制备并植入电极以电点燃VGAT-Cre小鼠，建立颞叶癫痫模型

摘要

本报告描述了基于转基因VGAT-Cre小鼠电点燃建立颞叶癫痫模型的方法。点燃后的VGAT-Cre小鼠可能有助于确定癫痫的病因，并可用于新型疗法的筛选。

摘要

研究发现，对VGAT-Cre小鼠进行电点燃可导致自发性运动性发作和脑电图癫痫样放电。近期一篇论文聚焦于这种独特的VGAT-Cre小鼠在点燃后出现自发性反复癫痫发作（SRS）的现象，并提出一种可能的机制——Cre基因插入VGAT基因内部，导致其表达受阻，进而降低GABA能张力。本研究将上述发现扩展至更大规模的小鼠群体，重点关注点燃后SRS持续时间以及动物性别和年龄的影响。本报告描述了以下关键步骤的实验方案：制备带有海马深度电极的头戴装置，用于电刺激及脑电图记录；手术将头戴装置牢固固定于小鼠颅骨上，防止脱落；以及电点燃方案中的关键技术参数，包括脉冲持续时间、刺激串频率、刺激串持续时间及注入电流强度。该点燃方案具有高度可重复性，可在大多数VGAT-Cre小鼠中稳定诱导癫痫表型，从而为新型抗癫痫发生药物的筛选提供了一个新的动物模型。

引言

癫痫是一种主要的神经系统疾病，给社会经济和人类健康带来沉重负担。美国国家神经疾病与卒中研究所（NINDS）估计，美国有300万癫痫患者，其中约60万患者患有颞叶癫痫（TLE）¹。遗憾的是，由于疗效不佳、药物耐药性的产生或对副作用不耐受，约三分之一的TLE患者无法通过药物治疗得到有效控制²。显然，迫切需要开发针对TLE的新型疗法，这一观点得到了美国癫痫学会基础科学委员会、国际抗癫痫联盟前临床癫痫药物发现工作组以及国家神经疾病与卒中咨询委员会的一致认可^3,4。

目前的颞叶癫痫动物模型通常使用化学致痫剂（例如红藻氨酸、匹罗卡品）或长时间电刺激来诱导持续性癫痫发作^5,6,7。许多动物在实验过程中死亡（大鼠死亡率为10%–30%，小鼠可高达90%⁸）。存活并发展为癫痫的动物表现出全脑范围内的广泛神经元死亡^9,10。这种神经元死亡会引发一系列连锁反应，最初表现为小胶质细胞、星形胶质细胞以及浸润性单核细胞的激活。神经元层面的反应包括神经环路重组（例如苔藓纤维出芽）、新生神经元无法正常整合到环路中（例如异位颗粒细胞）以及导致神经元过度兴奋的内在改变（例如Na⁺通道上调）。一种不伴随显著神经元死亡的癫痫模型将有助于促进新型抗癫痫药物的筛选与研究。

在检验癫痫的GABA假说时发现，采用轻度电刺激点燃法处理VGAT-Cre小鼠可导致其出现自发性运动性发作和脑电图癫痫样放电¹¹。通常情况下，啮齿类动物的电刺激点燃模型不会引发定义癫痫的自发性癫痫发作，除非出现过度点燃的情况¹¹。VGAT-Cre小鼠在囊泡GABA转运蛋白（VGAT）基因的调控下表达Cre重组酶，而该基因特异性地表达于GABA能抑制性神经元中。研究发现，Cre基因的插入破坏了VGAT在mRNA和蛋白质水平的表达，从而损害了海马区的GABA能突触传递。因此得出结论：点燃后的VGAT-Cre小鼠可用于研究癫痫发生机制以及筛选新型治疗药物¹¹。本报告详细介绍了该模型构建所采用的方法。

方案

动物使用遵循ARRIVE¹²指南，并经弗吉尼亚大学动物护理与使用委员会批准。

1. 制作带有两个双极电极的耳机（图1）

图1：脑电帽制备的关键步骤。（A）电极在实验流程各阶段的外观（左侧数字对应相应步骤）。（B）最终产品安装于自制支架中的照片，该支架可适配立体定位仪。注意，支架末端为一个可插入脑电帽基座的卡扣式针状组件。请点击此处查看该图的放大版本。

