腸-脳神経コミュニケーションのリアルタイム解析:腸管グルコース刺激に応答した皮質ワイドカルシウムダイナミクス
2023年12月29日
迷走神経によって促進される腸と脳のコミュニケーションは、胃腸内分泌系と脳との間のコミュニケーションに不可欠です。しかし、胃内グルコース注射が皮質活動を変えることができるかどうかはまだわかっていません。ここでは、十二指腸へのグルコース注射後の皮質活動の変化を観察するための包括的なプロトコルを提供します。
私たちの研究範囲は、腸と脳の神経伝達、特に食物嗜好におけるその役割を明らかにしています。迷走神経を用いた実験では、迷走神経を1つの束として扱うことが多かったのですが、近年の研究では、迷走神経が特性や臓器特異性を選択することが明らかになっています。ですから、その統計を調査することは、今後注目されると思います。
このカテーテルを腸に取り付ける方法は、先に提案した方法よりも低コストで、侵襲性が低く、容易であるのが適切です。従来、腸へのカテーテルの取り付けは縫合によって行われていました。ここでは、マウスへの外科的損傷を、シアノアクリレート接着剤の付着物で縫合に置き換えることにより軽減しました。
当研究室では、身体的・心理的ストレスがマウスの脳腸間神経伝達にどのような影響を与えるのか、そのメカニズムを探っています。まず、はさみを使用してシリコンチューブを7センチメートルの正確な長さにカットします。シアノアクリレート接着剤を使用して、シリコンチューブの端から約3ミリメートルのところに小さなプラスチックビーズを固定します。
23ゲージの針の頂点を切除し、針先から1.5センチメートル切り取ります。ビーズの反対側にある針の切断部分をシリコンチューブに挿入します。ペンチを使用して、針先から1センチ切り抜きます。
改造した23ゲージの注射針を2.5ミリリットルの注射器に取り付けます。15ゲージの注入針の上に23センチメートルのシリコンチューブを覆います。注入針を先端から1.5センチ切り、シリコンチューブに取り付けます。
まず、麻酔をかけたマウスを仰臥位にして手術台の上に置き、その口を吸入装置に近づけます。粘着テープを使用して、マウスの口腔、前脚、および後脚を手術台に固定します。脱毛クリームを塗って、左上腹部の毛を取り除きます。
腹部の右側と剣状突起の5ミリメートル下に1.5センチメートルの皮膚切開を行います。次に、最初の皮膚切開と同じ位置に腹壁に1.5センチの切開を作成します。鈍い鉗子で左肝葉をゆっくりと横方向に動かして胃を露出させます。
次に、胃を持ち上げ、切開部からそっと取り出します。はさみを使用して、幽門前庭部に小さな穿孔を作成します。カテーテルの端をビーズで穿孔に挿入します。
カテーテルが胃にしっかりと付着していることを確認したら、胃を慎重に元の位置に再配置します。腹壁を縫合し、カテーテルが外部に出るようにします。次に、腹部閉鎖に類似した方法で皮膚切開を閉じます。
操作部位をグルコン酸クロルヘキシジン溶液で洗浄し、マウスを消毒されたケージに入れます。まず、麻酔をかけたマウスを補助イヤーバーを使用して定位固定装置に固定し、脈動と呼吸の影響を軽減します。電気シェーバーや脱毛クリームを使って、頭皮の毛を丁寧に取り除きます。
頭皮の表面を0.1〜0.5%のグルコン酸クロルヘキシジン溶液で消毒します。.局所麻酔ジェルを頭皮に塗布し、5〜10分間待ちます。次に、ハサミを使って、後頭部から額に向かってまっすぐに切り込みを入れます。
クリップを使用して、頭蓋骨を露出させている余分な皮膚を引き戻します。骨膜の結合組織を綿棒で取り除きます。すぐにアクリルセメントを頭蓋骨に塗り、セメントが乾くまで5分間待ちます。
蛍光実体顕微鏡下でマウスを動かします。イメージングには、水銀光源と組み合わせてワイドバンド青色蛍光フィルターセットを使用します。次に、カテーテルの端からカテーテル針を取り外します。
マウス側カテーテル内の残留内容物を約0.03ミリリットルの生理食塩水を使用してパージします。.次に、カテーテルをマウスから取り外します。適切な用量の10%グルコース溶液をシリンジに吸引し、カテーテルに取り付けます。.
