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戊四氮诱导的点燃小鼠模型

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DOI：

10.3791/56573

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2018年6月12日

 , 
1Synaptic Plasticity Project, Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science

本文内容

摘要

本方案描述了一种使用戊四氮进行化学点燃的方法，并提供了一种癫痫的小鼠模型。该方案还可用于研究小鼠在癫痫发作后对惊厥诱导的易感性及发病机制。

摘要

戊四氮（Pentylenetetrazole, PTZ）是一种GABA-A受体拮抗剂。向动物腹腔注射高剂量PTZ可诱发急性且严重的癫痫发作，而反复注射亚惊厥剂量的PTZ则可用于建立化学点燃模型，即一种癫痫模型。单次注射低剂量PTZ可引起轻度癫痫发作但不伴随惊厥。然而，重复注射低剂量PTZ会逐渐降低诱发惊厥性癫痫发作的阈值。最终，持续给予低剂量PTZ可诱导出严重的强直-阵挛性癫痫发作。该方法操作简便，广泛适用于研究癫痫的病理生理机制，癫痫被定义为一种以反复发作性癫痫发作为特征的慢性疾病。这种化学点燃方案可在动物体内引发反复癫痫发作。利用该方法，可评估动物对PTZ诱导癫痫发作的易感性或癫痫发作加重的程度。这些优势使得该方法被广泛用于抗癫痫药物及癫痫相关基因的筛选。此外，该方法也被用于研究癫痫发作后的神经元损伤，因为在癫痫患者脑组织中观察到的组织学改变同样出现在化学点燃动物的脑内。因此，该方案可用于便捷地构建癫痫动物模型。

引言

癫痫是一种慢性神经系统疾病，以反复发作的癫痫发作为特征，影响约1%的人口。在临床研究中，无法完全阐明癫痫患者癫痫发生及癫痫发作的潜在机制。因此，研究癫痫需要合适的动物模型1。

已采用多种癫痫动物模型来研究癫痫的生理学机制并筛选抗癫痫药物2,3。在这些模型中，药理学诱导惊厥是一种常用于建立癫痫病理研究动物模型的方法4。该方法成本低且操作简便。电极介导的点燃法也是一种常用方法，但该技术成本较高，且需要手术和电刺激技术以诱发重复性惊厥发作5。

药理学诱导还具有优势，因为癫痫发作的时间和次数易于控制。表现出自发性癫痫发作的转基因小鼠模型也常用于癫痫研究。然而，在这些遗传模型中，可能无法预测癫痫发作的时间和频率6。需要使用监测系统来观察基因修饰小鼠的癫痫行为6。

红藻氨酸、匹罗卡品和戊四氮（PTZ）被广泛用作诱发癫痫发作的药物7。红藻氨酸是谷氨酸受体的激动剂，而匹罗卡品可激活胆碱能受体。PTZ 是γ-氨基丁酸（GABA）-A 受体拮抗剂8。PTZ 抑制抑制性突触的功能，导致神经元活动增强，从而在动物中引发全身性癫痫发作9。单次注射红藻氨酸或匹罗卡品可诱发急性癫痫发作，尤其是癫痫持续状态（SE）10,11，而红藻氨酸或匹罗卡品介导的癫痫持续状态可促进慢性自发性反复癫痫发作的发生12,13。脑电图（EEG）记录和行为学分析表明，单次注射后约一个月可观察到自发性反复癫痫发作12,13。单次给予致惊厥剂量的 PTZ 同样可诱发急性癫痫发作。然而，单次注射 PTZ 难以诱导慢性自发性癫痫发作，需通过长期反复给予 PTZ 才能诱发重复性癫痫发作14。无论采用何种方法，重复性癫痫发作的产生比急性癫痫发作更能模拟人类癫痫的病理特征。在 PTZ 模型中，每次注射均会引发一次癫痫发作，且随着注射次数增加，癫痫发作的严重程度逐步加重。最终，单次低剂量 PTZ 注射即可诱发严重的强直-阵挛性癫痫发作。在此阶段，每次注射均会引起严重的癫痫发作。此外，癫痫发作的潜伏期和持续时间也会随着注射过程而发生变化。在点燃过程的后期，强直性发作的潜伏期通常会缩短15。此外，癫痫发作加重常伴随发作持续时间的延长16。研究调控癫痫发作严重程度、潜伏期和持续时间的分子机制，对于筛选抗癫痫药物具有重要意义17,18,19。

