Eine Pilotstudie zur repetitiven transkraniellen Magnetstimulation von Aβ- und Tau-Spiegeln in der Rhesusaffen-Zerebrospinalflüssigkeit
3. September 2021
Hier beschreiben wir das Verfahren für eine Pilotstudie zur Untersuchung der Wirkung der repetitiven transkraniellen Magnetstimulation mit unterschiedlichen Frequenzen (1 Hz/20 Hz/40 Hz) auf den Aβ- und Tau-Metabolismus in der Rhesusaffen-Zerebrospinalflüssigkeit.
Dieses Protokoll verwendet die serielle Cisterna Magna CSF-Sampling-Methode, um die Auswirkungen von rTMS auf Alpha-Beta- und Tau-Spiegel bei Rhesusaffen zu untersuchen. Diese Technik verwendet eine neuartige CSF-Probenahmemethode, die eine wiederholte CSF-Probenahme unter vollständig wachen Bedingungen mit geringem Risiko unerwünschter Ereignisse ermöglicht. Ying-Qian Zhang, wissenschaftliche Mitarbeiterin der Abteilung für Physiologie der Southwest Medical University, und Hui-Xin Tan, Doktorandin der Sichuan University, demonstrieren das Verfahren.
Nach der Verabreichung einer Analgesie und der Bestätigung einer erfolgreichen Betäubung legen Sie den fünfjährigen männlichen Rhesusaffen in der lateralen Dekubitusposition auf den Operationstisch und desinfizieren den Bereich um den unteren Rücken. Beugen Sie seinen Rücken und bringen Sie seine Knie in Richtung Brust. Führen Sie eine Wirbelsäulennadel zwischen die Lendenwirbel L4 bis L5 ein und drücken Sie sie hinein, bis ein Pop erscheint, der den Eintritt in die Lendenzisterne anzeigt, in der sich der Ligamentum flavum befindet.
Drücken Sie die Nadel weiter, bis ein zweiter Pop angezeigt wird, der den Eintritt in die Dura Mater anzeigt, ziehen Sie dann den Stylet aus der Spinalnadel und sammeln Sie CSF-Tropfen. Als nächstes führen Sie die Kathetereinführung unter fluoroskopischer Anleitung durch, indem Sie den Epiduralkatheter durch die Punktionsnadel in den Subarachnoidalraum einführen, bis er in der Cisterna magna schwimmfähig ist. Machen Sie dann für die Portimplantation einen fünf Zentimeter langen Schnitt von der Einstichstelle in Richtung Kopf und isolieren Sie die Haut vom Unterhautgewebe, um den Probenahmeport zu platzieren.
Verbinden Sie den Port mit dem Ende des Epiduralkatheters, implantieren Sie den Port unter die Haut und nähen Sie den Schnitt. Verwenden Sie für die CSF-Sammlung die Käfigstangen, um den Affen zurückzuhalten und seinen Rücken gebeugt zu halten. Wischen Sie dann mit einem Alkoholtupfer ab und führen Sie die Spritze in die Mitte des Probenahmeanschlusses ein, um CSF aus der Cisterna magna durch den Katheter zu extrahieren.
Verwerfen Sie die ersten 200 Mikroliter CSF und sammeln Sie dann einen Milliliter CSF zur Analyse. Fixieren Sie den Affen vor dem Experiment auf dem Affenstuhl, um eine Unterbrechung während der rTMS-Intervention zu vermeiden, und sammeln Sie dann CSF für die Biomarkeranalyse, wenn der Affe wach ist, um den Einfluss von Anästhetika zu vermeiden. Am dritten Tag nach der Subarachnoidalkatheterisierung und zwei Wochen vor Beginn des Experiments unterziehen Sie den Affen zweimal täglich für jeweils 30 Minuten einem adaptiven Training mit dem Affenstuhl.
Führen Sie das adaptive rTMS-Training oder die Scheinstimulation eine Woche nach dem adaptiven Training mit dem Affenstuhl und eine Woche vor Beginn des formalen Experiments durch, um zu vermeiden, dass der Fortschritt des Experiments durch Vibrationen und Geräusche während des Stimulationsprozesses behindert wird. Verwenden Sie für die Scheinstimulation eine Scheinspule, die Vibration und Ton erzeugt, aber kein Magnetfeld erzeugt. Bieten Sie dem Affen nach der Stimulation Nahrung an, damit er sich an den Prozess anpasst.
