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方法論記事

実験的急性発作の動物モデルとしてのプラナリア

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DOI:

10.3791/67307

2025年2月14日

この記事について

サマリー

発作は、さまざまな機能や生活の質に悪影響を及ぼします。プラナリア線虫は、発作の表現型と破壊的な運動性を評価するために、さまざまな濃度の化学けいれん薬に曝露されました。この研究は、プラナリア線虫をヒトの急性発作のモデルとして使用することを提案しており、てんかんの医薬品開発において重要です。

要約

てんかんは、再発性の自然発作を特徴とする最も一般的な神経疾患の1つです。発作は、制御されていない、過度に同期した神経細胞活動の臨床症状を表しています。発作による脳の損傷の程度は、その期間と強度によって異なります。残念ながら、てんかんの効果的な治療法はありません。この調査の目的は、プラナリア虫である Dugesia dorotocephala が、急性発作を標的とするてんかんの治療法の特定と開発を支援するモデルとして役立つかどうかを評価することです。現在、抗てんかん薬(ASM)の評価には、マリンモデルなど様々なモデルが用いられています。ただし、それらは非常に高価であり、倫理的な懸念があります。あるいは、無脊椎動物モデルは、ASMの創薬プロセスにおいて費用対効果の高い研究機会を提供します。プラナリアはフラットワーム科に属し、海洋、淡水、陸域の環境に生息しています。 Dugesia dorotocephala は、北米全域の水生プラナリアの優勢種です。 D. dorotocephalaは 、他の無脊椎動物や大型動物とは異なり、その費用対効果、脊椎動物のようなニューロン、および定量化可能な行動により、てんかん研究の実行可能な無脊椎動物モデルとして提示されます。それらは、年齢、記憶、および再生に関連するさまざまな薬理学および環境毒物学の研究で使用されています。この研究では、プラナリアは、曝露時の行動を研究するために、一般的な化学けいれん薬であるピロカルピンのさまざまな濃度に曝露されました。観察後、プラナリアを安楽死させ、神経組織学的評価のためにホルムアルデヒドまたはゴルジ液のいずれかで保存しました。プラナリアでは、背側振動、頭部振動、尾側背部拡張、C字型、ヘッドフリック、テールフリックの6つの異なる行動表現型が観察されました。背側振動数は、対照群と比較して実験群間で有意に増加し、用量依存性を示しました。さらに、ピロカルピンはプラナリアの運動性を乱しました。プラナリアにおけるピロカルピン誘発性発作は、てんかんに苦しむヒト患者に対する治療介入の開発に不可欠な急性発作および抗てんかん薬を評価するためのモデルとして役立つ可能性があります。

概要

てんかんは、明らかな原因なしに24時間以内に2回以上の発作を起こすことを特徴とするもので、世界中で~5,000万人が罹患しています1。そのうち、1000万人から1500万人が薬剤耐性てんかんを患っていると報告されています2。したがって、てんかん薬の調査は非常に重要です。この状態は、ぼんやりと見つめている状態から体の硬直や震えに至るまで、部分的または一般的な不随意運動の短いエピソードを伴い、脳内の電気的活動の急増と関連しています3

歴史的に、てんかんの研究は、人間と進化的に類似しているため、げっ歯類や他の哺乳類に依存してきました。しかし、これらの方法は時間と費用がかかる場合があり、別のアプローチ4,5が必要になります。ショウジョウバエ、ヒル、オタマジャクシ、ゼブラフィッシュ、回虫などの非哺乳類の生物は、研究で利用されており、有望な結果を示しています6。さらに、プラナリアは、無脊椎動物とヒトゲノムの比較ゲノム研究モデルを提供するとともに、抗けいれん薬、抗てんかん薬(ASM)、および行動パターン6をテストする能力を提供できることが示されました。プラナリア(Phylum Platyhelminthes)は、扁形動物およびTurbellariaクラスのメンバーとして知られており、主にその再生能力で有名です。しかし、この調査は、発作誘発物質に対する彼らの応答に焦点を当てています。

プラナリアは、セロトニンやドーパミンに対する反応性など、ヒトと基本的な神経学的メカニズムを共有しており、哺乳類の脳の神経系関連遺伝子と95%の類似性を示し、認識可能な脳構造を持っています7。さらに、実験室条件で観察可能な動きを示し、げっ歯類や他の哺乳類と比較して費用対効果が高く、時間効率が高く、倫理的です。ねじ状、C型、クルミ型などのこれらの観察可能な動作は、何十年にもわたって広く文書化されており、コカイン、ニコチン、ドーパミン、ピロカルピンなどの物質に関連しています7,8,9,10,11,12,13,14。したがって、プラナリアは、ヒトのてんかん薬研究の実行可能なモデルとして浮上しています。