惊厥通常通过单次全身给予PTZ诱导，且恢复非常迅速，一般在30分钟内4,5。因此，在PTZ点燃模型中，惊厥发作次数更易于控制。然而，脑电图（EEG）监测表明，PTZ诱导的惊厥后最多可达12小时仍可观察到全身性尖波20。因此，为了更精确地分析点燃机制，动物在肌阵挛或强直性惊厥发作后应最好继续观察24小时21。

在注射PTZ之前或之后给予抗癫痫药物（如乙琥胺、丙戊酸、苯巴比妥、氨己烯酸和瑞替加滨3），可减轻癫痫发作严重程度的加重3,22,23。同样，缺乏与癫痫发作加重相关基因（如基质金属蛋白酶-924、成纤维细胞生长因子-2225和神经调素26）的基因敲除小鼠，在多次注射PTZ后也表现出较轻的癫痫发作严重程度。此外，该方法还可用于观察癫痫发作后的组织病理学改变。在颞叶癫痫患者中，大脑会出现典型的组织学变化，例如苔藓纤维出芽27,28、颗粒细胞神经元异常迁移29、星形胶质细胞增生30、海马区神经元细胞死亡31,32以及海马硬化33。在癫痫动物模型中也可观察到类似的变化。在现有的多种建模方法中，PTZ介导的化学点燃法是一种良好、可重复且经济的癫痫动物模型制备方法。在匹罗卡品诱导的持续性癫痫（SE）模型中， seizure 控制较为困难，许多小鼠会死亡或未能成功诱导出SE34。相比之下，PTZ模型中的死亡率和癫痫发作严重程度更易于控制。此外，PTZ比红藻氨酸更便宜，且给药过程无需进行小鼠脑部手术操作。

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方案

所有实验程序均经东京都医学科学研究所动物护理与使用委员会批准。建议使用出生后8至16周龄的小鼠。任何近交系小鼠均可用于本实验。C57BL/6小鼠对PTZ的耐受性较强，而BALB/c和Swiss albino小鼠对PTZ更为敏感。本研究中使用了C57BL/6小鼠。小鼠对PTZ的易感性也与其年龄有关。与年轻小鼠相比，年老小鼠对PTZ的反应性较低35。本方法所用动物数量可有所变化，但每种实验条件至少需要6至10只动物。

1. PTZ 的制备

  1. 将2 mg/mL的PTZ溶解于无菌0.9% (w/v) NaCl中。PTZ需在使用当天配制。

2. PTZ 注射

  1. 所有实验均在上午9:00至中午12:00之间进行。
  2. 测量动物的体重。
  3. 将动物放入观察室中进行适应性训练。
  4. 在适应期（3分钟）内，根据动物体重和先前确定的注射剂量计算PTZ溶液的注射体积。
    注：例如，当使用35 mg/kg PTZ时，一只体重为25 g的小鼠需要0.875 mg PTZ（35 mg/kg × 0.025 kg = 0.875 mg）。因此，应注射437.5 μL的2 mg/mL PTZ溶液（0.875 mg / 2 mg/mL = 0.4375 mL）。PTZ的注射剂量取决于小鼠的基因型和品系。对于野生型C57BL/6小鼠，首次实验建议使用30–35 mg PTZ/kg体重的剂量。小鼠对PTZ的敏感性因品系而异36,37。注射剂量应根据实验目的进行调整。
  5. 使用连接27号针头的1 mL注射器，将PTZ经腹腔注射至动物腹部左侧或右侧象限。避免在中线位置注射。
    1. 避免在同一位置重复注射。
  6. 在给予PTZ后观察动物行为30分钟（图1A），并按以下标准对异常行为进行分类和评分。如条件允许，应持续观察动物24小时，或至少在注射后额外观察6–10小时，特别是当惊厥严重程度评分达到3分或以上时。
    1. 注意在30分钟观察期之后动物是否出现轻微惊厥或行为变化。延长观察时间有助于全面评估亚惊厥剂量PTZ在癫痫模型中诱发慢性自发性惊厥的重要效应。
    2. 此外，应测量每次观察到的惊厥持续时间，因为惊厥持续时间的变化与惊厥严重程度相关。同时，记录注射PTZ后首次惊厥的潜伏期也是重要的观测指标。监测惊厥频率、持续时间和潜伏期对于任何惊厥后的分子生物学研究均至关重要。
  7. 每隔一天注射一次PTZ（图1A）。注射次数取决于实验目的。典型示例如下：
    1. 为建立完全点燃的动物模型，当动物出现评分达5分（强直-阵挛性惊厥）的惊厥时，在此基础上再进行三次注射后终止。若连续三次注射后惊厥评分未上升，可适当增加注射剂量。每只动物接受的PTZ注射次数和剂量可不同。
    2. 在评估抗癫痫药物效果或研究基因修饰小鼠表型等实验中，为比较动物对PTZ的易感性，应在各实验组中固定PTZ注射次数和剂量。所有动物均接受相同次数的PTZ注射，建议总数为8至12次。若动物死亡，其惊厥评分记为6分。
    3. 为研究癫痫发作引起的组织病理学改变，需确定一个能够维持高惊厥评分（4或5分）至少10次以上的PTZ注射剂量。此种情况下，总注射次数应在25至30次之间。若惊厥评分达到5分，可降低注射剂量；若评分降至3分或以下，则应增加注射剂量。

