$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Modele ostrych napadów mogą z powodzeniem odtwarzać sygnatury elektrograficzne przypominające zdarzenia ictal obserwowane w elektroencefalogramie (EEG) u osób doświadczających napadu. Badacze używają tych zdarzeń podobnych do napadów (zwanych dalej "zdarzeniami ictal") jako substytutów zdarzenia napadowego1. Klinicznie zdarzenia ictal służą jako wiarygodny wskaźnik zastępczy dla napadów, ponieważ napady są zaburzeniem neurologicznym, które wywodzi się z mózgu. Na oddziale monitorowania padaczki neurolodzy polegają na wykrywaniu zdarzeń zakaźnych, aby potwierdzić obszar padaczkowy mózgu i wyizolować go do resekcji2. Na oddziale intensywnej terapii lekarze monitorują aktywność pacjenta, aby ocenić, czy u pacjentów w sedacji utrzymuje się jakakolwiek aktywność napadowa3. Kontrolowanie napadów padaczkowych pozostaje wyzwaniem dla środowiska medycznego, ponieważ 30% pacjentów z padaczką jest opornych na dostępne leki4,5, a 10% przypadków medycznych obejmujących napady wywołane lekami nie reaguje na standardowe leczenie3. Stanowi to poważny problem dla społeczeństwa, ponieważ przewiduje się, że 10% populacji amerykańskiej doświadczy jednego napadu padaczkowego w swoim życiu, a 3% oczekuje się, że rozwinie się padaczka6.
Badanie napadów padaczkowych w modelach przewlekłej padaczki jest kosztowne, pracochłonne i często zajmuje miesiące7. Trudno jest również wykonywać zapisy elektrofizjologiczne u swobodnie poruszających się zwierząt. Badania kliniczne na ludziach borykają się z podobnymi problemami, a także z dodatkowymi zawiłościami związanymi ze zgodą pacjenta, zmiennością pochodzenia uczestników oraz związanymi z tym względami moralnymi i etycznymi8. Z drugiej strony, modele ostrych napadów są korzystne, ponieważ są stosunkowo wygodne w przygotowaniu, opłacalne i zdolne do generowania dużych ilości zdarzeń ictal do badania9. Dodatkowo tkanka jest unieruchomiona w stabilnej pozycji, dzięki czemu warunki są idealne do wykonania zapisów elektrofizjologicznych niezbędnych do zbadania dynamiki napadów i związanej z nimi patofizjologii. Modele ostrych napadów pozostają korzystne w porównaniu z modelami in silico (komputerowymi), ponieważ opierają się na materiale biologicznym składającym się z sieci neuronalnej mózgu ze wszystkimi jej nieodłącznymi czynnikami i połączeniami synaptycznymi, które mogą nie zostać uchwycone nawet przez najbardziej szczegółowe modele komputerowe10. Cechy te sprawiają, że modele ostrych napadów padaczkowych mogą być skuteczne w badaniach przesiewowych pod kątem potencjalnych terapii przeciwpadaczkowych i dokonywaniu wstępnych ustaleń przed przekazaniem ich do dalszych badań w modelach przewlekłej padaczki i badaniach klinicznych.
Zazwyczaj, modele ostrych napadów pochodzą z normalnej tkanki mózgowej, która została poddana działaniu warunków nadpobudliwości. Aby wywołać klinicznie istotne zdarzenia ictal w zdrowej tkance mózgowej, ważne jest, aby zrozumieć, że mózg funkcjonuje optymalnie w stanie krytycznym11, gdzie pobudzenie (E) i hamowanie (I) są zrównoważone12. Zaburzenie równowagi E-I może prowadzić do stanu napadu nadpobudliwego, w którym przyspieszają się zdarzenia ictal. W związku z tym, w ramach tych ram koncepcyjnych, istnieją dwie główne strategie generowania zdarzeń ictal w wycinkach mózgu (in vitro) lub w preparatach z całego mózgu (in vivo): albo zmniejszone hamowanie ("odhamowanie"), albo zwiększone pobudzenie ("brak odhamowania"). Jednak zdarzenia ictal są wysoce uporządkowanymi i zsynchronizowanymi zdarzeniami, które wymagają wpływu interneuronów GABAergic do orkiestracji aktywności sieci neuronowej13,14. Z tego powodu modele bez odhamowania są najbardziej skuteczne w generowaniu zdarzeń ictal w izolowanych sieciach neuronowych, takich jak in vitro slice15, podczas gdy modele odhamowania in vitro zwykle prowadzą do aktywności skokowej przypominającej skok międzynapadowy. Co więcej, w tych ramach koncepcyjnych, chwilowe zdarzenie synchronizujące może również niezawodnie wywołać ictal event16. W rzeczywistości zdarzenie ictal może zostać wywołane przez każde drobne zakłócenie zastosowane w systemie neuronowym17, gdy znajduje się on w 18. Tradycyjnie, zaburzenia te były wywoływane przez stymulację elektryczną. Niedawny rozwój optogenetyki w neurobiologii oferuje jednak teraz bardziej elegancką strategię wywoływania przejść stanów krytycznych16.
