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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
El objetivo del método es detectar hipertermia o convulsiones inducidas por el calor en modelos de ratón. El protocolo describe el uso de una cámara personalizada con monitoreo continuo de la temperatura corporal para determinar si la temperatura corporal elevada conduce a convulsiones.
Los modelos de ratones transgénicos han demostrado ser herramientas poderosas en el estudio de diversos aspectos de los trastornos neurológicos humanos, incluida la epilepsia. Las epilepsias genéticas asociadas a SCN1A comprenden un amplio espectro de trastornos convulsivos con penetrancia incompleta y variabilidad clínica. Las mutaciones scn1A pueden dar lugar a una gran variedad de fenotipos convulsivos que van desde convulsiones febriles (FS) simples y autolimitadas asociadas a la fiebre, epilepsia genética de nivel moderado con convulsiones febriles más (GEFS +) hasta el síndrome de Dravet (DS) más grave. Aunque las FS se observan comúnmente en niños menores de 6-7 años de edad que no tienen epilepsia genética, la FS en pacientes con GEFS+ continúa ocurriendo en la edad adulta. Tradicionalmente, los FS experimentales se han inducido en ratones al exponer al animal a una corriente de aire seco o lámparas de calefacción, y la tasa de cambio en la temperatura corporal a menudo no está bien controlada. Aquí, describimos una cámara de calefacción hecha a medida, con un frente de plexiglás, que está equipada con un controlador de temperatura digital y un ventilador eléctrico equipado con calentador, que puede enviar aire forzado calentado a la arena de prueba de una manera controlada por temperatura. La temperatura corporal de un ratón colocado en la cámara, monitoreada a través de una sonda rectal, se puede aumentar a 40-42 ° C de manera reproducible aumentando la temperatura dentro de la cámara. El monitoreo visual continuo de los animales durante el período de calentamiento demuestra la inducción de convulsiones inducidas por el calor en ratones portadores de una mutación FS a una temperatura corporal que no provoca convulsiones conductuales en compañeros de camada de tipo salvaje. Los animales se pueden sacar fácilmente de la cámara y colocarlos en una almohadilla de enfriamiento para devolver rápidamente la temperatura corporal a la normalidad. Este método proporciona un protocolo de detección simple, rápido y reproducible para la aparición de convulsiones inducidas por el calor en modelos de ratón con epilepsia.
La epilepsia, la cuarta familia más común de trastornos neurológicos en los Estados Unidos1, se caracteriza por un desequilibrio del impulso excitatorio e inhibitorio en el SNC que conduce a convulsiones recurrentes. Las convulsiones febriles (FS) o las convulsiones asociadas a la fiebre pueden ocurrir en la población general, con mayor frecuencia en niños desde los 3 meses hasta los 6 -7 años de edad. Sin embargo, en algunos individuos con mutaciones genéticas, con mayor frecuencia en un gen del canal de sodio, FS puede persistir más allá de la edad de 7 años en la edad adulta. Esta condición se conoce como convulsiones febriles plus o FS +. Los rápidos avances en la secuenciación del genoma han identificado más de 1.300 mutaciones en el gen del canal iónico de sodio humano SCN1A, lo que lo convierte en un punto caliente para las mutaciones de la epilepsia. Las mutaciones de SCN1A se han relacionado con un amplio espectro de trastornos convulsivos, incluidas las convulsiones febriles (FS), la epilepsia genética con convulsiones febriles plus (GEFS+) y el síndrome de Dravet (DS)2,3,4,5,6. Alrededor del 20% de las mutaciones sin sentido scN1A conducen a GEFS+5,7,8. Los antecedentes pediátricos de FS compleja o prolongada en la infancia pueden convertirse posteriormente en formas más debilitantes de epilepsia, como la epilepsia del lóbulo temporal (TLE)9,10,11. El síndrome de Dravet surge debido a mutaciones de truncamiento o mutaciones de pérdida de función en SCN1A y es una forma grave de epilepsia intratable, con inicio en la infancia de convulsiones febriles que se convierten en convulsiones refractarias, y a menudo se asocia con deficiencias cognitivas, de desarrollo y motoras2,5,12 . Dado que muchas personas con GEFS+ y/o DS exhiben convulsiones febriles, se vuelve imperativo desarrollar nuevas terapias para combatir mejor estos trastornos convulsivos.
