本研究介绍了一种在非麻醉的雄性C57BL/6小鼠中,通过脑电图(EEG)控制深睡眠或非快速眼动(NREM)睡眠阶段,实现脑内Aβ向周围淋巴系统(深部颈淋巴结,dcLNs)淋巴清除的新型便携式tPBM技术,适用于不同年龄的小鼠。
方法文章
本研究介绍了一种在非麻醉的雄性C57BL/6小鼠中,通过脑电图(EEG)控制深睡眠或非快速眼动(NREM)睡眠阶段,实现脑内Aβ向周围淋巴系统(深部颈淋巴结,dcLNs)淋巴清除的新型便携式tPBM技术,适用于不同年龄的小鼠。
脑膜淋巴管(MLVs)在清除大脑毒素方面发挥着重要作用。开发能够刺激MLV功能的创新技术,是治疗多种与MLV异常相关的脑部疾病(包括阿尔茨海默病和帕金森病、脑肿瘤、创伤性脑损伤以及颅内出血)的一个有前景的方向。睡眠是一种自然状态,在此状态下大脑的排水过程最为活跃。因此,在睡眠期间刺激大脑排水功能及MLVs可能产生最显著的治疗效果。然而,目前尚无此类商业化技术存在。
本研究介绍了一种新型便携式经颅光生物调节技术(tPBM),该技术在脑电图(EEG)监控睡眠状态下运行,旨在通过光刺激促进老年BALB/c小鼠脑内毒素(如可溶性淀粉样蛋白β(Aβ))的清除,并能够比较不同光学资源的治疗效果。该技术可在无需麻醉的自然条件下于小鼠的居家笼环境中使用,同时保持小鼠的运动活性。这些数据为开发无创且具有临床前景的光技术开辟了新的前景,可用于矫正与年龄相关的MLV功能及脑部引流过程的变化,并有效清除脑组织中的代谢产物和毒素。该技术既适用于睡眠脑功能的临床前研究,也适用于开发针对睡眠相关脑部疾病的临床治疗方案。
脑膜淋巴管(MLVs)在清除脑组织中的毒素和代谢产物方面发挥着重要作用1,2,3。在多种脑部疾病(包括肿瘤、创伤性脑损伤、出血和神经退行性病变)中,MLVs的损伤常伴随其功能下降,从而促进这些病理过程的进展1,2,3,4,5,6。因此,开发能够刺激MLVs的方法,为有效治疗脑部疾病的新技术带来了广阔前景。近年来,已提出一种非侵入性的经颅光生物调节(tPBM)技术,可用于刺激MLVs并促进血液和Aβ等毒素从脑内清除5,7,8,9,10,11,12。值得注意的是,深度睡眠是激活脑内淋巴引流过程的天然因素13,14。基于这一事实,可以合理推测,在睡眠期间对MLVs进行tPBM干预可能比在清醒状态下产生更有效的治疗效果9,11,12,15。然而,目前尚无可用于睡眠期间实施tPBM的商业化技术16。此外,研究tPBM治疗效应的动物实验通常在麻醉状态下进行,以确保光能准确传递至脑组织。但麻醉会显著影响脑部的引流功能,从而降低研究结果的可靠性17。
Aβ 是正常神经活动的一种代谢产物18。在培养的大鼠皮层神经元中已证实,Aβ 以较高速率从神经元释放到细胞外空间(每神经元每秒释放 2-4 个 Aβ 分子)19。有证据表明,存在于细胞外和血管周围空间的可溶性 Aβ 对神经元和突触毒性最强20。可溶性 Aβ 在人体大脑中可在 1-2.5 小时内被迅速清除21。MLVs 是将可溶性 Aβ 从大脑中清除的通道1,7,其功能随年龄增长而下降,导致 Aβ 在老年大脑中积累1,22。有研究表明,大脑中 Aβ 水平的细胞外异常与衰老过程中的认知功能相关,并与阿尔茨海默病(AD)的发生发展有关23,24。因此,老年和年老的啮齿类动物被视为研究包括 AD 在内的淀粉样变性的转基因模型的替代方案25,26。
本研究介绍了一种原创的、可携带的经颅光生物调节(tPBM)技术,在脑电图(EEG)监测下作用于不同年龄的非麻醉雄性C57BL/6小鼠的深睡眠或非快速眼动(NREM)睡眠阶段,以促进脑内Aβ向周围淋巴系统(深部颈淋巴结,dcLNs)的淋巴清除。
All procedures were performed in accordance with the "Guide for the Care and Use of Laboratory Animals", Directive 2010/63/EU on the Protection of Animals Used for Scientific Purposes, and the guidelines from the Ministry of Science and High Education of the Russian Federation (Nº 742 from 13.11.1984), which have been approved by the Bioethics Commission of the Saratov State University (Protocol No. 7, 22.09.2022).