1. 剪取一段长度为 3.5 cm 的不锈钢聚四氟乙烯涂层不锈钢丝。
2. 将导线两端的绝缘涂层剥离约 1 mm。注意不要剥离过多导线。
3. 将两个插针插入台钳夹具中，插针底部较长的狭缝朝下。
4. 在导线裸露的两端以及插针顶部涂抹助焊剂。
5. 用适量焊料对导线裸露部分进行镀锡，以完全覆盖为宜。
6. 在插针顶部添加极少量焊料，避免溢出至侧面。
7. 当焊料熔化时，将导线一端裸露部分尽可能深入地插入插针内。
   注意：插针侧面有出线孔——请勿让导线从此孔穿出。所有裸露的导线部分必须完全保留在插针内部。
8. 对第二个插针重复步骤 1.6–1.7，使用导线另一端的裸露部分。
9. 让插针静置 30 秒使其固定，然后从台钳夹具上取下，并轻轻拉扯以确认导线与插针之间的连接牢固可靠。
10. 用冷水冲洗插针，然后将其擦干。
11. 使用欧姆表检测插针 1 与插针 2 之间的导通性。
12. 将导线两端的插针并拢，保持平行且紧密贴合。用止血钳夹住导线中部，然后旋转止血钳，使导线自身紧密缠绕。随后取下止血钳。
13. 用镊子夹住插针下方 2 mm 处的绞合导线，并将导线弯成 90˚ 角。
14. 再次将同一根导线在镊子上反向弯折 90˚，在距第一弯折处 1 mm 处形成第二个弯折。
15. 使用小型锋利剪刀，在第二个弯折下方 3.5 mm 处以 45° 角剪断绞合导线。
16. 为每个头戴装置准备两个上述双极（双插针绞合）电极（可选：第二个作为备用，以防第一个出现电气故障）。
17. 通过将两端已焊接插针的导线（步骤 1.1–1.17）剪成两段，制备一个单参考电极（图 1A）。
18. 将导线剪至 7 mm 长。
19. 在针尖下方 1 mm 处弯折导线末端。
20. 然后用镊子夹住已弯折的 1 mm 针尖部分，将导线在镊子上紧密缠绕，形成一个直径为 1 mm 的小环。
21. 将该环弯折至与导线直段部分垂直，使导线尖端再次向外伸出。
22. 将两个双极电极和一个单参考电极组装到六针基座上，使两个双极电极并排放置，间距为 6 mm，参考电极置于中间外侧孔中（图 1B）。
    注意：另一种方法是先将电极植入并用胶固定，再将插针插入基座。

