Analiza komunikacji neuronalnej jelitowo-mózgowej w czasie rzeczywistym: dynamika wapnia w całej korze mózgowej w odpowiedzi na stymulację glukozy w jelitach
29 grudnia 2023
Komunikacja jelitowo-mózgowa, ułatwiana przez nerw błędny, jest kluczowa dla komunikacji między układem hormonalnym przewodu pokarmowego a mózgiem. Jednak to, czy dożołądkowe wstrzyknięcie glukozy może zmienić aktywność kory mózgowej, nadal nie jest zrozumiałe. W tym miejscu oferujemy kompleksowy protokół obserwacji zmian w aktywności kory mózgowej po wstrzyknięciu glukozy do dwunastnicy.
Nasz zakres badań ujawnia komunikację neuronalną jelitowo-mózgową, a zwłaszcza jej rolę w preferencjach żywieniowych. Eksperymenty z udziałem nerwu błędnego często traktowano jako pojedynczy pęczek, ale ostatnie badania wykazały, że dobiera on właściwości i specyfikę narządową. Myślę więc, że zbadanie jego statystyk przyciągnie uwagę w przyszłości.
Ta metoda mocowania cewnika do jelita jest odpowiednia przy niskich kosztach, mniej inwazyjna i łatwiejsza niż metoda zaproponowana wcześniej. Tradycyjnie, zakładanie cewnika do jelita odbywało się poprzez zszywanie. Tutaj złagodziliśmy chirurgiczne uszkodzenia myszy, zastępując szycie mocowaniem kleju cyjanoakrylowego.
W naszym laboratorium badamy mechanizm wpływu stresu fizycznego i psychicznego na komunikację neuronalną jelitowo-mózgową u myszy. Na początek użyj nożyczek, aby przyciąć silikonową rurkę na precyzyjną długość siedmiu centymetrów. Za pomocą kleju cyjanoakrylowego przymocuj maleńkie plastikowe koraliki, około trzech milimetrów od końca silikonowej rurki.
Wytnij wierzchołek igły o rozmiarze 23 i odetnij 1,5 centymetra od końcówki igły. Włóż wyciętą część igły po przeciwnej stronie koralika do silikonowej rurki. Za pomocą szczypiec odetnij jeden centymetr od końcówki igły.
Podłączyć zmodyfikowaną igłę do wstrzykiwań o rozmiarze 23 do strzykawki o pojemności 2,5 mililitra. Owiń 15-centymetrową silikonową rurkę na igłę iniekcyjną o rozmiarze 23. Odetnij igłę iniekcyjną 1,5 centymetra od końcówki i przymocuj ją do silikonowej rurki.
Na początek połóż znieczuloną mysz na wznak na stole operacyjnym, ustawiając jej usta bliżej aparatu do inhalacji. Za pomocą taśmy klejącej przymocuj jamę ustną myszy, przednie i tylne nogi do stołu operacyjnego. Nałóż krem do depilacji, aby usunąć włosy z lewej górnej części brzucha.
Wykonaj 1,5-centymetrowe nacięcie skóry po prawej stronie brzucha i pięć milimetrów poniżej wyrostka mieczykowatego. Następnie wykonaj 1,5-centymetrowe nacięcie w ścianie brzucha w tym samym miejscu, co początkowe nacięcie skóry. Delikatnie przesuń lewy płat wątroby na boki za pomocą kleszczy z końcem, aby odsłonić brzuch.
Teraz podnieś żołądek i delikatnie wyjmij go przez nacięcie. Za pomocą nożyczek utwórz maleńką perforację w antrum odźwiernika. Wprowadzić koniec cewnika z koralikiem do perforacji.
Po potwierdzeniu mocnego mocowania cewnika do żołądka, ostrożnie ustaw żołądek w pierwotnej pozycji. Zszyj ścianę jamy brzusznej, umożliwiając wyjście cewnika na zewnątrz. Następnie zamknij nacięcie skóry w sposób analogiczny do zamknięcia brzucha.
Oczyść operowany obszar roztworem glukonianu chlorheksydyny i umieść mysz w odkażonej klatce. Na początek przymocuj znieczuloną mysz do platformy stereotaktycznej za pomocą pomocniczych pasków dousznych, aby złagodzić skutki pulsacji i oddychania. Za pomocą golarki elektrycznej lub kremu do depilacji ostrożnie usuń włosy ze skóry głowy.
Zdezynfekuj powierzchnię skóry głowy 0,1 do 0,5% roztworem glukonianu chlorheksydyny. Nałóż żel znieczulający miejscowo na skórę głowy i odczekaj od pięciu do 10 minut. Następnie za pomocą nożyczek wykonaj proste cięcie od tyłu głowy do czoła.