Lokalisieren Sie den bilateralen dorsolateralen präfrontalen Kortex gemäß dem internationalen 10- bis 20-System und führen Sie drei verschiedene Sitzungen von rTMS mit drei verschiedenen Frequenzen durch, ohne dass eine Auswaschphase von mehr als 24 Stunden beträgt. Führen Sie die erste, zweite und dritte Sitzung zweimal täglich an drei aufeinanderfolgenden Tagen durch. Um die vier CSF-Biomarker zu analysieren, verwenden Sie eine minimal-invasive Katheterisierungsmethode, um das CSF zu sammeln.
Sammeln Sie CSF zu fünf Zeitpunkten mit vier Proben zu jedem Zeitpunkt in Drei-Minuten-Intervallen. Nachdem Sie insgesamt 60 Proben für drei Frequenzen gesammelt haben, zählen Sie sie und lagern Sie sie bis zu einem Monat in einem minus 80 Grad Celsius warmen Kühlschrank. Nach dem Experiment unterziehen Sie alle Proben der Flüssigkeitssplitterdetektion gemäß den Anweisungen des Herstellers.
Nach einer Hertz-rTMS-Stimulation stiegen die Abeta42-Spiegel über 24 Stunden allmählich an. Ähnlich wie bei rTMS bei 20 Hertz stiegen die Abeta42-Spiegel mit der Zeit an und erreichten sechs Stunden nach der Stimulation einen Höhepunkt. Im Gegensatz dazu stiegen die Abeta42-Spiegel nach der 40-Hertz-Stimulation sofort zum Zeitpunkt nach rTMS signifikant an und nahmen dann langsam ab.
Das Verhältnis von Abeta42 zu Abeta40 zeigte nach Stimulation mit Ein- und 20 Hertz rTMS einen Aufwärtstrend und stieg zwei Stunden nach der Stimulation signifikant an. Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied im Verhältnis bei 40 Hertz. Die tTau-Spiegel im Liquor stiegen sofort nach 20 und 40 Hertz rTMS-Stimulation an und nahmen allmählich ab.
Es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied nach einer Hertz-Stimulation. Der pTau-Spiegel stieg sofort nach 40-Hertz-Stimulation an und sank nach 24 Stunden unter den Ausgangswert. Im Gegensatz dazu zeigte der pTau-Wert bei der Ein- und 20-Hertz-Stimulation einen Abwärtstrend.
Forscher, die mehrere Proben von Affen-CSF benötigen, können diese serielle Cisterna Magna CSF-Probenahmemethode in Betracht ziehen.
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Übersicht
Diese Studie untersucht die Wirkungen einer repetitiven transkraniellen Magnetstimulation (rTMS) mit unterschiedlichen Frequenzen (1 Hz, 20 Hz und 40 Hz) auf den Stoffwechsel von Amyloid-beta (Aβ) und Tau-Proteinen in der Liquor cerebrospinalis (CSF) von Rhesusaffen. Die Forschung nutzt eine neuartige CSF-Gewinnungstechnik unter vollständig wachen Bedingungen, um Veränderungen der Biomarkerkonzentrationen nach der rTMS-Behandlung zu bewerten.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Neurochemie
- Transkranielle Magnetstimulation
Hintergrund
- Die repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) wird als potenzielle Methode untersucht, um neurodegenerative Biomarker zu beeinflussen.
- Aβ und Tau sind entscheidend für das Verständnis der Alzheimer-Krankheit und verwandter Erkrankungen.
- Die Studie basiert auf einer Pilotuntersuchung, die einen neuartigen Ansatz zur CSF-Gewinnung betont.
- Die Forschung wurde an einem männlichen Rhesusaffen-Modell durchgeführt, das für translationsmedizinische Untersuchungen im Bereich der Neurodegeneration relevant ist.