2. 立体定位电极植入

1. 手术前通过高压灭菌对所有手术器械和六针电极组件进行灭菌。手术过程中必须保持无菌手术区域，并使用无菌外科手套。建议使用无菌敷料（如 Press n’ Seal）覆盖动物，仅暴露手术区域。
2. 使用断奶后4周、8周龄的VGAT-Cre小鼠（年龄匹配，雄性和雌性均可）进行手术。术前记录动物体重，以便测量术后体重减轻情况。
3. 使用经认证的异氟烷蒸发器或配备精密注射泵、集成数字蒸发器和反馈加热垫的低流量麻醉系统。
   注意：低流量系统可根据动物体型，以较低的流速将麻醉气体输送至诱导室或立体定位架上的鼻罩（流速为70 mL/min，空气中异氟烷浓度诱导时为4%，手术时为2%）。使用较少的麻醉剂不仅有利于动物在手术期间的健康，还可降低实验室人员接触异氟烷的风险。
4. 将麻醉后的动物置于预热至指定温度的加热垫上 37 °C 在手术过程中保持其温暖。如果使用反馈控制的温控系统，将少量润滑的温度探针插入动物直肠内，以监测手术期间的体温。
5. 将动物固定在立体定位仪上，轻轻将耳杆插入耳道，门齿钩住门齿杆。将鼻罩罩住鼻部，以确保麻醉气体的正常输送。调整头部位置，确保其水平、居中，并在轻微探触时无移动。
6. 皮下注射0.5 mL的等张平衡盐溶液以补充水分。
7. 涂抹眼用润滑剂以防止角膜干燥。
8. 通过夹捏后肢脚趾后观察是否缺乏退缩反射来监测麻醉深度，术中将异氟烷浓度降至1.5%–2.0%。
9. 在手术区域及其周围通过拔除、剪除（剃除）或使用脱毛膏去除毛发，并用碘伏和乙醇交替涂抹消毒三次，最后以碘伏结束。仅在能够维持该部位麻醉的条件下，才建议在远离手术部位的区域去除毛发。如有必要，可使用蘸有酒精的棉签清除头部周围紧邻区域的毛发。皮下注射0.05 mL局部镇痛药布比卡因（0.25%）。
10. 使用手术刀在颅骨上做一个切口，然后用锋利的手术剪剪除部分皮肤，暴露颅骨。将皮肤向两侧推开，用棉签清除遮挡视野的所有肌肉和下方组织。
    注意：为防止意外出血，应用无菌棉签在出血部位施加压力，直至出血停止。
11. 使用无菌棉签蘸取过氧化氢清洁颅骨，以暴露颅骨缝以及前囟和后囟。
12. 将颅骨彻底干燥，然后使用其附带的涂药器在颅骨上涂抹一滴自酸蚀牙科粘接剂。用刷子将粘接剂均匀涂布于颅骨表面，等待60秒，再用牙科紫外光灯照射40秒进行固化。光亮的表面表明粘接剂已与颅骨有效交联。
    注意：此步骤对于头戴式设备的牢固固定至关重要。
13. 使用0.031英寸（0.79 mm）钻头以约5,000 rpm转速在双侧钻出两个骨孔，用于植入海马深度电极。在枕骨后方小脑上方的λ点后方额外钻一个骨孔，用于参考电极的植入。
    注意：钻孔时，应缓慢下移钻头，避免钻入脑组织。
14. 电极坐标如下（以颅骨缝为基准，单位为毫米）：海马电极位于后3毫米、外侧3毫米、深度3毫米处；小脑参考电极位于后6毫米、外侧0毫米、深度0毫米处（硬膜下）。
15. 为提高准确性，使用立体定位仪固定的钻头，在触碰前囟时将立体定位仪的X/Y轴归零——此点作为坐标的参考点。
16. 通过将所有电极插入六针底座，组装一个头戴装置，确保针脚完全插入底座中。将底座安装到立体定位仪上的电极 holder 中图1B).
17. 将电极对准相应的颅骨钻孔。通过缓慢降低头架并引导电极进入钻孔，利用立体定位法将扭绞的双极不锈钢丝电极植入右侧和左侧海马，参考电极植入小脑。
18. 当海马扭曲电极正好位于孔上方时，将 Z 轴归零并缓慢下降至 -3.0 mm。
19. 用牙科水泥覆盖颅骨表面和电极，并填充颅骨表面与基座底部之间的空隙。皮肤边缘将紧贴牙科水泥，确保无任何下方组织暴露。等待水泥干燥并完全硬化。随后，将电极固定装置从立体定位臂上拆下，并从基座上移除固定装置。
20. 皮下注射0.1 mL酮洛芬（1 mg/mL）以镇痛，以及0.5 mL诺蒙索尔溶液（Normosol）以补充水分，随后将动物从立体定位仪上移除。
21. 将预热至指定温度的恒温垫放置于 37 °C 将动物放入一个内铺纸巾的空饲养笼中。待其完全清醒后，将动物转移至垫有垫料并提供软质食物的清洁笼子中，并放回动物房。此后动物需单只饲养，以防止相互啃咬头戴装置。为避免头戴装置被卡住，不使用金属丝杆饮水器，而是将水瓶绑在笼盖的下方，饲料则放置在垫料中。
22. 术后72小时内为动物提供软质食物，并监测其体重变化和体况评分。若动物出现脱水症状（如体重下降、皮肤回弹时间延长、眼球凹陷），可皮下注射0.5 mL的Normosol。术后可每日皮下注射一次酮洛芬，持续2天（镇痛方案需遵循当地IACUC指南）。动物术后需在笼内完全恢复4至7天，方可转移至脑电图（EEG）记录系统。

3. 电点燃实验方案

1. 将小鼠通过一根与小鼠头部插座和换向器相匹配的柔性电缆连接至脑电图记录系统（参见 材料清单 列表）。在进行以下电刺激方案前，让动物适应环境一天。每天监测其整体健康状况和适应情况，当出现疾病、痛苦征象和/或持续体重下降超过25%时，将其移出系统。
2. 将刺激电极的两根导线连接至恒流刺激器的输出端。
   注意：使用一块电路板将这些电极从脑电图记录仪切换至刺激器是非常有帮助的。
3. 将刺激器设置为在2秒的刺激串持续时间内，以50 Hz频率输出1毫秒的脉冲。
4. 将刺激器的输出设置为 20 微安（µA）并递送 1^st 脉冲
5. 监测脑电图中是否出现特征性的发作后放电，即高频尖波活动持续时间超过电刺激脉冲。
6. 若未观察到放电现象，则增加注入的电流量 20 µA 直至引发后放电，所需电流的大小即为后放电阈值（After-Discharge Threshold, ADT）。
7. 典型的ADT为20-50 µA. 若即使增加到 200 µA然后需要使用高灵敏度欧姆表检查电路连接和耳机线路。如果问题是出在刺激电极上，则尝试使用其他深度电极进行刺激。
8. 通过使用电流刺激来对动物进行点燃，刺激强度为该小鼠ADT值的1.5倍，每日刺激2次或6次。
9. 监测对刺激的行为反应，反应程度从状态改变上升至伴有跌倒的双侧强直-阵挛性发作，采用改良Racine分级系统进行评分¹¹为避免诱发致命性强直性发作，若连续刺激导致发作严重程度和持续时间逐渐加重至修正Racine评分6级（奔跑和跳跃），应暂停点燃过程。