Los modelos animales de epilepsia asociada a SCN1A han demostrado ser invaluables para caracterizar diferentes tipos de convulsiones (febril vs generalizada) y diseccionar el mecanismo neuronal de la generación de convulsiones13,14,15,16,17,18. Si bien el estudio de las convulsiones espontáneas a través de registros de EEG / EMG en cerebros de roedores está bien establecido y es una herramienta muy útil, solo unos pocos estudios han intentado imitar las convulsiones febriles en modelos de ratón14,16,19,20,21,22,23 . Estudios anteriores han utilizado un chorro de aire seco calentado, o un cilindro de metacrilato equipado con un sistema térmico, o lámparas de calor con un controlador de temperatura en arenas de prueba cerradas9,16,21,22,23,24 para inducir convulsiones a través de la hipertermia. Con el fin de aumentar la temperatura corporal en un entorno más controlado, el protocolo descrito aquí utiliza una cámara personalizada con un sistema de calefacción de temperatura controlada que permitió tasas reproducibles de aumento de la temperatura corporal de un ratón dentro de la cámara. La cámara de calor fue construida de madera (largo 40 cm x ancho 34 cm x alto 31 cm) y fue equipado con un controlador de temperatura digital con un termopar K. Un pequeño ventilador axial equipado con un calentador en el panel posterior de la cámara dirige el aire caliente a la cámara regulada por un controlador de temperatura digital. Este sistema de calentamiento de aire forzado permite controlar la velocidad a la que aumenta la temperatura de la cámara. (Figura 1A,B). El termopar K ubicado dentro de la cámara de calor de madera envía retroalimentación al controlador de temperatura digital, para mantener temperaturas constantes dentro de la caja durante el ensayo. El ajuste de la temperatura en el controlador de temperatura digital permite que el ventilador eléctrico envíe aire forzado calentado a través de las rejillas de ventilación para calentar uniformemente la cámara (Figura 1A). El panel frontal de la cámara de calor es una lámina de plexiglás transparente para permitir una fácil grabación de video de los ensayos.
Para cada experimento se seleccionaron ratones adultos (P30-P40), heterocigotos para una mutación sin sentido en SCN1A que causa GEFS+ y un número igual de compañeros de camada de tipo salvaje para servir como grupo de control. Los animales, tanto machos como hembras, utilizados en estos estudios pesaron al menos 15 g, ya que los ratones de tipo salvaje que pesaban menos eran más sensibles a las convulsiones inducidas por el calor que los animales más pesados de la misma edad. En el estudio piloto, se observó que tanto los ratones mutantes como los de tipo salvaje buscaban las esquinas más frías de la cámara en la parte posterior y permanecieron allí durante períodos prolongados de tiempo. Para evitar esto, el tamaño efectivo del piso dentro de la arena de prueba de la cámara de calor se redujo a la longitud de 16.5 cm x ancho 21.5 cm x altura 27.5 cm colocando un bloque de madera B (dimensiones 20 cm x 8 cm x 7.2 cm) en el lado derecho de la cámara (Figura 1A). La cámara de calor se construyó a partir de madera contrachapada de 1,9 cm de espesor (largo 40 cm x ancho 34 cm x altura 31 cm) cubierta con laminado blanco y equipada con un controlador de temperatura digital con un termopar K. La superficie laminada de las paredes de la cámara es impermeable y se puede desinfectar fácilmente entre ensayos limpiando con etanol al 70%. La temperatura de la cámara de calor se fijó inicialmente en 50 °C y se precalentó durante al menos 1 h antes del inicio del experimento, para garantizar un calentamiento uniforme dentro de la cámara. A cada ratón se le equipó un termómetro rectal para el monitoreo continuo de la temperatura corporal durante todo el experimento. Se colocó un solo ratón en la cámara a la vez y la temperatura se mantuvo a 50 ° C entre el minuto 1 y el 10. La temperatura se elevó a 55 ° C durante el minuto 11-20, y finalmente se elevó a 60 ° C durante el minuto 21-30. Esto resultó en una tasa reproducible de aumento en la temperatura corporal del ratón (Figura 2A). Cada ensayo se grabó en video y el análisis del comportamiento se realizó fuera de línea.