イメージングソフトウェアで、カメラの認識を確認し、フレームレートを10ヘルツに設定します。解像度を 512 x 512 ピクセルに、深度を 16 ビットに設定します。記録処理ボタンをクリックして、50秒間自発的なデータを取得します。
最後に、グルコース溶液を徐々に注入しながら、マウスの生理学的状態データを記録します。自発的な神経活動により、皮質全体でランダムなカルシウム振動が明らかになりました。時間的な蛍光強度の変化は、バースト抑制パターンに続くカルシウム振動を示しました。
グルコース注射は、グルコース投与完了後4〜8秒以内に皮質カルシウム動態に有意な変化を示し、二次運動皮質で即時活性化されました。ただし、水投与後の変化は観察されませんでした。水投与と比較して、グルコース注射後の二次運動皮質領域で蛍光強度比の大幅な変化が観察されました。
注射後の異なる皮質領域における活性化レベルは、二次運動皮質領域でのみ有意差を示した。
概要
本研究では、迷走神経を介した腸脳相関について調査し、マウスにおける胃内グルコース注入が皮質活動に及ぼす影響に焦点を当てます。本研究では、手術による外傷を最小限に抑え、腸と脳の間の神経伝達メカニズムの解析を容易にする、新たな腸管へのカテーテル装着法を提示します。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 消化器病学
- 実験医学
背景
- 食物の嗜好に関する情報の処理には、腸脳相関が不可欠です。
- 従来、迷走神経は単一の組織として扱われてきましたが、近年の知見では選択的な特性を持つことが示唆されています。
- ストレスが腸脳シグナリングに及ぼすメカニズムを理解することは、この伝達経路を探索する上で極めて重要です。
研究目的
- 胃内へのグルコース投与が皮質活動に及ぼす影響を観察すること。
- 腸へのカテーテル留置における低侵襲な手法を開発すること。
- 身体的および心理的ストレスが腸脳神経系の通信にどのように影響するかを探索すること。
使用した手法
- カテーテル留置の外科的手法に焦点を当てた、本実験で使用したマウスモデルについて。
- カテーテル留置において、縫合糸をシアノアクリレート系接着剤に置き換えることによる、従来の外科的手法の改良について。
- グルコース投与後の皮質カルシウムダイナミクスの変化を観察するために採用したイメージング技術について。
- データ解析のため、注入後の時間的な蛍光強度変化を記録した。
主な結果
- 十二指腸へのグルコース注入により、二次運動皮質のカルシウムダイナミクスに有意な変化が認められた。
- 自発的なカルシウム振動が記録され、バースト抑制のパターンが示された。
- 水の投与後には有意な変化が見られず、グルコースによる特異的な効果が強調された。
結論
- 本研究は、腸由来の信号による皮質活動の迅速な変調に関する知見を提供します。
- これらの知見は、腸脳相互作用の根底にあるメカニズムと、それが神経活動に及ぼす影響を理解する上で重要な意味を持ちます。
よくある質問
産業上の重要性
腸管へのグルコース刺激後の皮質全域にわたるリアルタイムカルシウムイメージングは、迅速な腸脳神経通信を直接的に観察することを可能にし、栄養素による脳応答を理解する上での重要な転換点となります。この手法により、栄養シグナル伝達経路のメカニズム的なリスク軽減が可能となり、代謝および神経行動研究ポートフォリオにおけるターゲットバリデーションの予測信頼性が向上します。また、栄養素特異的な皮質活性化を識別できる本手法の能力は、初期探索およびトランスレーショナルパイプラインにおける意思決定に寄与します。
バイオファーマR&Dにおける戦略的活用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 皮質活動に影響を与える腸由来の神経シグナル伝達経路の解析を可能にします。
- 腸管の栄養感知と特定の脳領域を関連付けることで、機能的なターゲットバリデーションをサポートします。
- 代謝性疾患および神経精神疾患の候補経路におけるメカニズム的なリスク低減を促進します。
- 創薬ポートフォリオにおける腸脳軸ターゲットの優先順位付けに、予測的な信頼性を提供します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 腸刺激に対する皮質反応を定量化するための、検証済みin vivoシステムの構築。
- アッセイ標準化に向けた、再現性のある定量的なカルシウムイメージング出力の提供。
- 腸脳神経伝達を調節する化合物や介入策のスクリーニングを可能にする。
- 多様な栄養素や薬理学的刺激を評価するための、プラットフォームの拡張性をサポートする。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 代謝および行動表現型に関する疾患関連モデルと整合します。
- メカニズムの解明から、腸脳軸介入の前臨床検証までのトランスレーショナルな連続性を提供します。
- 腸由来のシグナルの影響を受ける神経回路を標的とした候補物質について、リスク調整後の進展を可能にします。
- 定量的な皮質活動の読み取りを通じて、バイオマーカーの開発を支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
このイメージングプロトコールは、基礎研究から前臨床までの一連の流れに組み込まれており、初期のメカニズム研究と、腸脳シグナリングに関するトランスレーショナルリサーチを橋渡しするものです。
- 探索生物学：栄養素による神経活性化および経路特異性に関する仮説検証を促進します。
- スクリーニング：介入効果を比較するための、定量的で再現性のあるカルシウムダイナミクスを提供します。
- 分析：堅牢な統計解析のための、蛍光強度および時間的活性データを生成します。
- トランスレーショナルリサーチ：代謝および行動モデルにおける皮質活性化パターンと、疾患に関連するアウトカムを結びつけます。
- エンタープライズ再利用：多様な腸脳相関研究に利用可能な、再利用可能なin vivoイメージングプラットフォームを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 腸脳研究における予測の信頼性を高め、メカニズム的な曖昧さを軽減します。
- 運用的価値： 生体内イメージングとカテーテル挿入を標準化し、再現性と拡張性のある研究を実現します。
- 戦略的価値： 腸脳軸のターゲットおよび介入策に関するゴー/ノーゴー決定に情報を提供します。
- ポートフォリオへの影響： 栄養駆動型神経回路を調節する候補物質のリスク調整済み優先順位付けを可能にします。
実施上の検討事項
- 齧歯類モデルにおけるin vivoイメージングおよび外科的カテーテル挿入の専門知識が必要です。
- 蛍光顕微鏡および定量的イメージングソフトウェアへのアクセスが不可欠です。
- 再現性を確保するため、外科的処置およびイメージングプロトコルのチーム間での標準化が必要です。
- プロトコルを修正することで、さまざまな栄養刺激や薬理学的刺激に適応させることが可能です。
- 外科的外傷を最小限に抑え、生理学的な妥当性を維持するために、慎重な取り扱いが不可欠です。
バイオファーマ よくある質問
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:13
Assembling a Customized Catheter and Injector System for Intragastric Glucose Injection in Mice
2:23
Gastric Localization and Catheter Insertion in the Pyloric Antrum of Mice
4:13
In Vivo Transcranial Calcium Imaging in Mice with Intraduodenal Glucose Administration
