정합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
중추 신경계 질환의 발병 기전은 아직 완전히 이해되지 않아 새로운 치료법과 약물 개발을 방해합니다. 연구에 따르면 대부분의 CNS 질환은 해마 병변과 밀접한 관련이 있습니다20,21,22. 제안 된 뇌 미세 투석 기술은 뇌의 특정 영역, 특히 해마를 표적으로 삼을 수 있으므로 HECF를 수집하는 전통적인 접근 방식에서 두드러집니다….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (82104533), 쓰촨성 과학 기술부 (2021YJ0175) 및 중국 박사후 과학 재단 (2020M683273)의 지원을 받았습니다. 저자는 Tri-Angels D&H Trading Pte.의 선임 장비 엔지니어인 Mr. Yuncheng Hong에게 감사의 말을 전합니다. Ltd. (싱가포르)는 미세 투석 기술에 대한 기술 서비스를 제공합니다.
Materials
| Air-drying oven | Suzhou Great Electronic Equipment Co., Ltd | GHG-9240A | |
| Animal anesthesia system | Rayward Life Technology Co., Ltd | R500IE | |
| Animal temperature maintainer | Rayward Life Technology Co., Ltd | 69020 | |
| Artificial cerebrospinal fluid | Beijing leagene biotech. Co., Ltd | CZ0522 | |
| Brain microdialysis probe | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Catheter | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Covance infusion harness | Instech Laboratories, Inc. | CIH95 | |
| Denture base resins | Shanghai Eryi Zhang Jiang Biomaterials Co., Ltd | 190732 | |
| Electric cranial drill | Rayward Life Technology Co., Ltd | 78001 | |
| Electric shaver | Rayward Life Technology Co., Ltd | CP-5200 | |
| Free movement tank for animals | CMA Microdialysis AB | CMA120 | |
| Heparin sodium injection | Chengdu Haitong Pharmaceutical Co., Ltd | H51021208 | |
| Iodophor | Sichuan Lekang Pharmaceutical Accessories Co., Ltd | 202201 | |
| Isofluran | Rayward Life Technology Co., Ltd | R510-22 | |
| Microdialysis catheter stylet | CMA Microdialysis AB | 8011205 | |
| Microdialysis collection tube | CMA Microdialysis AB | 7431100 | |
| Microdialysis collector | CMA Microdialysis AB | CMA4004 | |
| Microdialysis fep tubing | CMA Microdialysis AB | 3409501 | |
| Microdialysis in vitro stand | CMA Microdialysis AB | CMA130 | |
| Microdialysis microinjection pump | CMA Microdialysis AB | 788130 | |
| Microdialysis syringe (1.0 mL) | CMA Microdialysis AB | 8309020 | |
| Microdialysis tubing adapter | CMA Microdialysis AB | 3409500 | |
| Non-absorbable surgical sutures | Shanghai Tianqing Biological Materials Co., Ltd | S19004 | |
| Ophthalmic forceps | Rayward Life Technology Co., Ltd | F12016-15 | |
| Osmometer | Löser | OM 807 | |
| Sodium hyaluronate eye drops | URSAPHARM Arzneimittel GmbH | H20150150 | |
| Stereotaxie apparatus | Rayward Life Technology Co., Ltd | 68025 | |
| Surgical scissors | Rayward Life Technology Co., Ltd | S14014-15 | |
| Surgical scissors | Shanghai Bingyu Fluid technology Co., Ltd | BY-103 | |
| Syringe needle | CMA Microdialysis AB | T56518 | |
| Trypsin solution | Boster Biological Technology, Ltd. |
PYG0107 | |
| Ultrasonic cleaner | Guangdong Goote Ultrasonic Co., Ltd | KMH1-240W8101 |
References
- Erkkinen, M. G., Kim, M. O., Geschwind, M. D. Clinical neurology and epidemiology of the major neurodegenerative diseases. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 10 (4), 033118 (2018).
- Salehi, A., Zhang, J. H., Obenaus, A. Response of the cerebral vasculature following traumatic brain injury. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (7), 2320-2339 (2017).
- Kurtzman, R. A. e. m. 3., Caruso, J. L. High-altitude illness death investigation. Academic Forensic Pathology. 8 (1), 83-97 (2018).
- Matsumoto, T., et al. Pharmacokinetic study of Ninjin’yoeito: Absorption and brain distribution of Ninjin’yoeito ingredients in mice. Journal of Ethnopharmacology. 279, 114332 (2021).
- Mahat, M. Y., et al. An improved method of transcutaneous cisterna magna puncture for cerebrospinal fluid sampling in rats. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 272-279 (2012).
- Ceaglio, N., et al. High performance collection of cerebrospinal fluid in rats: evaluation of erythropoietin penetration after osmotic opening of the blood-brain barrier. Journal of Neuroscience Methods. 219 (1), 70-75 (2013).
- Bothwell, S. W., Janigro, D., Patabendige, A. Cerebrospinal fluid dynamics and intracranial pressure elevation in neurological diseases. Fluids and Barriers of the CNS. 16 (1), 9 (2019).
- Barthel, L., et al. A step-by-step guide for microsurgical collection of uncontaminated cerebrospinal fluid from rat cisterna magna. Journal of Neuroscience Methods. 352, 109085 (2021).
- Zhao, Y., Yang, Y., Wang, D. X., Wang, J., Gao, W. Y. Cerebrospinal fluid amino acid metabolite signatures of diabetic cognitive dysfunction based on targeted mass spectrometry. Journal of Alzheimer’s Disease. 86 (4), 1655-1665 (2022).