1. Hardware assembly
2. Software guide (Figure 4)
3. Implantation of an EEG recording system (Figure 5)
4. Implantation of a plate for PBM
5. Preparation of a chronic catheter
6. Implantation of a chronic catheter into the right lateral ventricle
7. tPBM under EEG control of NREM sleep
8. Confocal imaging of lymphatic removal of Aβ from mouse brain
9. Analysis of Aβ in the lysates of brain tissues
第一步研究重点是确定有效光照剂量(1050 nm LED)以促进清醒成年雄性 BALB/c 小鼠(2-3 月龄,26-29 g)脑内荧光标记的 Aβ 通过淋巴系统清除至深颈部淋巴结(dcLNs)。根据我们先前关于经颅光生物调节(tPBM)对脑内不同染料及红细胞清除作用的研究7,8,9,10,11,12,随机选择 10 J/cm2、20 J/cm2, 和 30 J/cm2 作为光照剂量。共聚焦成像结果如图 8A-E 所示,清晰展示了 tPBM 对 Aβ 从脑部经淋巴系统清除至 dcLNs 的剂量依赖性效应。由于在 dcLNs 中检测到更强的 Aβ 荧光信号,30 J/cm2 光照剂量被确定为比 10 J/cm2 和 20 J/cm2 更有效。
第二步的研究旨在利用便携式光照平台,通过不同波长(880 nm、1050 nm、1300 nm)和模式(1050 nm 连续模式和脉冲模式)但相同剂量(30 J/cm2)的光照,寻找最有效促进成年(2–3 月龄,26–29 g)清醒 BALB/c 雄性小鼠脑内荧光标记 Aβ 经淋巴系统清除的波长。图 9A–E 展示了各实验组深颈部淋巴结(dcLNs)的共聚焦成像结果。研究发现,与其它测试波长(880 nm 和 1300 nm)以及 1050 nm 连续模式相比,1050 nm 脉冲模式光照可显著增强荧光标记 Aβ 从脑组织向深颈部淋巴结的清除效果。
在最后一步中,研究了在 EEG 监测非快速眼动睡眠(NREM)和清醒状态的条件下,经过 10 天经颅光生物调节治疗(tPBM)前后,脉冲模式下 1050 nm LED 对老年小鼠脑内可溶性 Aβ 水平的影响。免疫分析结果显示,与成年雄性 BALB/c 小鼠(2–3 月龄,26–29 g)相比,老年雄性 BALB/c 小鼠(16–18 月龄,30–33 g)脑内的可溶性 Aβ 含量显著升高。在深度睡眠期间进行为期 10 天的 tPBM 治疗可有效将老年小鼠脑内的可溶性 Aβ 水平降低至成年小鼠脑内可溶性 Aβ 的水平,而在清醒状态下进行治疗则无此效果。图10).