この方法は、ゴルジ染色を使用してピロカルピンに曝露されたプラナリアのニューロンを特徴付けることを目的としています。ゴルジ染色は、光学顕微鏡下でニューロンを視覚化するために使用され、形態の変化が発作に関連しているかどうかを調べるために使用されてきた15,16,17。現在の文献には、プラナリアの脳にゴルジ染色が行われたという証拠はありません。以前の研究では、行動表現型を観察することにより薬理学的効果が文書化されていますが、この原稿は、ゴルジ染色11,18を使用してピロカルピンに曝露されたプラナリアのニューロンを特徴付けた最初のものです。この手法は、発作に関連する形態学的変化を視覚化し理解する上で価値があることが証明されています。この研究では、ピロカルピンの濃度が増加するにつれて、プラナリア線虫の振動背側振動行動の頻度が大幅に増加したことが注目されました。

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プロトコル

注:全体的な実験計画を 図1に示します。

1. 行動表現型アッセイ

  1. 湧き水に溶解した1 mMおよび2 mMのピロカルピンの濃度を準備し、湧き水のみで制御します。
  2. 各溶液の3 mLを4 x 3ウェルプレートにピペットで入れ、各列に異なる濃度のピロカルピンを示します。
  3. 先端を切り落としたトランスファーピペットを使用して、12個のウェルのそれぞれに約2週間齢の実験室で飼育された Dugesia dorotocephalaを 1つずつ入れます。
    注意: 先端をカットして、プラナリアを傷つけずにプラナリアに合うように端が十分に大きくなるようにします。
  4. プラナリアの挙動を1時間記録し、通常の屋内照明条件で4 x 3ウェルプレートの上に配置された、人間の目で観察可能なカメラを使用します。
  5. 湧き水に溶解した3 mM、4 mM、および6 mMのピロカルピンの濃度で、手順1.1〜1.4を繰り返します。

2. 運動性解析

注:プラナリアの挙動は、直径2.5cmの井戸で記録されました。1時間のビデオ録画は30分のパートに分割され、市販のソフトウェアを使用してトリミングされ、プラナリアを個別に分析しました。

