יישום של תנועת ראש פסיבית ליצירת תאוצות מוגדרות בראשי מכרסמים
21 ביולי 2022
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מערכת "תנועת ראש פסיבית" שתוכננה בהתאמה אישית, המשחזרת תאוצות מכניות בראשי מכרסמים הנוצרים במהלך ריצת ההליכון שלהם במהירויות מתונות. הוא מאפשר לנתח גורמים/אלמנטים מכניים מההשפעות החיוביות של פעילות גופנית.
הפרוטוקול שלנו עוזר לענות על השאלות כיצד פעילות גופנית תומכת בהומאוסטזיס של אורגניזמים. המערכות אפשרו לנו לנתח השפעות מכניות ישירות על המוח מהשלכות מורכבות של פעילויות גופניות כמו הליכה וריצה. כדי להתחיל, לתקן את מד התאוצה על גבי הראש של חולדה באמצעות סרט כירורגי.
לאחר התאוששות מלאה מהרדמה, מניחים את החולדה במכונת ההליכון. התאימו את ההליכון למהירות בינונית של 20 מטר לדקה. השתמש בתוכנת היישום כדי למדוד את גודל התאוצות האנכיות לאורך ציר X, Y ו- Z כאשר החולדה מפעילה את ההליכון.
התאם את הערכים המתקבלים מהתוכנה לגודל בתדירות התאוצה האנכית במערכת PHM. הגדר מראש את משרעת התנודה של הפלטפורמה ואת מהירות הסיבוב של המצלמה בצורת מדחף. לאחר מכן הנח את העכבר במצב נוטה כאשר הראש ממוקם על תנודה ושאר הגוף על פלטפורמות סטטיות.
הפעל את המנוע כדי להתנדנד את הפלטפורמה אנכית ולהחיל PHM על העכבר. במארז הפלסטיק השקוף, הגדר את מצלמת הווידאו בקצב פריימים של 24 FPS כדי להקליט את כל החלל. לאחר מכן, intraperitoneally לתת חמישה hydroxytryptophan לעכבר.
מניחים את העכבר בכלוב השקוף ומתחילים להקליט במשך 30 דקות. סקור את הסרטון המוקלט במהירות של 0.5x וספור את הראש רועד באופן ידני. אחזר את הקריוסקרים של מוח העכבר מתיבת השקופיות.
השאירו את השקופיות על מגבונים נקיים בטמפרטורת החדר עד שהדגימות יתייבשו לחלוטין. השתמש בעט חוסם נוזלים כדי לצייר עיגול סביב הרקמה המוקפדת. לאחר מכן הוסף פתרון TBS-T.
בתחתית המגש, הניחו מגבונים לחים כדי ליצור סביבה לחה לשקופיות. לאחר חלחול עם TBS-T, יש להוסיף סרום 4% חמורים לחסימה ולדגירה בטמפרטורת החדר למשך שעה. שטפו את השקופיות פעם אחת על ידי טבילה ב-TBS-T למשך חמש דקות.
לאחר מכן יש למרוח 100 מיקרוליטרים של נוגדן ראשוני מדולל כראוי ותערובת דביקה על כל שקופית. מכסים את המגש ודוגרים בטמפרטורת החדר למשך הלילה. לאחר הדגירה, יש לשטוף עם TBS-T שלוש פעמים במשך חמש דקות כל אחת.
יש למרוח 100 מיקרוליטרים של מינים מדוללים כראוי התואמים נוגדנים משניים פלואורסצנטיים ולדגירה בטמפרטורת החדר למשך שעה אחת. לאחר מכן יש להשתמש ב-TBS-T שלוש פעמים במשך חמש דקות כל אחת, להרכיב את המגלשות עם מדיום הרכבה ולכסות את השקופיות בתלושי כיסוי. לאחר ההרכבה, צפה בדגימה תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי.
מערכת PHM הותאמה כדי לייצר שיאי האצה אנכית בערך פי 1.0 G שהיו שקולים לאלה של ראשי החולדות במהלך ריצת הליכון. יישום PHM לעכברים החליש באופן משמעותי את תגובת עווית הראש שלהם בהשוואה לעכברי הביקורת המייצגים השפעה מדכאת של PHM על איתות קולטן 5-HT2A בתאי העצב בקליפת המוח הקדם-מצחית. ריצת הליכון ב-PHM שיפרה באופן משמעותי את הפנמת קולטני 5-HT2A ואת תאי העצב בקליפת המוח הקדם-מצחית של העכבר.
כימות של אזורים חיוביים לקולטן 5-HT2A המופנמים והממברנה ביחס לאזור החדש והחיובי אישר תצפית זו. בדיקה חיסונית וכימות של ביטוי c-Fos בתאי עצב חיוביים לקולטן 5-HT2A הראו כי הליכון הפועל ב-PHM הוריד את ה-5-HTP המושרה בביטוי c-Fos. זהו האירוע התאי במורד הזרם של הפעלת קולטן 5-HT2A ונוירוני PFC של עכברים.