结果

动物
该模型最初是在混合遗传背景的 VGAT-Cre 小鼠（Slc32a1^tm2(cre)Lowl/J）¹³ 上建立的。然而，该模型也已应用于与 C57BL/6J 遗传背景相同的 VGAT-Cre 品系。在不同品系间所发生的癫痫表型未观察到差异。两个品系均在囊泡 GABA 转运蛋白启动子的调控下表达 Cre 重组酶。这些小鼠是通过在 Vgat 基因的终止密码子后敲入 IRES-Cre 盒构建而成。这些小鼠繁殖正常，因此以纯合子形式维持种群。为防止群体发生遗传漂变，应购买新的种鼠，并仅使用 F1 代小鼠进行实验。所有小鼠均饲养于经 AAALAC 认证的动物实验设施中。小鼠可自由获取食物和水，维持 12 小时光照/12 小时黑暗的循环环境，并提供丰富化饲养条件。用于脑电图（EEG）记录的小鼠单独饲养于透明塑料笼（自制）中，以便同步进行视频监测。实验中可使用雄性和雌性小鼠，两性在点燃速率或癫痫发作频率方面未观察到差异。大多数研究在头戴装置手术时使用 8 周龄的小鼠，但也可使用 4 至 20 周龄之间的小鼠。4 周龄...

讨论

本报告描述了一种通过电点燃诱导小鼠癫痫的实验方案。由于刺激电极置于海马内，因此该模型属于局灶性边缘系统癫痫，可模拟患者的颞叶癫痫（TLE）。该方案的关键步骤是使用VGAT-Cre小鼠，这类小鼠因在Vgat基因中插入了IRES-Cre重组酶盒，导致抑制性GABA电流受损¹¹。C57BL/6小鼠在采用此方案进行点燃后不会发展为癫痫，尽管其他品系的小鼠可能可以。

本方案通过将刺激深度电极放置于海马体内进行开发。所提供的坐标以来自内嗅皮层的穿通路投射进入CA1亚区的位置为目标。由于电刺激所诱导的电场尚未明确定义，因此电极的精确位置并不关键。事实上，可在边缘系统环路的任何部位对啮齿类动物进行电点燃，例如杏仁核和梨状皮层¹⁹。本方案中的关键步骤包括：第一，正确焊接脑电图头戴装置，以确保对刺激电流具有低电阻；第二，使用临床牙科中常用的牙科粘合剂固定于颅骨，并为牙科水泥的粘附提供表面；第三，使用恒流放大器递送所述的电脉冲。

故障排...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
16通道细胞外差分交流放大器（115V/60Hz）	AD Instruments	AM3500-115-60	备用脑电图放大器
363/CP 插头护圈，针脚套管	P1 Technologies	363SLEEVPIN0NL	用于电极夹持器
Cable，363-363 5厘米 - 100厘米，带网，6TCM	P1 Technologies	363363XXXXCM004	小鼠至换向器电缆
CCTV摄像头 Qcwox HD Sony 红外LED	索尼	QC-SP316
换向器 SL6C/SB（单电刷）	P1 Technologies	8BSL6CSBC0MT	前身为Plastics One, Inc.
电流放大器	A-M Systems	Model 2100
牙科水泥	斯托尔廷	51459
钻头，#75，外径  0.310" LOC 130 PT	京瓷	105-0210.310
E363/0 插座触点偏斜	P1 Technologies	8IE3630XXXXE	连接器用插针
iBond 自酸蚀粘接剂	Kulzer	CE0197
MS363 基座 2298 6针 白色	P1 Technologies	8K000229801F	脑电图耳机连接器
Ohmeter	辛普森	260	高灵敏度
PowerLab 16/35 和 LabChart Pro	AD Instruments	PL3516/P	替代脑电图软件
SomnoSuite	Kent Scientific Corp.	SS-01	麻醉机 &和右侧温度监测
立体定向钻头和微型马达套件	Foredom Electric Co.	K.1070
立体定向架	David Kopf Instruments	Model 940
用于深部电极的聚四氟乙烯涂层导线，外径 0.008'	A-M Systems	791400
C57BL/6J 近交系背景下的 VGAT-Cre 小鼠	杰克逊实验室	000664