Levend resected menselijk hersenweefsel is een zeer waardevol instrument in preklinische evaluatie van AED's, omdat het goed vertegenwoordigt een intact menselijk hersenmicro-netwerk. Het gepresenteerde protocol beschrijft een methode voor weefseltransport en -bereiding, die zorgt voor hoogwaardige hippocampale plakjes en een stabiele inductiemethode voor epileptiforme activiteit die cruciaal is voor AED-evaluatie.
Onderzoek naar epileptiforme activiteit en methoden voor chemische of elektrische inductie in menselijke hersenenplakjes zijn eerder aangetoond door andere groepen17,20,21,22. Dit protocol beschrijft de inductie van stabiele burst activiteit in plakjes van verschillende patiënten via toepassing van hoge K++4-AP evenals inductie van SLEs in CA1 gebied via toepassing van lage Mg2 ++BIC. Het bleek dat de inductie van burst-activiteit consistenter is (80% van de geteste plakjes bij 15 patiënten) dan de inductie van SSE's (50% van de geteste plakjes bij één patiënt). Tot nu toe is de inductie van SLEs echter slechts bij één patiënt getest. Niettemin wordt inductie van SLEs door lage Mg2++BIC aanbevolen, omdat SLEs nog niet kunnen worden geïnduceerd met behulp van hoge K++4-AP.
Verschillende studies hebben methoden geïntroduceerd voor het vervoer en de voorbereiding van menselijk hersenweefsel en vaak wijzen op drie factoren die van cruciaal belang zijn voor de neuronale overleving: transporttijd, gebruikte transportoplossingen en opslagomstandigheden.
Voor een optimale levensvatbaarheid van de slice, sommige groepen suggereren dat het vervoer van gereseceerde hersenweefsel zo kort mogelijk. Echter, operatiekamers en laboratoria zijn zelden in de nabijheid, wat betekent dat de kwaliteit van de slice kan worden aangetast als gevolg van lange transport. Sommige groepen hebben dit obstakel overwonnen door constante O2 toe te passen op de oplossing tijdens het vervoer12. We hebben getransporteerd hersenweefsel voor korte (max = 15 min) en lange (tot 1 uur) perioden zonder constante extra O2 levering tijdens het vervoer, vergelijkbaar met andere groepen18,25. In deze gevallen werden verschillen in weefselkwaliteit niet waargenomen tijdens epileptiforme opnames. In de communicatie met andere groepen in ons instituut veranderde de kwaliteit van de snijvlakken ook niet voor patch-clamp experimenten. In tegenstelling, variantie in de kwaliteit van het weefsel mogelijk het gevolg is van schade tijdens operaties, langdurige resectie, en snijden procedure.
Met betrekking tot transport- en snijoplossing laten alle gepubliceerde methoden NaCl weg van oplossingen om zwelling van cellen als gevolg van osmotische druk te verminderen, vergelijkbaar met de standaardprocedure voor patchklemexperimenten voor knaagdieren. Tot nu toe zijn er echter verschillende substituten geïntroduceerd (d.w.z. sucrose gebaseerde aCSF13,22, op NMDG gebaseerde aCSF12,26en choline-gebaseerde aCSF27). Ting en collega's introduceerden de NMDG-gebaseerde aCSF voor de voorbereiding van de slice in 201426 en voegden later een herstelprotocol toe, dat nacl langzaam herintroduceert in de segmenten28. Echter, zoals beschreven door Ting et al., neuronen van hersenweefsel bereid in NMDG-gebaseerde aCSF tonen een hogere membraanbestendigheid, waardoor hele-cel afdichting tijdens patch-clamp experimenten26. Daarom zijn we overgestapt van NMDG-gebaseerde aCSF naar het gebruik van choline-gebaseerde aCSF20,die hoogwaardige slices oplevert voor zowel veldpotentieel als patch-clamp opnames.
Wat de opslag van plakjes betreft, wordt algemeen aanvaard dat interfaceomstandigheden optimale oxygenatie bieden die cruciaal zijn voor lange slice-overleving18. Echter, andere groepen tonen slice survival voor maximaal 72 uur onder ondergedompelde omstandigheden12. In tegenstelling tot eerdere hypothese, menselijke hersenen plakjes lijken meer bestand tegen lage oxygenatie of oxidatieve stress in vergelijking met knaagdier plakjes. In de eerste plaats zijn interfacekamers eerder gebruikt voor het opslaan van menselijke hippocampal-plakjes, hoewel ondergedompelde omstandigheden worden aanbevolen voor het onderhoud van menselijke hersenensegmenten in patch-clamp experimenten.