El protocolo de calentamiento se puede modificar fácilmente para cambiar la temperatura inicial de la cámara de calor y la velocidad a la que se calienta la cámara, lo que a su vez cambia la rapidez con que se eleva la temperatura corporal del ratón durante el ensayo. Por lo tanto, este método proporciona más flexibilidad sobre los métodos tradicionales en la configuración de las pantallas de comportamiento que implican convulsiones inducidas por el calor. El protocolo de convulsiones inducidas por calor también se puede usar para detectar medicamentos antiepilépticos que hacen que los ratones mutantes sean más resistentes a las convulsiones inducidas por el calor o aumentan la temperatura umbral a la que se observan las convulsiones. Del mismo modo, los efectos beneficiosos de los regímenes de dieta restrictiva como la dieta ceto en las convulsiones inducidas por el calor se pueden examinar en ratones normales alimentados con chow vs cetoalimentados.

Figura 1: Descripción de la cámara de calor del ratón personalizada. (A) El panel frontal de la cámara de calor del ratón de madera muestra el panel de control lateral que contiene el interruptor de encendido / apagado que enciende el controlador de temperatura digital, el termopar K, el interruptor de encendido / apagado del calentador del ventilador y el indicador de calor. Las dimensiones exteriores de la caja y la arena de prueba interna se muestran en cm. También se muestra un bloque de madera B utilizado para reducir eficazmente la superficie de la arena de prueba. La parte inferior de la arena de prueba está cubierta con ropa de cama de mazorca para evitar que los ratones entren en contacto directo con las superficies de madera calentadas. (B) El panel posterior de la cámara de calor muestra el ventilador montado en la salida de aire superior y el cable de alimentación para suministrar electricidad a la cámara. Esta cifra se modifica de la Figura 3 en Das et al., 2021, eNeuro14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Todos los procedimientos con animales se realizaron de acuerdo con las directrices del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de California, Irvine.
1. Preparación para el ensayo de convulsiones inducidas por calor
2. Preparación del ratón para el ensayo de convulsiones inducidas por calor
3. Ensayo de convulsiones inducidas por calor
4. Eutanasia de los animales
5. Análisis de los datos de convulsiones inducidas por el calor
| Puntuación de Racine | Características de las convulsiones | ||
| 0 | Sin convulsiones | ||
| 1 | Movimientos bucales y faciales | ||
| 2 | Cabeza asintiendo | ||
| 3 | Clonus de extremidad anterior, generalmente una extremidad | ||
| 4 | Clonus de extremidad anterior con cría | ||
| 5 | Convulsión tónico-clónica generalizada, crianza, salto, caída | ||
Tabla 1: Puntuaciones de Racine.