Metody opisane w tym artykule pokazują, jak generować zdarzenia ictal na żądanie w modelach ostrych napadów zarówno dla badań in vitro (krok 1 Protokołu), jak i in vivo (krok 2 Protokołu). Obejmują one wybór regionu mózgu, metody indukcji napadów, rodzaju badania i gatunku; jednak nacisk zostanie położony na zalecany wybór modelu ostrego napadu korowego 4-AP ze względu na jego wszechstronność w wielu różnych typach badań. Model ostrego napadu 4-AP in vitro opiera się na standardowym protokole przygotowania wysokiej jakości wycinków mózgu do zapisów elektrofizjologicznych i badań obrazowych19. Protokoły te zostały już wykorzystane do stworzenia in vitro koronalnych wycinków mózgu z kory somatosensoryczno-ruchowej myszy16,20 i people21. Modyfikacje mające na celu generowanie zdarzeń ictal w tego typu wycinkach mózgu zostały już wcześniej zademonstrowane16, a pełne szczegóły są opisane w Protokole poniżej. Model ostrego napadu korowego in vivo 4-AP opiera się na standardowym protokole przygotowania kraniotomii do badań obrazowych22. Modyfikacja polega na tym, że po kraniotomii nie jest instalowane żadne okno (szklane przesuwne). Zamiast tego środki prokondracyjne (4-AP) są miejscowo nakładane na odsłoniętą korę mózgową w celu wywołania zdarzeń ictal, gdy zwierzę jest w znieczuleniu ogólnym. O ile nam wiadomo, nasza grupa była pierwszą, która opracowała ten model ostrego napadu korowego in vivo u myszy16,23. Model ostrego napadu korowego 4-AP in vivo przygotowany na dorosłych myszach został opracowany w celu uzupełnienia modelu in vitro slice z tkanki młodocianej. Replikacja wyników w modelu napadów padaczkowych in vivo u dorosłych pomaga uogólnić wyniki z modeli warstwowych, rozwiązując nieodłączne obawy dotyczące niefizjologicznych warunków wycinka mózgu 2D (w porównaniu ze strukturą 3D całego mózgu) oraz fizjologicznych różnic między tkanką młodzieńczą a dorosłą
.
Metoda inicjacji zdarzenia ictal na żądanie jest demonstrowana przy użyciu albo zaciągnięć neuroprzekaźników za pomocą pikospritzera, albo strategii optogenetycznych. Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, nasza grupa jest pierwszą, która zainicjowała zdarzenia ictal w tkance ludzkiej za pomocą neuroprzekaźników za pomocą picospritzer16. W przypadku strategii optogenetycznych szczep myszy C57BL/6 jest konwencjonalnym szczepem używanym do ekspresji transgenów. Ekspresja rodopsyny kanałowej-2 (ChR2) w interneuronach GABA-ergicznych lub glutaminergicznym komórkach piramidowych zapewni opcjonalną zdolność do generowania zdarzeń ictal na żądanie za pomocą krótkich impulsów świetlnych. Odpowiednie szczepy myszy optogenetycznych obejmują dostępny na rynku wariant C57BL / 6, który wyraża ChR2 w interneuronach, przy użyciu promotora mysiego pęcherzykowego transportera GABA (VGAT) < klasa sup = "xref">24, lub komórki piramidalne, przy użyciu promotora antygenu 1 komórek grasicy myszy (Thy1) < sup class = "xref">25. Te komercyjnie dostępne myszy VGAT-ChR2 i Thy1-ChR2 oferują możliwość aktywacji neuronów GABA-ergicznych lub neuronów glutaminergiczne, odpowiednio, w korze nowej za pomocą niebieskiego (470 nm) światła. Możliwość generowania zdarzeń ictal na żądanie w modelach ostrych napadów może dać nowe możliwości badania dynamiki inicjacji napadów i skutecznej oceny potencjalnych terapii przeciwpadaczkowych.