Zweck der Studie
- Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher rTMS-Frequenzen auf die Konzentrationen von Aβ und Tau im Liquor cerebrospinalis.
- Validierung der wiederholten Liquor-Entnahme unter wachen Bedingungen mit minimalem Risiko.
- Untersuchung potenzieller Biomarker, die mit kognitiven Funktionen und Neurodegeneration assoziiert sind.
Verwendete Methoden
- Das Protokoll verwendet eine serielle Liquorprobenentnahme aus dem Zisterna-magna-Reservoir.
- Das biologische Modell ist ein männlicher Rhesusaffe, der einer rTMS-Intervention unterzogen wird.
- Im Methodenansatz werden keine Multiomics-Arbeitsabläufe hervorgehoben.
- Zu den Schlüsselschritten gehören die Bestätigung der Anästhesie, die Katheterisierung, das adaptiven Training und die Anwendung der rTMS.
- Die Liquorgewinnung erfolgt zu mehreren Zeitpunkten nach der rTMS-Stimulation.
Hauptergebnisse
- Nach der Stimulation zeigten die Aβ-Spiegel unterschiedliche Reaktionen in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei signifikante Anstiege nach 1-Hz- und 20-Hz-Interventionen festgestellt wurden.
- Die tTau-Spiegel stiegen signifikant nach 20-Hz- und 40-Hz-Stimulation an.
- Die pTau-Spiegel wiesen unmittelbar nach 40-Hz-Stimulation einen bemerkenswerten Anstieg auf.
- Es wurden keine signifikanten Veränderungen der Tau-Spiegel nach 1-Hz-Stimulation beobachtet.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie zeigt die Durchführbarkeit der Verwendung von rTMS zur Modulation zentraler neurodegenerativer Biomarker bei wachen nichtmenschlichen Primaten auf.
- Die Ergebnisse vertiefen das Verständnis darüber, wie rTMS den Stoffwechsel von Aβ und Tau beeinflussen kann, und liefern wertvolle Erkenntnisse für therapeutische Ansätze bei neurodegenerativen Erkrankungen.
- Die entwickelte Methode zur CSF-Gewinnung könnte als wichtiges Werkzeug für zukünftige Untersuchungen zur Dynamik von Biomarkern in Primatenmodellen dienen.
Häufig gestellte Fragen
Exemplarische Branchenrelevanz
Diese Studie demonstriert einen nicht-invasiven neuromodulatorischen Ansatz zur Beeinflussung alzheimerrelevanter Biomarker im Liquor cerebrospinalis und bietet ein translationalen Werkzeug zur Zielvalidierung in der Forschung zu neurodegenerativen Erkrankungen. Durch die Modulation der Aβ- und Tau-Dynamik mittels rTMS bei wachen nichtmenschlichen Primaten unterstützt die Methode die mechanistische Absicherung therapeutischer Hypothesen, bevor kostspielige präklinische Programme durchgeführt werden. Die serielle Liquor-Entnahmetechnik ermöglicht ein longitudinales Biomarker-Monitoring und erhöht so die Vorhersagesicherheit bezüglich Zielbindung und Pfadmodulation.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Überprüft therapeutische Hypothesen, indem die frequenzabhängige Modulation der Biomarker Aβ42 und Tau im Liquor cerebrospinalis nachgewiesen wird.
- Operationaler Wert: Bietet eine wiederholbare, minimal invasive Methode zur Liquor-Entnahme unter wachen Bedingungen für die longitudinale Beurteilung von Biomarkern.
- Prädiktiver Wert: Ermöglicht eine frühzeitige Absicherung von Zielstrukturen, indem die Neuromodulation mit messbaren Veränderungen der Aktivität neurodegenerativer Signalwege verknüpft wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt quantitative biomarkerbasierte Messwerte aus dem Liquor cerebrospinalis (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau), die für die Standardisierung von Assays und die Überprüfung der Reproduzierbarkeit geeignet sind.
- Operativer Wert: Unterstützt die Entwicklung pharmakodynamischer Assays für neuromodulatorische Wirkstoffe unter Verwendung des Liquors cerebrospinalis als Surrogatmatrix.