3. 癫痫发作评分

  1. 观察动物行为并记录评分。
    1. 根据以下标准对癫痫样行为进行分类和评分38,39（图1B）：
      0分：正常行为，无异常表现。
      1分：静止不动，俯卧。
      2分：点头，面部、前肢或后肢肌阵挛。
      3分：持续性全身肌阵挛，肌阵挛性抽动，尾巴僵直竖起。
      4分：直立，强直性发作，侧倒。
      5分：强直-阵挛性发作，仰倒，剧烈冲撞和跳跃。
      6分：死亡。
  2. 根据实验条件，参照Racine评分40调整行为学判定标准。

4. 癫痫发作后分析

  1. 免疫组织病理学分析
    1. 灌注固定
      1. 准备
        1. 将4%（w/v）多聚甲醛（PFA）溶于0.1 M磷酸盐缓冲液（pH 7.4）中。加入一滴1 M NaOH（每50 mL PFA溶液约1 µL 1 M NaOH），将溶液加热至约70 °C。
        2. 配制冰预冷的4% PFA和磷酸盐缓冲液（PBS）。
        3. 设置一个蠕动泵，连接管路和针头。让约20 mL的水通过管路，以清除残留物。然后将管路的开口端置于冰冻的PBS中。
      2. 经心灌注及固定脑组织的制备
        1. 在小罐中使用50%异氟烷/50%乙醇对小鼠进行深度麻醉。
        2. 将小鼠保持仰卧位，用针固定其前肢和后肢的末端。
        3. 沿腹部腹侧中线剪开，暴露膈肌。
        4. 沿肋缘剪开膈肌，随后剪开肋骨和躯体的两侧。用持针器夹住剑突并翻转胸骨。通过针固定或用镊子夹住剑突以保持其位置，暴露心脏。
        5. 将针头插入左心室，并用剪刀在右心房处剪开一个小口。注意不要将针头插入过深，以免刺穿心脏内部壁层。
        6. 通过针头持续灌注冰冷的PBS以冲洗血液（流速约为15–20 mL/min）。
        7. 当血液完全从体内清除后，将导管移入4%多聚甲醛溶液（约60 mL）中，避免产生气泡。随后停止灌注。
        8. 用解剖剪剪断后颈部和脊柱，剥离头部皮肤及颅骨背侧部分。
        9. 在眼眶之间切断上颌骨，并完全移除颅骨的背侧部分。
        10. 从后方在脑与方骨之间制造间隙，剪断脑下方的三叉神经和视交叉。小心取出脑组织并置于含有4%多聚甲醛的样品瓶中。在4°C下后固定12–16小时。
    2. 脑切片制备
      1. 将固定好的脑组织转移至20%蔗糖/PBS溶液中，直至脑组织沉入溶液底部，以实现冷冻保护。
      2. 根据所需的切片方向和脑区部位，切割固定好的脑组织。
      3. 设置冷冻切片机。将刀片安装到位，并将切片机载物台温度维持在 -20 °C 以下。
      4. 将预切好的脑组织置于载物台上，并用20%蔗糖/PBS溶液覆盖。蔗糖/PBS溶液将逐渐冻结，包裹住载物台上的脑组织，直至脑组织完全包埋于冻结的20%蔗糖/PBS中。
      5. 用刀片将脑组织切成30 µm厚度的切片。将切片转移至PBS中，并于4 °C保存。
    3. 荧光免疫组织化学
      1. 用 0.1% Triton X-100/PBS（PBST）在室温下洗涤必要切片，每次 10 分钟，共洗涤 3 次。
      2. 将切片在含2%正常山羊血清或5%牛血清白蛋白（BSA）的PBST中，于室温下孵育1 - 2小时进行封闭。
      3. 在4 °C下，将切片置于含有适当浓度一抗的PBST溶液中，加入2%正常山羊血清或5% BSA，孵育1至7个夜晚。
      4. 用PBST在室温下洗涤切片，每次10分钟，共洗3次。
      5. 在避光条件下，于室温将切片在含有适当浓度二抗的PBST溶液中孵育1-2小时。
      6. 将切片置于载玻片上，加入封片剂并加盖盖玻片。
      7. 使用荧光显微镜观察切片。
  2. 三箱实验