- Lim, N. K., et al. An improved method for collection of cerebrospinal fluid from anesthetized mice. Journal of Visualized Experiments. (133), e56774 (2018).
- Hendrickx, S., et al. A sensitive capillary LC-UV method for the simultaneous analysis of olanzapine, chlorpromazine and their FMO-mediated N-oxidation products in brain microdialysates. Talanta. 162, 268-277 (2017).
- Chefer, V. I., Thompson, A. C., Zapata, A., Shippenberg, T. S. Overview of brain microdialysis. Current Protocols in Neuroscience. , (2009).
- Hammarlund-Udenaes, M. Microdialysis as an important technique in systems pharmacology-a historical and methodological review. The AAPS Journal. 19 (5), 1294-1303 (2017).
- Anderzhanova, E., Wotjak, C. T. Brain microdialysis and its applications in experimental neurochemistry. Cell and Tissue Research. 354 (1), 27-39 (2013).
- Mohammadi, A., Rashidi, E., Amooeian, V. G. Brain, blood, cerebrospinal fluid, and serum biomarkers in schizophrenia. Psychiatry Research. 265, 25-38 (2018).
- Lashley, T., et al. Molecular biomarkers of Alzheimer’s disease: progress and prospects. Disease Models & Mechanisms. 11 (5), 031781 (2018).
- Kawata, K., Tierney, R., Langford, D. Blood and cerebrospinal fluid biomarkers. Handbook of Clinical Neurology. 158, 217-233 (2018).
- Zhao, Q. P., et al. Protective effects of dehydrocostuslactone on rat hippocampal slice injury induced by oxygen-glucose deprivation/reoxygenation. International Journal of Molecular Medicine. 42 (2), 1190-1198 (2018).
- Wang, X. B. . Protective effects of dehydrocostuslactone on oxygen-glucose deprivation injury in rat hippocampal slices. , (2017).
- Coimbra-Costa, D., Alva, N., Duran, M., Carbonell, T., Rama, R. Oxidative stress and apoptosis after acute respiratory hypoxia and reoxygenation in rat brain. Redox Biology. 12, 216-225 (2017).
- Liu, H. Y., Chou, K. H., Chen, W. T. Migraine and the Hippocampus. Current Pain and Headache Reports. 22 (2), 13 (2018).
- Toda, T., Parylak, S. L., Linker, S. B., Gage, F. H. The role of adult hippocampal neurogenesis in brain health and disease. Molecular Psychiatry. 24 (1), 67-87 (2019).
- Wang, P., Lo Cascio, F., Gao, J., Kayed, R., Huang, X. F., F, X. Binding and neurotoxicity mitigation of toxic tau oligomers by synthetic heparin like oligosaccharides. Chemical Communications. 54 (72), 10120-10123 (2018).
- Han, J. Y., Li, Q., Ma, Z. Z., Fan, J. Y. Effects and mechanisms of compound Chinese medicine and major ingredients on microcirculatory dysfunction and organ injury induced by ischemia/reperfusion. Pharmacology & Therapeutics. 177, 146-173 (2017).
- Peng, T. M., et al. Anti-inflammatory effects of traditional Chinese medicines on preclinical in vivo models of brain ischemia-reperfusion-injury: Prospects for neuroprotective drug discovery and therapy. Frontiers in Pharmacology. 10, 204 (2019).
- König, M., Thinnes, A., Klein, J. Microdialysis and its use in behavioural studies: Focus on acetylcholine. Journal of Neuroscience Methods. 300, 206-215 (2018).
- Liu, M. Z., Wang, P., Yu, X. M., Dong, G. C., Yue, J. Intracerebral microdialysis coupled to LC-MS/MS for the determination tramadol and its major pharmacologically active metabolite O-desmethyltramadol in rat brain microdialysates. Drug Testing and Analysis. 9 (8), 1243-1250 (2017).
- de Lima Oliveira, M., et al. Cerebral microdialysis in traumatic brain injury and subarachnoid hemorrhage: state of the art. Neurocritical Care. 21 (1), 152-162 (2014).
- Amiridze, N., Dang, Y., Brown, O. R. Hydroxyl radicals detected via brain microdialysis in rats breathing air and during hyperbaric oxygen convulsions. Redox Report. 4 (4), 165-170 (1999).
- Chang, H. Y., Morrow, K., Bonacquisti, E., Zhang, W., Shah, D. K. Antibody pharmacokinetics in rat brain determined using microdialysis. MABS. 10 (6), 843-853 (2018).
- Wan, H. Y., et al. Pharmacokinetics of seven major active components of Mahuang decoction in rat blood and brain by LC-MS/MS coupled to microdialysis sampling. Naunyn-Schmiedeberg’s Archives of Pharmacology. 393 (8), 1559-1571 (2020).
- Zheng, H. Z., et al. Pharmacokinetic analysis of Huangqi Guizhi Wuwu decoction on blood and brain tissue in rats with normal and cerebral ischemia-reperfusion Injury by microdialysis with HPLC-MS/MS. Drug Design Development and Therapy. 14, 2877-2888 (2020).
- Bongaerts, J., et al. Sensitive targeted methods for brain metabolomic studies in microdialysis samples. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 161, 192-205 (2018).
- Zhang, Y. Q., Jiang, N., Yetisen, A. K. Brain neurochemical monitoring. Biosensors and Bioelectronics. 189, 113351 (2021).