- Skalierbarkeit: Die Methode der seriellen Probenentnahme ermöglicht die Gewinnung zu mehreren Zeitpunkten und erlaubt damit die Untersuchung von Dosis-Wirkungs-Beziehungen sowie kinetischen Profilen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Demonstriert die Zielstrukturenbindung in einem für die Krankheit relevanten Primatenmodell und verbindet dabei in-vitro-Ergebnisse mit in-vivo-Biomarker-Antworten.
- Operativer Wert: Validiert einen CSF-Probenahme-Workflow, der mit wiederholten Eingriffen kompatibel ist und den Tierverbrauch sowie die Variabilität reduziert.
- Translationaler Kontinuität: Entspricht klinischen rTMS-Anwendungen bei neurodegenerativen Erkrankungen und unterstützt die translationsmedizinische Übertragung von Biomarkern über Spezies hinweg.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den Entdeckungsprozess von der Hypothesenprüfung eines Targets bis hin zur Optimierung von Wirkstoffkandidaten ein und ermöglicht biomarkerbasierte Go/No-Go-Entscheidungen auf Grundlage von Nachweisen zur Pfadmodulation.
- Entdeckungsbiologie: Überprüft mechanistische Hypothesen zur Wirkung von Neuromodulation auf Amyloid- und Tau-Wege mithilfe von Liquorbiomarkern als Parameter für diese Signalwege.
- Screening: Ermöglicht die quantifizierbare Bestimmung von Biomarkern in assaytauglicher Form, um die Wirkung von Wirkstoffen oder Stimulationsverfahren auf neurodegenerative Zielstrukturen zu bewerten.
- Analytik: Liefert multiplexe, quantitative Biomarkerdaten (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau), um vergleichende Analysen über verschiedene Bedingungen und Zeitpunkte hinweg zu unterstützen.
- Translationale Forschung: Verknüpft durch rTMS ausgelöste Veränderungen von Biomarkern bei Primaten mit potenziellen klinischen Anwendungen bei Alzheimer-Krankheit.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Plattform für die Gewinnung von Liquorproben und die Analyse von Biomarkern für mehrere Neuromodulations- oder Wirkstoffentwicklungsprojekte.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Zielvalidierung, indem rTMS mit gerichteten Veränderungen zentraler Alzheimer-Biomarker verknüpft wird.
- Operativer Wert: Standardisiert die Gewinnung von Liquor cerebrospinalis und die Analyse von Biomarkern, wodurch die Reproduzierbarkeit zwischen Studien und Untersuchungsstandorten verbessert wird.
- Strategischer Wert: Verringert das biologische Risiko bei der Zielwahl, indem frühe Hinweise auf eine Modulation zentraler Signalwege in einem translationalen Modell bereitgestellt werden.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung neuromodulatorischer oder krankheitsverändernder Programme basierend auf Biomarker-Antwortprofilen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse im Umgang mit nichtmenschlichen Primaten, in neurochirurgischer Katheterisierung und in der Bedienung von rTMS-Geräten.
- Basiert auf einer fluoroskopisch gesteuerten Katheterplatzierung, Flüssigkeits-Chip-Erkennungssystemen und CSF-Biomarker-Assay-Kits.
- Erfordert eine standardisierte Zusammenarbeit zwischen Neurowissenschaftlern, Tierexperimentatoren und bioanalytischen Gruppen für eine konsistente Probennahme und Analyse.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen für verschiedene Primatenarten, Stimulationsziele und Biomarker-Panels.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören der Bedarf an chirurgischem Fachwissen, die postoperative Erholungszeit sowie die Verfügbarkeit der Geräte für den chronischen Zugang zum Liquor cerebrospinalis.
Biopharma-Häufige Fragen
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:50
Serial Cisterna Magna Cerebrospinal Fluid (CSF) Sampling Method
2:34
Monkey Chair Adaptive Training
3:07
rTMS Adaptive Training/Sham Stimulation
3:39
Treatment Protocol
4:07
CSF Biomarkers, CSF Collection, and Index Detection Method
4:40
Results: Effect of rTMS Stimulation with Different Frequencies on Aβ and Tau Metabolism
5:57
Conclusion