图1:硬件组装过程。(A)3D打印框架,(B)LED,(C)LED印刷电路板,(D)磁铁,(E)金属垫圈。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:LED控制电路。 R1 — 电流调节电阻,R2 — MOSFET栅极的下拉电阻,Q1 — N沟道MOSFET。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 3:外壳三维视图。(A)3D 打印的盖板,(B)3D 打印的按钮,(C)Arduino 的 LCD 按键扩展板,(D)Arduino,(E)3D 打印的外壳,(F)LED 连接器,(G)沟道 MOSFET。请点击此处查看此图的放大版本。

图4:软件界面。(A)选择按钮,(B)左按钮,(C)上/下按钮,(D)右按钮,(E)选择指示符,(F)PWM占空比选择字段,(G)运行/关闭字段。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:脑电图记录系统的植入。(A)颅骨准备;(B)螺钉植入;(C)使用牙科丙烯酸树脂固定螺钉;(D)脑电图记录传感器的固定;(E)眼轮匝肌背部肌电图电极的植入与固定;(F)将电极焊接到传感器的镀银凹槽中。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:将PBM用固定板安装于颅骨枕骨部位。 请点击此处查看本图的放大版本。

图 7:将慢性导管植入右侧侧脑室。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 8:不同剂量 LED 1050 nm 对荧光标记 Aβ 从脑部向深颈部淋巴结(dcLNs)淋巴清除的影响。 (A-D)来自(A)对照组和接受光生物调节(PBM)治疗组(B)10 J/cm2、(C)20 J/cm2 及(D)30 J/cm2 剂量的 dcLNs 代表性图像;(E)各实验组 dcLNs 中荧光标记 Aβ 累积量的定量分析(n = 8,单因素方差分析结合 Duncan 事后检验,**p < 0.01,*p < 0.05)。请点击此处查看该图的高清版本。

图9不同LED波长对荧光标记Aβ从脑部向深部颈部淋巴结清除的影响 (A-DPBM组使用1050 nm脉冲模式(ImpMode_1050)的深部淋巴结代表性图像, A),880 nm(ImpMode_880, B),1300 nm(ImpMode_1300, C)和连续模式 1050 nm(ContMode_1050 nm, D); (E) 对各实验组小鼠dcLNs中荧光标记Aβ积聚进行定量分析(n = 8,单因素方差分析,Duncan事后检验,**p < 0.01,***p < 0.001) < 0.01). 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 10:脉冲模式下 1050 nm LED 光生物调节(30 J/cm2)在成年和老年小鼠清醒状态及非快速眼动睡眠(NREM)期间对脑内可溶性 Aβ 水平(pg/mL)的影响。 采用单因素方差分析(ANOVA)及 Duncan 事后检验,**p < 0.01,*p < 0.05。请点击此处查看该图的高清版本。
补充代码文件 1:lcd1key.ino 请点击此处下载该文件。
MLV 是开发创新技术的重要靶点,用于调节大脑的引流功能并清除脑内细胞碎片和代谢废物,尤其是在 MLV 功能衰退的老年个体中尤为关键1,22。在稳态条件下,深度睡眠与大脑组织自然清洁的激活密切相关13,14。因此,可以合理预期,在深度睡眠期间刺激 MLV 的效果将优于清醒状态15,16。本文介绍了一种新型的、非侵入性且便携的技术——在 EEG 监测睡眠状态下,采用 tPBM 刺激老年雄性小鼠大脑中可溶性 Aβ 的淋巴清除。
该光平台体积小(7 mm × 11 mm)、重量轻(1 g),可牢固且稳定地安装在小鼠头部,同时保持其自然的运动活动。这还消除了在经颅光生物调节治疗(tPBM)过程中使用麻醉的需要。在深度睡眠期间进行tPBM时,可使用任何商用设备对睡眠阶段进行脑电图(EEG)监测。因此,我们的技术允许在动物的居家饲养笼中开展研究,最大限度地维持其最自然的生活条件。