Se espera que los modelos animales con mutaciones convulsivas febriles sufran convulsiones inducidas por el calor a temperaturas corporales elevadas que no inducen convulsiones en las parejas de camada de tipo salvaje. Las mutaciones en SCN1A se han relacionado con convulsiones febriles, incluyendo pacientes con K1270T GEFS+, que presentan convulsiones generalizadas febriles y afebriles7. Examinamos ratones mutantes SCN1A K1270T GEFS+ generados por CRISPR recientemente descritos en un estudio14 para la aparición de convulsiones por calor en dos antecedentes genéticos: fondos resistentes a las convulsiones 129X1 / SvJ (129X1) y sensibles a las convulsiones C57BL / NJ (B6N). Los compañeros de camada de tipo salvaje emparejados por la edad en la cámara de calor del ratón que no albergan ninguna mutación GEFS + y, por lo tanto, no se espera que exhiban convulsiones inducidas por el calor, sirvieron como grupo de control. La tasa de cambio de temperatura corporal a lo largo del tiempo se evaluó trazando la temperatura corporal media de los ratones registrada cada minuto durante el ensayo. No hubo diferencias en la tasa de cambio de la temperatura corporal entre los ratones mutantes heterocigotos y los compañeros de camada de tipo salvaje probados en los respectivos antecedentes genéticos 129X1 y B6N (Figura 2B, C). Esto sugiere que la termorregulación no está alterada en ratones mutantes heterocigotos K1270T GEFS+.
Todos los ratones mutantes heterocigotos de 129X1 (n = 15) o B6N (n = 9) de fondos genéticos exhibieron convulsiones inducidas por el calor (Figura 2D). Ninguno de los ratones de tipo salvaje en el fondo enriquecido con 129X1 (n = 13) exhibió convulsiones inducidas por el calor (Figura 2D). En contraste, un tercio de los ratones probados (n = 3 de los 9 ratones) en el fondo B6N sensible a las convulsiones exhibieron convulsiones inducidas por el calor. La comparación estadística muestra que el porcentaje de ratones mutantes heterocigotos que exhibieron convulsiones inducidas por el calor fue significativamente mayor que sus respectivos ratones homólogos de tipo salvaje en los antecedentes genéticos 129X1 y B6N (Figura 2D, prueba exacta de Fisher, 129X1 p < 0.0001; B6NJ p = 0,009). La temperatura umbral de convulsión promedio entre los ratones mutantes heterocigotos en los fondos genéticos 129X1 y B6N fue similar. Los ratones mutantes 129X1 tienen una temperatura umbral convulsiva media de 42,6 ± 0,20 °C, que no fue significativamente diferente de la temperatura umbral convulsiva media de 42,7 ± 0,06 °C observada en ratones B6N (Figura 2E; prueba t de Student de dos colas sin aparear, p = 0,782). Es importante tener en cuenta que la temperatura media del umbral de convulsiones de tres ratones de tipo salvaje B6N que exhibieron convulsiones inducidas por el calor fue de 43,7 ± 0,08 ° C y significativamente más alta que el umbral convulsivo medio de 42,7 ± 0,06 ° C mostrado por ratones mutantes heterocigotos B6N (Figura 2E, prueba t de Student de dos colas sin aparear, p < 0,0001).
El frente de plexiglás de la cámara permite realizar grabaciones de vídeo continuas durante el ensayo que se pueden utilizar posteriormente para puntuar la gravedad de las convulsiones en cada ratón en una escala de Racine modificada como se describió anteriormente14,20. Durante un ensayo típico, los ratones mutantes heterocigotos mostrarían convulsiones inducidas por el calor con vocalización y / o asintiendo con la cabeza (puntuación de Racine 2), y rápidamente pasarían al clonus de extremidad anterior, cayendo de lado, saltando, extensión de las extremidades posteriores y / o convulsiones tónicas / clónicas generalizadas (puntuaciones de Racine 3-5) cuando la temperatura corporal alcanzó aproximadamente 42 ° C. La puntuación máxima de Racine representa el comportamiento convulsivo inducido por el calor más grave entre los ratones mutantes. La puntuación máxima de Racine de ratones mutantes heterocigotos en fondo enriquecido con 129X1 (n = 15) no es diferente de la de ratones mutantes heterocigotos en fondo genético B6N (n = 9) (Figura 2F; Prueba de Mann-Whitney, p > 0,9999). Esto sugiere que las características del comportamiento convulsivo inducido por el calor en ratones mutantes K1270T GEFS+ son independientes del fondo de la cepa.