    1. 准备
      1. 准备至少2只同性别、2至6月龄的129/Sv小鼠作为待测小鼠的 "陌生小鼠" 在分析前使笼内所有小鼠适应环境。每次训练时，将小鼠放入笼中，静置15分钟。
      2. 每次对实验小鼠进行习惯化阶段之前，使用70%乙醇擦拭整个装置及两个笼子的表面以进行清洁。
      3. 将空笼子放入三室装置两侧的侧室中，并打开各室之间的门。
      4. 为使实验小鼠适应环境，将实验小鼠置于中央区域，允许其在装置内自由活动，直至小鼠探索过两个笼子区域，并额外继续自由活动5分钟。若实验动物对笼子表现出恐惧，在20分钟内未接近并探索笼子，则不应将其用于后续分析。此类动物会回避笼子，极少靠近笼子区域。
      5. 动物进入中央腔室后，关闭舱门，让小鼠在中央腔室中自由活动5分钟。在此期间，将一只129/Sv小鼠放入笼中，使其适应笼内环境。
    2. 社会性分析
      1. 在实验小鼠适应期结束后立即进行该分析。
      2. 将装有129/Sv小鼠的笼子，称为 "陌生人1的笼子"，置于其中一个侧室，并将称为空笼的空置笼子 "物体笼"在另一侧室中。
      3. 打开门并观察实验小鼠的行为。
      4. 让实验小鼠自由活动10分钟，并记录以下行为参数。若实验小鼠表现出对“陌生鼠1”笼内小鼠的恐惧，表现为回避“陌生鼠1”笼并持续停留在某一 chamber 的角落，则该动物不应纳入分析。
        a) 在每个区域所花费的时间，包括陌生鼠1区域、物体区域和中心区域。
        b) 小鼠分别在每个笼子、Stranger 1 笼子和物体笼子中探索的时间。（如果小鼠正在嗅闻或触碰小鼠或笼子，则被判定为正在探索该笼子）
        c) 进入每个腔室的次数（可选）
        d) 总移动距离（可选）
      5. 当小鼠进入中央腔室后，关闭舱门。
    3. 社会新颖性分析
      1. 在完成社交性分析后立即进行此项分析。
      2. 用70%乙醇擦拭两个笼子。
      3. 将另一只129/Sv小鼠放入其中一个笼子中，称为 "陌生鼠2号笼" 并将Stranger 2笼子放入其中一个 chamber。将Stranger 1小鼠放入另一个笼子，称为 "陌生人1的笼子"，并将Stranger 1笼具放入另一侧腔室。
      4. 打开门并观察实验小鼠的行为。
      5. 让实验小鼠自由活动10分钟，并测量社交性分析中所述的相同行为参数。
        注意：应随机选择陌生小鼠1和陌生小鼠2。陌生小鼠1所在腔室与物体腔室，以及陌生小鼠1所在腔室与陌生小鼠2所在腔室的配置应随机确定。
  3. 情境性恐惧辨别
    1. 预处理
      1. 每次条件化试验前，用70%乙醇擦拭实验装置表面以清洁。
      2. 将一只小鼠放入具有特定条件的条件化装置中（装置形状、墙壁颜色、地板材质、气味、光照强度和背景噪音分贝需预先确定）。例如，本实验所用的条件化装置为方形，具有透明聚甲基丙烯酸甲酯壁、金属网格地板、乙醇气味、100 lux光照强度以及65 dB背景白噪音。
      3. 以0.1 mA电击，每次持续2秒，共3次，在5分钟内采用伪随机时间间隔对小鼠进行足部电击驯化。
      4. 条件刺激结束后，将小鼠放回原饲养笼。
    2. 记忆评估
      1. 每次评估前，使用70%乙醇擦拭表面以清洁实验装置。
      2. 条件处理后的第二天，将小鼠放入与电击条件相同的装置中，记录5分钟内的僵直时间。
      3. 当天晚些时候，将小鼠放入一个新颖的装置中，记录5分钟评估期间的僵直时间。本实验采用一个三角形装置，其壁和底板为白色有机玻璃，无气味，光照强度为30 lux，背景为70 dB白噪声。
      4. 比较相同环境与新环境下的僵直时间。具有正常记忆能力的小鼠在相同环境中表现出的僵直时间应长于新环境。僵直定义为动物静止不动持续超过2秒。