在第一步中,随机选择波长为1050 nm的LED,用于研究光效应在清醒成年(2-3月龄)小鼠中促进荧光标记的Aβ从脑部经淋巴系统清除至深颈部淋巴结(dcLNs)的有效剂量。选择该波长是基于先前使用1267 nm激光有效刺激脑膜淋巴管(MLVs)的研究数据8,10,27,28,29,30,31,32,33,34。该波长可在脑组织及其脑膜中少量直接生成单线态氧,这是MLVs光生物调节(PBM)的作用机制之一8,28,34。然而,1267 nm激光和1050 nm LED的生物学效应均与单线态氧的激发生成有关35。实际上,1267 nm ± 20 nm激光和1065 nm ± 15 nm LED的波段均与氧分子从基态生成单线态氧的过程相关。1267 nm激光可直接将氧分子泵浦至第一激发单线态,而1065 nm LED对应的则是额外的振动能,该能量迅速衰减并以热的形式释放到环境中。此外,1065 nm波长处的水吸收率比1267 nm波长处低十倍,因此更适用于生物研究35。此外,1050 nm LED在市场上可广泛获得,且成本远低于稀有且昂贵的1267 nm激光器。需注意,本研究中所用1050 nm LED的发射带宽为40 nm,仅部分与单线态氧的吸收带重叠。然而,我们已证实使用1050 nm LED(30 J/cm2)进行经颅光生物调节(tPBM)可显著促进荧光标记Aβ从脑部向dcLNs的淋巴清除。根据dcLNs中Aβ荧光信号强度更高,确定30 J/cm2的光照剂量相较于10 J/cm2和20 J/cm2更为有效。因此,1050 nm LED在将tPBM技术应用于人类方面具有重要价值,这也符合当前以LED替代激光进行光生物调节的普遍趋势36,37。
第二步研究旨在回答何种光波长对成年清醒小鼠脑内荧光标记的 Aβ 经淋巴系统清除最为有效。该部分研究采用便携式光照平台,使用不同波长(880 nm、1050 nm、1300 nm)及模式(1050 nm 连续波与脉冲模式),且保持相同剂量(30 J/cm2)。选择这些波长的原因在于,880 nm 在临床实践中已广泛用于经颅光生物调节治疗(tPBM),而 1300 nm 属于新型昂贵发光二极管(LED),可能具有潜在临床意义。此外,仅针对 1050 nm LED 光源比较了脉冲模式与连续模式的效果。这些数据明确表明,与其他波长以及 1050 nm 连续模式相比,仅 1050 nm 脉冲模式 LED 可显著促进 Aβ 从脑组织向深颈部淋巴结(dcLNs)的淋巴清除。该结果与其他研究者的发现一致,后者也指出采用脉冲式光生物调节(PBM)更有利于实现有效的生物学效应38,39,40。
在最后一步中,当确定了有效波长、剂量和模式后,研究了在 EEG 监测非快速眼动睡眠(NREM)和清醒状态的条件下,脉冲模式下 1050 nm LED 经颅光生物调节治疗(tPBM)10 天疗程前后对老年小鼠脑内可溶性 Aβ 水平的影响。免疫分析结果显示,老年小鼠(16–18 月龄)脑内的可溶性 Aβ 含量显著高于成年小鼠(2–3 月龄)。值得注意的是,在深睡眠期间进行 10 天的 tPBM 治疗能够有效降低老年小鼠脑内的可溶性 Aβ 水平,使其达到成年小鼠脑内可溶性 Aβ 的水平,而在清醒期间进行治疗则无此效果。其他研究也观察到健康小鼠和大鼠随着年龄增长,脑组织中 Aβ 含量增加25,26,这可能与年龄相关的脑膜淋巴管(MLV)功能下降有关,导致这种毒性蛋白无法有效从脑组织中清除1,22。相比清醒小鼠,睡眠小鼠经 tPBM 治疗后更有效地清除脑组织中的可溶性 Aβ,这可归因于睡眠期间脑组织引流功能的自然激活。MLV 的形态随年龄发生显著变化,导致老年脑组织中代谢产物的淋巴清除能力下降22。然而,在睡眠期间进行 tPBM 治疗有助于恢复衰老小鼠脑组织中可溶性 Aβ 的淋巴清除能力,使其达到成年动物的水平。
考虑到光能在穿过颅骨时会发生散射,经颅光生物调节疗法(tPBM)的作用仅限于脑膜淋巴管(MLVs),而无法深入穿透至脑组织内部。然而,尽管目前尚未在人类和动物的脑组织中直接发现淋巴管,越来越多的证据正不断揭示脑淋巴系统存在的可能性41,42,43,44。这可以解释为何毒素(如血液成分和Aβ)能够从脑深部结构(如脑室系统、海马)被清除至MLVs,并进一步转运至外周(dcLNs)5,7。一个多世纪以来积累的知识表明,脑部引流系统与外周淋巴系统之间存在密切联系45。即使在中枢神经系统中尚未确立被广泛认可的淋巴网络的情况下,已有事实表明大分子物质可从脑深部向外周进行淋巴性清除1,2,3,4,5,6,7 。这也解释了为何tPBM尽管仅作用于MLVs,仍能促进血液成分和Aβ从脑内清除5,7。