התערבות מכנית יכולה להיות מיושמת על חלקי הגוף שאינם הראש כדי לחקור את ההיבטים המכניים של השפעות פעילות גופנית.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן כיצד פעילות גופנית, ובמיוחד ריצה על מסוע, משפיעה על ההומאוסטזיס של האורגניזם באמצעות מערכת חדשה שפותחה לתנועת ראש פסיבית (PHM). על ידי סימולציה של תאוצות מכניות החוות חולדות, הפרוטוקול מבודד ביעילות גורמים מכניים ואת השפעותיהם הספציפיות על תפקוד המוח.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מחקר
- פעילות גופנית והומאוסטזיס
- נוירוסיינס של מכנו-טרנסדוקציה
- השפעת גורמים מכניים על מסלולי איתות במוח
רקע
- תפקידה של פעילות גופנית בבקרת פיזיולוגית
- השפעות מכניות על תגובות נוירונליות
- חשיבות הבנת תגובת המוח לפעילות גופנית
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מערכת תנועת ראש פסיבית (PHM) בעיצוב מותאם אישית
- מכרסמים (חולדות ועכברים) כמודלים ביולוגיים
- צביעה פלורסצנטית ואימונוהיסטוכימיה לניתוח המוח
תוצאות עיקריות
- PHM הפחית באופן משמעותי תגובות רעידות ראש בעכברים
- הגברה של הפנמה (internalization) של רצפטורי 5-HT2A בנוירונים של הקורטקס הפרה-פרונטלי
- דירוג נמוך (downregulation) של ביטוי c-Fos בעקבות התערבות מכנית
מסקנות
- המחקר מדגים שיטה תקפה לבחינת השפעות מכניות על המוח.
- הממצאים תורמים להבנה עמוקה יותר של פיזיולוגיה של פעילות גופנית ואיתות עצבי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ניתוח ההשפעות המכניות הישירות של פעילות גופנית על הסיגנלינג המוחי הוא קריטי להפחתת סיכונים במטרות נוירוביולוגיות ולבירור השערות מנגנוניות בשלבי הגילוי המוקדמים. מערכת תנועת הראש הפסיבית (PHM) מאפשרת הגשה מבוקרת וניתנת לשחזור של תאוצות מכניות מוגדרות לראשי מכרסמים, ובכך תומכת בביטחון חיזוי במחקרי מכנו-טרנסדוקציה. יכולת זו מספקת מידע לתיקוף מטרות ולהמשכיות תרגומית עבור תוכניות טיפוליות נוירופסיכיאטריות וכאלו הקשורות לפעילות גופנית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של מסלולי מכנו-טרנסדוקציה המעורבים בהומאוסטזיס של המוח המושרה על ידי פעילות גופנית.
- תומך בתיקוף תפקודי של סיגנלינג של קולטני סרוטונין באוכלוסיות נוירונליות מוגדרות.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי בידוד השפעות מכניות מהשפעות סיסטמיות של פעילות גופנית.
- מספק מדדי ייחוס כמותיים להפעלת מסלולים ופנימיה של קולטנים.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- מכין מודלים מאושרים של מכרסמים לצורך סריקה נוירו-פארמקולוגית בהמשך התהליך.
- מסטנדרט את פרמטרי הגירוי המכני לפיתוח בדיקות הניתנות לשחזור.
- מייצר פלטים כמותיים כגון פרופילי תאוצה של הראש ומדדי לוקליזציה של רצפטורים.
- מאפשר הערכה מהימנה של השפעות תרכובות על מסלולים רגישים למכניקה (mechanosensitive).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה מודלים פרה-קליניים לגירויים מכניים רלוונטיים למחלה שנצפו בפעילות גופנית אצל בני אדם.
- תומכת ברציפות מהגילוי המכניסטי ועד לתיקוף פרה-קליני מונחה-ביומארקרים.
- מספקת מידע לקידום מותאם-סיכונים של מועמדים לטיפולים נוירו-פסיכיאטריים וחוקי-פעילות גופנית.
- מספקת פלטפורמה להערכת ביומארקרים תרגומיים של מכנו-טרנסדוקציה (mechanotransduction).
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
מערכת ה-PHM משתלבת ברצף שבין שלב הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי מתן אפשרות לבדיקה מונחית-השערה של סיגנלינג מכני במודלים של מכרסמים, ובכך היא תומכת הן בתיקוף מטרות והן בפיתוח ביומרקרים תרגומיים.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת השערת האפס עבור הפעלה מכנית של מסלולי איתות במוח.
- סריקה: מספק גירוי מכני כמותי וניתן לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות.
- אנליטיקה: מספק פלטים מדידים כגון פרופילי תאוצה, הפנמה של רצפטורים וביטוי של c-Fos.
- מחקר תרגומי: מגשר בין ממצאים מנגנוניים למודלים פרה-קליניים הרלוונטיים למחקרים על פעילות גופנית ונוירופסיכיאטריה.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה לשימוש חוזר עבור מחקרי מכנו-טרנסדוקציה ונוירוביולוגיה מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בהיפותזות מכניסטיות ובתיקוף מטרות.
- ערך תפעולי: מאפשר פרוטוקולים של גרייה מכנית סטנדרטיים, ניתנים להרחבה וניתנים לשחזור.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) על ידי הבהרת השפעות מכניות ישירות על מטרות במוח.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של תוכניות נוירו-פסיכיאטריות ותוכניות המדמות פעילות גופנית.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בטיפול במכרסמים, נוירוביולוגיה ודימות כמותי.
- נדרש מיכשור לגירוי מכני מבוקר ומיקרוסקופיית פלואורסצנציה ברזולוציה גבוהה.
- נדרשת סטנדרטיזציה בין-צוותית של פרמטרי הגירוי ונקודות קצה אנליטיות.
- התאמה בין מיני מכרסמים ופרדיגמות של פעילות גופנית עשויה לדרוש אופטימיזציה של הפרוטוקול.
- ההתערבות המכנית מוגבלת לאזורי גוף נגישים ועשויה שלא לשחזר באופן מלא את ההשפעות הסיסטמיות של פעילות גופנית.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:35
Measurement of Magnitudes of Accelerations and Adjustment of the PHM System
1:33
Quantification of Mouse Head-Twitch Response
2:03
Immunohistochemical Analysis of Prefrontal Cortex (PFC) Collected from Euthanized Mouse Brain
3:22
Results: Effect of Treadmill Running and PHM Application in Mouse PFC Neurons
4:37
Conclusion