  1. 自動行動分析ソフトウェアを使用して新しい実験を開始します。拡張された自動行動追跡システムを開きます。[新しい実験] の [ 新規 ] をクリックします。実験に名前を付けます。
  2. 以下で説明するように、実験的な設定を行います。
    1. メニュー プロンプトで [実験設定 ] をクリックします。設定のデフォルトであることを確認します: ビデオ ソース (ビデオ ファイルから)、アリーナの数 (1)、追跡対象フィーチャ (中心点検出)、ボディ ポイント検出手法 (等高線ベース)、解析オプション (なし)、単位 (cm、s、deg)。
  3. 以下で説明するように、アリーナの設定を行います。
    1. 左上のセットアップパネルの「アリーナ設定」タブの下にある「アリーナ設定」をクリックします。ビデオのアップロードを求められたら、保存したファイルの場所から planaria の録画映像を選択します。ビデオを選択したら、[グラブ]をクリックします。
    2. 画面の右上のパネルに表示される指示に従います。1をクリックします 。キャリブレーションするスケールを描画します。ウェルのビデオ画像で、試料ウェルの端から端まで縮尺線をドラッグします。井戸の実際の距離(2.5 cm)を入力します。
    3. 2をクリックします 。「Shape」を選択し、「Arena」を描画します。右側のパネルでアリーナ1が選択されていることを確認します。マウスカーソルを画面の上部中央に移動し、 円アイコンをクリックします
    4. アップロードしたビデオ画像に円を作成するには、アリーナの一方の境界線から別の境界線にドラッグします。アリーナがオレンジゾーンにあることを確認します。アリーナに合うように形状を調整します。Arena 1 ラベルがアリーナの境界内にあることを確認します。
    5. 右側のパネルの下部にある [形状]、[サイズ]、および [位置] (幅:2.75、高さ:2.75、X:0、Y:0) を目的の測定値に変更します。
    6. [3] をクリックします。「シェイプ」と「ドローゾーン」を選択します(オプション)。右側のパネル内のゾーングループ1が選択されます。マウスカーソルを画面の上部中央に移動し、円のアイコンを選択します。アリーナの画像内でドラッグして、小さな円を作成します。
    7. 右下のパネルで、[形状]、[サイズ]、および[位置]を目的の測定値(幅:1.75、高さ:1.75、X:0、Y:0)に変更します。
    8. 円と同じメニューバーにある「 Add Zone Label 」ボタンをクリックします。 小さい方の円の中心内をクリックします。右側のパネルで Zone 1 タグを右クリックして、Zone Center の名前を変更します。
    9. [ Add Zone Label ] ボタンをもう一度クリックします。 アリーナの周囲、センターゾーンの外側をクリックします。右側のパネルで ゾーン 2 を右クリックして、ゾーンの名前を Perimeter に変更します。
    10. 「4」をクリックします。セットアップを検証して、有効なアリーナ設定を確認します。
  4. 以下で説明するように、トライアルコントロールの設定を行います。
    1. 左上の[セットアップ]パネルの[トライアルコントロール設定]タブの下にある [トライアルコントロール設定] をクリックします。6つのコンポーネントボックスが表示されます。[条件] というラベルの付いた 4 番目のボックス内の [設定 ] をクリックし、これには [時間] (1) と [無限時間] (条件が満たされたことがない) が含まれています。
    2. [アフター] の横にあるバブルをクリックし、右側のテキスト ボックスに期間 (30 分) を入力します。また、時間テキストボックスの右側には、h、min、sから選択するためのドロップダウンメニューもあります。
      注:録画されたフッテージの検出設定は、フッテージの品質によって異なります。次の方法を操作して、個々のフッテージに固有の最良の結果を観察できます。
  5. 以下で説明するように、検出設定を設定します。
    1. 左上の[設定]パネルの[検出設定]タブの下にある [検出設定] をクリックします。右上のパネルにある「 ビデオを選択 」ボタンをクリックします。目的のビデオをベース検出設定にアップロードします。
    2. 同じ右側のパネルの [詳細設定 ]タブをクリックします。次に、[方法]タブで、[グレースケーリング]に設定されていることを確認します。範囲 (0 から 100) を変更します。
    3. 右側のパネルの[スムージング]タブで、[ビデオピクセルのスムージング]が[なし]、ドロップフレームの補正が[オフ]、および[トラックノイズリダクション]が[オフ]であることを確認します。
    4. 右パネルの[Subject Contour]タブで、シーケンス設定を調整し、[Erosion]、[Dilation]、および[Erosion]をそれぞれ1、1、0に変更します。
    5. [サブジェクト サイズ] タブで、[最小] (0) と [最大 (125000)] を変更します。右下の 「保存 」をクリックします。
  6. 以下で説明するように、観察用の一連のビデオ トライアルを設定します。
    1. 左上のセットアップパネルで トライアルリスト をクリックします。標本のビデオ映像を希望の順序でアップロードするには、「システムビデオ」ファイル列の下の 省略記号 をクリックします。トライアルをさらに追加するには、トライアルリストパネルの左上付近にある 「トライアルを追加 」をクリックします。
  7. [取得設定] を設定します。
    1. 左上の[Acquisition]タブの下にある [Acquisition ]をクリックします。右側のパネルの [取得設定] で、[ 計画されたすべての試用版を追跡] をクリックします。
    2. 取得を開始するには、画面下部中央の「Ready for Start」の横にある 赤いボタンをクリックします 。ビデオの取得が開始され、アップロードされたビデオトライアルの量と長さに応じて、一定の時間がかかります。
  8. 以下で説明するように、解析設定を設定します。
    1. 左側のパネルの「分析」タブの下にある 「分析プロファイル 」をクリックします。デフォルトで選択されている従属変数の [Velocity ] と [Distance Moved] をクリックして削除します。
    2. 従属変数パネル内の「ロケーション」タブで、「 ゾーン内」をクリックします。[ Center (中心 )] ボックスと [Perimeter Zone (境界ゾーン)] ボックスをクリックして、チェックマークを付けます。
    3. 「ゾーン内」ボックス内の 「トライアル統計 」タブをクリックします。 [Latency to First]をクリックしてオフにします。 「追加」をクリックします。
    4. 「Body」タブで、「Rotation」 ボタンをクリックします[時計回り] をクリックし、[しきい値] (50.00 度) と移動距離の最小 (2.00 cm) はデフォルトのままにします。 「追加」をクリックします。
    5. 「Rotation」ボタンをもう一度クリックし、「Counterclockwise」をクリックします。「追加」をクリックします。
  9. 以下で説明するように、トラックを分析します。
    1. 「結果」タブで、「 ビジュアライゼーションの追跡」をクリックします。右側のパネルの [フィルター] で 、[最後] のチェックを外します。画面下部中央パネルにある再生コントロールバーは、特定の観察時間における標本の軌跡の視覚化を示しています。
  10. 結果を分析してエクスポートします。結果は、左下のパネルタブの残りの部分に表示されます。データをエクスポートするには、左側のパネル内の[エクスポート]の下にある [生データ ]または [統計 ]をクリックします。