综上所述,本研究提出了一种在脑电图(EEG)控制睡眠条件下、可便携使用的经颅光生物调节(tPBM)技术,通过老年小鼠脑内可溶性Aβ清除的实例,实现了对不同光学资源治疗效果的比较。该技术可在无需麻醉的情况下于小鼠的居家饲养笼内自然条件下使用,同时保持小鼠正常的自主运动活动。这些数据为开发无创且具有临床前景的光调控技术开辟了新的方向,可用于纠正与年龄相关的脑膜淋巴管(MLV)功能及脑部引流过程的改变,并有效清除脑组织中的代谢产物和毒素。所提出的促进脑部引流及淋巴系统清除脑内毒素的光刺激技术,由于光能穿过颅骨时会发生散射,因而对MLV的作用效果有限。因此,该技术可用于开发针对与MLV功能障碍相关脑部疾病的新治疗方法。MLV最显著的光刺激效应出现在深度(非快速眼动,NREM)睡眠期间,这要求在EEG监控下实施光生物调节(PBM),从而带来了某些技术与编程上的挑战,即需同时精确控制深度睡眠的起始时机与光照干预的施加。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由俄罗斯科学基金会资助(项目编号:23-75-30001)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.1% Tween20 | Helicon, 俄罗斯 | SB-G2009-100ML | |
| 导管 | Scientific Commodities Inc., 美国 | PE-10, 0.28 mm 内径 × 0.61 mm 外径 | |
| CO2 培养箱 | Binder, 德国 | CB-S 170 | |
| 共聚焦显微镜 | Nikon, 日本 | A1R MP | |
| 牙科丙烯酸树脂 | Zermack, 波兰-俄罗斯 | Villacryl S, V130V4Z05 | |
| 钻机 | Foredom, 俄罗斯 | SR W-0016 | |
| Dumont 镊子 | Stoelting, 美国 | 52100-07 | |
| 伊文思蓝染料 | Sigma-Aldrich, 圣路易斯, 密苏里州, 美国 | 206334 | |
| Hamilton | Hamilton Bonaduz AG, 瑞士 | 29 G 针头 | |
| 布洛芬 | Sintez OJSC, 俄罗斯 | 无 | 镇痛药物 |
| 胰岛素针头 | INSUPEN, 意大利 | 31 G, 0.25 mm x 6 mm | |
| 左旋美科抗菌软膏 | Nizhpharm | D06C | 外用,剂量为 40 mg/g,每日 1 次 |
| 微型镊子 | Stoelting, 美国 | 52102-02P | |
| 微量离心机 | Gyrozen, 韩国 | GZ-1312 | |
| 微量注射器 | Stoelting, 美国 | 53311 | |
| 钝头镊子 | Stoelting, 美国 | 52108-83P | |
| PINNACLE 系统 | Pinnacle Technology, 美国 | 8400-K3-SL | 用于记录小鼠脑电图(2 通道)和肌电图(1 通道)的系统 |
| 剃毛机 | Braun | Series 3310s | |
| 单通道和多通道移液器 | Eppendorf, 奥地利 | Epp 3120 000.020, Epp 3122 000.019 | |
| 氯化钠 | Kraspharma, 俄罗斯 | 无 | |
| 焊接站 | AOYUE, 中国 | 无 | |
| 立体定位仪 | Stoelting, 美国 | 51500 | |
| 直头解剖剪 | Stoelting, 美国 | 52132-10P | |
| 四环素 | JSC Tatkhimfarmpreparaty, 俄罗斯 | 无 | 眼膏 |
| 镊子 | Stoelting, 美国 | 52100-03 | |
| 超声波细胞破碎仪 | Biobase, 中国 | USD-500 | |
| 伤口牵开器 | Stoelting, 美国 | 52125 | |
| Xylanit | Nita-Farm, 俄罗斯 | 无 | 肌肉松弛剂 |
| Zoletil 100 | Virbac Sante Animale, 法国 | 无 | 全身麻醉剂 |
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