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结果

重复注射PTZ可诱导癫痫发作严重程度增加。6只C57BL/6小鼠接受PTZ处理，另6只小鼠注射生理盐水作为对照组。PTZ剂量为35 mg/kg，共给予10次注射。随着PTZ注射次数增加，癫痫发作评分逐渐升高，而生理盐水注射未引发任何癫痫发作或异常行为（图2）。采用ANOVA分析后进行Bonferroni检验，结果显示PTZ处理组与生理盐水处理组之间存在显著差异。

反复发作的癫痫会促进海马区轴突分支异常形成（苔藓纤维出芽）以及颗粒细胞的异常迁移。小鼠接受了为期25次的PTZ注射处理（剂量在24 mg/kg至35 mg/kg之间调整，以维持小鼠出现严重癫痫发作，同时避免因发作过重导致死亡）。最后一次注射后3周固定小鼠脑组织。对照组脑组织在PTZ注射前进行固定。脑切片使用抗synaptoporin抗体（x 500）和抗ZnT3抗体（x 500）进行免疫染色，以观察苔藓纤维出芽（

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讨论

本文介绍了一种易于实施的药理学癫痫动物模型建立方案。戊四氮（PTZ）介导的化学点燃模型历史悠久，是研究癫痫组织病理学和细胞病理学的常用模型41。Suzdak 和 Jansen（1995年）曾对该癫痫化学点燃模型进行了综述42。药理学诱导癫痫发作，尤其是使用PTZ，是一种简便易行的诱发严重癫痫发作的方法。注射剂量的变化与癫痫发作严重程度相关。因此，通过多次试验调整PTZ剂量并观察相应行为变化，很容易确定合适的剂量。

许多研究人员已尝试构建作为癫痫模型的基因敲除或基因敲入小鼠，并成功获得了可自发出现癫痫发作的小鼠43,44。然而，药理学诱导癫痫发作仍被视为一种良好的癫痫模型。另一种常见的癫痫诱导方法是通过植入电极至动物脑内，诱发电休克介导的癫痫发作，该方法无需基因修饰。但此方法成本较高、操作困难，且需要熟练的手术技巧以将电极精确植入脑内特定位置

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本工作部分得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究费补助金（编号24700349、24659093、25293239、JP18H02536和17K07086）、文部科学省（MEXT）科学研究费补助金（编号25110737和23110525）、日本医疗研究开发机构（AMED）资助编号JP18ek0109311，以及SENSHIN医学研究基金会和日本癫痫研究基金会的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
戊四氮Sigma-AldrichP6500
氯化钠MANAC7647-14-5
小鼠CLEA JapanC57Bl/6NJcl，出生后8周，雄性
注射器（1 mL）TerumoSS-01T
针头（27G × 3/4"）（0.40 × 19 mm）TerumoNN-2719S
电子天平MettlerPE2000该产品已停产。功能几乎等同于A&D公司生产的FX-2000i与FXi-12-JA组合。
多聚甲醛Sigma-AldrichP6148
氢氧化钠nacalai tesque31511-05
蠕动泵ATTOSJ1211
蔗糖nacalai tesque30404-45
切片机YamatoREM-700该产品已停产。功能几乎等同于REM-710。
切片机刀片FeatherS35
Triton X-100Sigma-AldrichX-100
抗突触孔蛋白抗体Synaptic systems102 002
抗ZnT3抗体Synaptic systems197 002
抗双皮质素抗体Santa Cruzsc-8066该产品已停产。我们未测试其替代产品（sc-271390）。
情境性恐惧辨别实验装置O'hara
三室实验装置Muromachi

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