Zoals besproken door andere groepen, een extra kritische stap voor lange slice overleven (interface voor <48 h18, ondergedompeld voor <72 h12) is de preventie van bacteriële besmetting. Knaagdier hersenen plakjes worden meestal gebruikt in elektrofysiologische opnames voor maximaal 8 uur, en bacteriële besmetting wordt niet beschouwd als de levensvatbaarheid van de slice beïnvloeden tijdens deze periode. Hoog aantal plakjes bereid uit een resectie en de ongewone beschikbaarheid van menselijk hersenweefsel wijst op de noodzaak om de levensvatbaarheid van de menselijke hersenen plakjes te verlengen. Deze methode beschrijft met succes de voorbereiding van levende menselijke hippocampal hersenen plakjes, die gemakkelijk kunnen worden aangepast aan steriele omstandigheden. Echter, voor de opnames hier uitgevoerd, slice survival uitbreiding van 20 uur was geen prioriteit.
Opname in interfacekamers is ook essentieel gebleken voor het inductie van epileptiforme activiteit zoals SLEs22. Ondergedompelde omstandigheden, als gevolg van lage oxygenatie, worden zelden gebruikt voor het registreren van SLEs; ze zijn echter nodig voor optische hoge resolutie die nodig is voor patch-clamp experimenten. Het gebruik van een geoptimaliseerde onderwater type opnamekamer maakt het mogelijk de opname van epileptiforme activiteit (extracellulair veld of enkel neuron) in menselijke hersenen plakjes, als gevolg van hoge oxygenatie en snelle toepassing van geneesmiddelen29. Hier worden methoden en resultaten voor veldpotentieelopnames beschreven, maar het moet worden benadrukt dat patchklemopnamen met succes zijn uitgevoerd in muis- en menselijke hersensegmenten met behulp van deze gewijzigde opnamekamer (gegevens die niet zijn weergegeven).
Resected menselijk hersenweefsel heeft een hogere translationele waarde in vergelijking met knaagdier modellen. Het vertegenwoordigt een volwassen, zieke neuronale netwerk dat niet kan worden gereproduceerd door IPSCs. Echter, zoals in elk in vitro systeem, menselijke hersenen plakjes vertegenwoordigen geen intact menselijk brein. Bovendien kunnen de geregistreerde neuronale netwerken van gereseceerd hersenweefsel aanzienlijke moleculaire en functionele veranderingen ondergaan als gevolg van schade tijdens de operatie of voorbereiding. Snijprocedures blijken de GABAergic-functie te beïnvloeden en kunnen de inductie van epileptiforme activiteit30beïnvloeden. Deze beperkingen moeten worden overwogen bij het formuleren van een hypothese. Bij het testen van potentiële anti-epileptica moet het gebruik van verschillende hersengebieden worden overwogen, omdat medicijndoelen mogelijk niet in alle menselijke hersengebieden of alle patiënten worden uitgedrukt. In het bijzonder vertonen de hippocampi van TLE-patiënten vaak tekenen van hippocampale sclerose die gepaard gaan met ernstig neuronaal celverlies. Het wordt aanbevolen om patiëntinformatie te verkrijgen over pathologische veranderingen en ziektegeschiedenis, zoals potentiële vuurvastheid ten opzichte van medicijnen, en dit te overwegen tijdens de interpretatie van gegevens.
Tot slot, deze methode beschrijft met succes de voorbereiding van levende menselijke hippocampal hersenen plakjes en inductie technieken voor het opnemen van twee verschillende soorten epileptiforme activiteit. Aangezien de beschikbaarheid van levend menselijk hersenweefsel zeldzaam is, moeten geoptimaliseerde transport- en opnameomstandigheden worden gebruikt om maximale output van experimenten met menselijke hersensegmenten te garanderen. Er wordt gesuggereerd dat resected menselijk hersenweefsel kan worden gebruikt als een preklinische validatie tool in aanvulling op knaagdier modellen en celcultuur experimenten.