Tomados en conjunto, los datos demuestran que todos los ratones mutantes exhiben convulsiones inducidas por el calor con frecuencia similar, temperatura umbral de convulsiones y gravedad de las convulsiones conductuales de una manera independiente de la tensión. La mayoría de los compañeros de camada de tipo salvaje no exhiben tales convulsiones a 44 ° C o menos. Alrededor de un tercio de los ratones de control de tipo salvaje en un fondo B6N sensible a las convulsiones mostraron convulsiones inducidas por el calor (posiblemente debido a los efectos genéticos de fondo), pero la temperatura umbral de las convulsiones fue significativamente más alta en comparación con los ratones mutantes en el mismo fondo. Estos resultados sugieren que los ratones mutantes en el fondo genético B6N son susceptibles a las convulsiones inducidas por el calor a umbrales de temperatura más bajos debido a la mutación SCN1A GEFS + que albergan. Por lo tanto, utilizando este protocolo, se pueden evaluar las convulsiones inducidas por el calor en ratones mutantes de epilepsia y distinguirlos de los ratones de pareja de camada de tipo salvaje, que no sufren convulsiones inducidas por el calor o muestran convulsiones por calor a temperaturas significativamente más altas.

Figura 2: Los ratones mutantes exhiben convulsiones inducidas por el calor. (A) El protocolo de calentamiento para la detección conductual de las convulsiones inducidas por el calor en ratones. (B-C) Temperatura corporal media de ratones a lo largo del tiempo en ratones de tipo salvaje (Scn1a +/+ - triángulos negros) y mutantes heterocigotos (Scn1aKT / + - círculos naranjas) en dos fondos genéticos 129X1 y B6N, respectivamente. (D) Porcentaje de ratones que muestran convulsiones inducidas por el calor en ambos antecedentes genéticos. Los ratones de tipo salvaje (Scn1a+/+) y heterocigotos (Scn1aKT/+) están representados por barras negras y naranjas, respectivamente. Los mutantes heterocigotos en fondos 129X1 y B6N se muestran en barras sólidas naranjas y barras naranjas con rayas negras, respectivamente. (E) Umbral de temperatura de convulsión para convulsiones inducidas por calor en ratones de tipo salvaje (Scn1a +/+) y mutantes heterocigotos (Scn1aKT / +) en ambas cepas. (F) Distribución por dispersión de las puntuaciones máximas de Racine de convulsiones inducidas por calor exhibidas por ratones heterocigotos (Scn1aKT / +) en ambos fondos genéticos. Cada punto representa la puntuación máxima de Racine en un solo ratón. El número de animales en cada genotipo se muestra entre paréntesis. Los datos que se muestran en los paneles B-F son ± media s.e.M. Esta cifra se modifica de la Figura 3 en Das et al., 2021, eNeuro14. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores declaran que no hay conflictos de intereses.
El objetivo del método es detectar hipertermia o convulsiones inducidas por el calor en modelos de ratón. El protocolo describe el uso de una cámara personalizada con monitoreo continuo de la temperatura corporal para determinar si la temperatura corporal elevada conduce a convulsiones.
Nos gustaría agradecer a Connor J. Smith por su ayuda en la construcción de la cámara de calor personalizada para ratones. Agradecemos la ayuda de los miembros del laboratorio O'Dowd, Lisha Zeng y Andrew Salgado, por estandarizar el protocolo de calentamiento durante las primeras etapas del desarrollo del ensayo. También agradecemos a Danny Benavides y Kumar Perinbam por grabar en video partes del procedimiento experimental para el manuscrito. Este trabajo fue apoyado por la subvención de los NIH (NS083009) otorgada a D.O.D.
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