3.安楽死

  1. 湧き水にオイゲノールの22 mM溶液を準備します。カットしたトランスファーピペットを使用して、9 mLの22 mMオイゲノール溶液でプラナリアをシャーレに入れ、各濃度を別々に保ちます。3分間、またはすべての動きが止まるまで安楽死させます。
  2. 9 mLの湧き水で満たされた新鮮なシャーレにプラナリアを入れて1x〜2xすすぎ、以下に説明するゴルジ溶液(ゴルジ染色)または4%パラホルムアルデヒド(免疫蛍光染色)のいずれかに入れます。.

4. 組織学的解析

  1. ゴルジ染色
    1. プラナリアを安楽死させた後、ゴルジステインキットの溶液AとBの1:1の混合物で満たされたビーカーまたはペトリ皿に入れます。翌日、溶液AとBの混合物で満たされた新しいビーカーにプラナリアを入れて、溶液AとBを交換します。
    2. プラナリアを溶液AとBに1週間置く。
    3. 溶液AとBからプラナリアを取り除き、別のビーカーの溶液Cに入れます。翌日、解決策 C を交換します。プラナリアを溶液Cで最低72時間、最大1週間放置します。
    4. トランスファーピペットで溶液Cからプラナリアを除去し、チャックに少量のOCT化合物を置き、プラナリアを加えてから、プラナリアをOCT化合物で囲むことで埋め込みます。プラナリアを-24°Cのクライオスタットマシンで5μMの切片に横方向に切断します。
    5. ゼラチンコーティングされたスライドに、トランスファーピペットと溶液Cを使用してプラナリアをマウントし、RTで暗所で最大3日間乾燥させます。
    6. 染色液(溶液D1部、溶液E1部、湧水2部)を使用して、スライドをビーカーに浸し、次のように溶液を染色します:染色溶液を10分間、次に湧き水に2回4分間、次に50%エタノールを4分間、次に75%エタノールを4分間、次に95%エタノールを4分間、 次に、100%エタノールに4回4分間、最後にキシレン3回に4分間入れます。
    7. カバースリップは組織学的封入剤でスライドし、明視野顕微鏡下で組織を観察します。
  2. 免疫蛍光染色
    1. プラナリアを安楽死させた後、4%パラホルムアルデヒドに少なくとも24時間入れます。このステップの後、冷蔵庫に保管することもできます。
    2. プラナリアを4%PFAから20%スクロースに移し、1日間放置します。スクロースからプラナリアを取り除き、PBSバッファーに5分間入れます。
    3. PBSバッファーを3〜4回洗浄してすすぎ、染色の準備ができるまで20%ショ糖に移して保存します。
    4. 70%、95%、100%のアルコール溶液にそれぞれ1分間入れます。キシレンに1分間入れます。
    5. 95%と70%のアルコールにそれぞれ1分間入れます。PBSバッファーに3回ずつ5分間入れます。60:40メタノールと過酸化水素溶液に10〜15分間入れます。
    6. PBSで3回、各5分間すすぎます。以前に4.2.1で使用した4%パラホルムアルデヒドの量をこのPBSバッファーに加えます。
    7. PBSで3回、各5分間すすぎます。プラナリアを粉ミルクで覆うことにより、粉ミルクで1時間ブロックします。
    8. 一次抗体(1H6)をPBSで5 μg/mLに希釈し、スライドを抗体溶液中で4°Cで一晩インキュベートします。翌日、プラナリアをPBSで10分間すすぎます。
    9. 二次抗体(ヤギ抗マウスIgG)をPBSで1 μg/mLに希釈し、スライドを抗体溶液中のRTで一晩インキュベートします。翌日、プラナリアをPBSで15分間すすぎます。
      注:抗体が異なれば、最適な濃度も異なります。実験を開始する前に、これを確認してください。
    10. プラナリア全体をスライド上にマウントし、カバーガラスで覆い、水性封入剤でシールし、蛍光顕微鏡で組織を観察します。

5. 画像解析

  1. オープンソースの画像解析ソフトウェアアプリケーションを開きます。colour_deconvolution2.jarプラグインをオープンソースの画像解析ソフトウェアアプリケーションにドラッグして、プラグインをアプリケーションにインストールします。
  2. 解析する画像を選択し、オープンソースの画像解析ソフトウェアアプリケーションにドラッグします。[画像] タブに移動し、[ ] をクリックします。 [Colour Deconvolution2 v2.1] をクリックします。
  3. ベクトルオプションで、 H DABをクリックします。出力オプションで、[ 8bit_Transmittance] をクリックします。[シミュレートされた LUT]、[色 3 のクロス積分]、[マトリックスの表示]、および [凡例の非表示] がすべて選択されていることを確認します。 [OK] をクリックします。
  4. 黒の画像 を選択して、オープンソースの画像分析ソフトウェアアプリケーションが画像を効果的に分析できるようにします。
  5. [画像] タブに移動し、[ 調整] をクリックします。 [しきい値] をクリックします。DAB 染色または前景の色が赤で背景が白になるように、しきい値を調整します。複数の画像を定量化する場合は、各画像のしきい値が同じであることを確認してください。
  6. 「分析」をクリックします。「測定値の設定」をクリックします。[Area]、[Min & Max gray value]、[Limit to threshold]、[Display label]、[Median]、および [Mean gray value] を選択します。[OK] をクリックします。「分析」をクリックします。「測定」をクリックします。結果を取得します。
  7. 手順1.2から1を繰り返します。U6ntil すべての画像が定量化されます。 結果の画像をクリックします。 [ファイル] をクリックします。「 名前を付けて保存」をクリックします。ファイルをスプレッドシートとして保存し、スプレッドシートソフトウェアでデータを表示します。

6. 統計分析

  1. 分散分析(ANOVA)と統計的有意性のスチューデントのt検定(p < 0.05)を使用して、プラナリアの挙動の平均誤差と標準誤差(SEM)を計算します。

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結果

以下の挙動は、さまざまな濃度のピロカルピンに曝露されたプラナリアによって観察されました。
背側振動:プラナリアの体の頭蓋端から尾側の端に移動する泡のような形成物。
ヘッド振動:プラナリアの頭による泡のような形成で、オタマジャクシのような外観を形成します。
C字型:頭は時計回りに動き、尾は反時計回りに動かしてC字型になります。
ヘッドフリック:プラナリアの頭が突然左または右に急に動きます。
尾背振動:プラナリアの尾による泡のような形成で、オタマジャクシのような外観を形成します。
テールフリック:プラナリアのテールが突然左または右に急に動きます。

ピロカルピン濃度の増加に伴って行動の頻度が増加することが観察されました。結果は、記録全体で認識された特定の動作の数です。6 mMのピロカルピン(平均=16 ± 4.10、p<0.0001)および4 mM(平均=11.25±2.17、p<0.0001)での背側振動は、対照(平均=0; 図2A

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ディスカッション

この研究では、プラナリアにおけるピロカルピン誘発性の挙動が異なることが実証されました。最も適切な行動は、プラナリア9,10,11,12の発作様行動に関する他の研究では文書化されていないため、振動する背側拡張でした。ピロカルピンがプラナリアに発作様の挙動を誘発するメカニズムは、まだわかっていません。しかし、この研究は、さまざまな行動がさまざまな程度の神経興奮性に対応している可能性があることを示しています。この効果は、ムスカリン受容体アゴニズム22によって引き起こされると考えられています。

プロトコールの主要なステップには、用量依存性分析用のピロカルピン溶液の調製が含まれていました。ここでの手順に従って、ビヘイビア記録...

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開示事項

著者は何も宣言していません。

謝辞

EVMS Research Incentive Fund(PI:A.E. Musto)とJorge Jacot博士には、免疫蛍光プロトコルの最適化に関する有益な提案をいただき、感謝いたします。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1.5 mL遠心分離チューブ4
%パラホルムアルデヒド溶液HimediaTCL119
水性封入剤Clini SciencesNB-47-02240-30ML
ビーカー(試験濃度ごとに1つずつ)
カロライナスプリングウォーターカロライナ132450
オスタット
希釈した一次抗体および二次抗体
エタノール (100%)sigma Aldrich
EthosVision XT 16noldus
Fiji バージョン 2.9.0
ゼラチンコーティングスライドsigma Aldrich643203
Golgi 抗体 1H6DSHBAB_2619608
ゴルジステイン kit_神経科学 アソシエイトPK 401/401A
過酸化
メタノール
封入剤サーモフィッシャー 科学
用 OCT 化合物
PBS バッファーシグマ アルドリッチP4417
粉ミルク
錫箔
トランスファーピペットキシ
レン
クライ水素

参考文献

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