Użyj klipsów, aby odciągnąć nadmiar skóry odsłaniającej czaszkę. Usuń tkankę łączną okostnej za pomocą bawełnianego wacika. Natychmiast nałóż cement akrylowy na czaszkę i poczekaj pięć minut, aż cement wyschnie.
Przesuń mysz pod fluorescencyjnym mikroskopem stereoskopowym. Do obrazowania należy użyć szerokopasmowego zestawu niebieskich filtrów fluorescencyjnych w połączeniu z rtęciowym źródłem światła. Następnie wyjmij igłę cewnika z końca cewnika.
Usuń resztki zawartości w cewniku po stronie myszy za pomocą około 0.03 mililitra soli fizjologicznej. Następnie wyjmij cewnik z myszy. Odessać odpowiednią dawkę 10% roztworu glukozy do strzykawki i podłączyć ją do cewnika.
W oprogramowaniu do obrazowania sprawdź rozpoznawanie kamery i ustaw liczbę klatek na sekundę na 10 Hz. Ustaw rozdzielczość na 512 x 512 pikseli i głębię na 16 bitów. Kliknij przycisk procesu nagrywania i zbieraj spontaniczne dane przez 50 sekund.
Na koniec, przy stopniowym wlewie roztworu glukozy, zapisz dane o stanie fizjologicznym myszy. Spontaniczna aktywność neuronalna ujawniła losowe oscylacje wapnia w całej korze mózgowej. Czasowe zmiany intensywności fluorescencji wykazały oscylacje wapnia zgodnie ze wzorcem tłumienia impulsów.
Wstrzyknięcie glukozy wykazało znaczące zmiany w korze wapniowej w ciągu czterech do ośmiu sekund po zakończeniu podawania glukozy z natychmiastową aktywacją w drugorzędowej korze ruchowej. Nie zaobserwowano jednak żadnych zmian po podaniu wody. W porównaniu z podawaniem wody, po wstrzyknięciu glukozy zaobserwowano znaczne zmiany we współczynnikach intensywności fluorescencji w regionie wtórnej kory ruchowej.
Poziomy aktywacji w różnych obszarach kory mózgowej po wstrzyknięciu wykazały istotne różnice tylko w obszarze wtórnej kory ruchowej.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje komunikację jelitowo-mózgową poprzez nerw błędny, koncentrując się na wpływie dokanałego wstrzyknięcia glukozy do żołądka na aktywność kory mózgowej u myszy. Praca przedstawia nowatorską metodę mocowania cewnika do jelita, która minimalizuje uraz chirurgiczny, ułatwiając badanie mechanizmów komunikacji neuronalnej między jelitem a mózgiem.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Gastrologia
- Medycyna eksperymentalna
Wstęp
- Komunikacja na osi jelito-mózg jest niezbędna do przetwarzania informacji związanych z preferencjami pokarmowymi.
- Tradycyjnie nerw błędny traktowano jako pojedynczy byt, jednak niedawne odkrycia sugerują, że wykazuje on właściwości selektywne.
- Zrozumienie mechanizmów wpływu stresu na sygnalizację jelitowo-mózgową jest kluczowe dla zbadania tej drogi komunikacyjnej.
Cel badania
- Obserwacja wpływu dokanałowych wlewów glukozy do żołądka na aktywność kory mózgowej.
- Opracowanie mniej inwazyjnej metody wprowadzania cewników do przewodu pokarmowego.
- Badanie wpływu stresu fizycznego i psychologicznego na komunikację neuronalną w osi jelito-mózg.
Zastosowane metody
- Model mysi wykorzystany w eksperymentach, ze szczególnym uwzględnieniem technik chirurgicznych mocowania cewnika.
- Modyfikacja tradycyjnych metod chirurgicznych poprzez zastąpienie szwów klejem cyjanoakrylowym w celu mocowania cewnika.
- Techniki obrazowania zastosowane do obserwacji zmian w dynamice wapnia w korze mózgowej po podaniu glukozy.
- Do analizy danych zarejestrowano czasowe zmiany intensywności fluorescencji po iniekcji.
Główne wyniki
- Iniekcja glukozy do dwunastnicy doprowadziła do istotnych zmian w dynamice wapnia w wtórnej korze ruchowej.
- Zarejestrowano spontaniczne oscylacje wapnia, ilustrujące wzorce supresji serii wyładowań.
- Wyniki obrazowania nie wykazały istotnych zmian po podaniu wody, co podkreśla specyficzny wpływ glukozy.
Wnioski
- Badanie dostarcza wiedzy na temat szybkiej modulacji aktywności kory mózgowej przez sygnały pochodzące z jelit.
- Wyniki mają znaczenie dla zrozumienia mechanizmów leżących u podstaw interakcji oś jelito-mózg oraz ich wpływu na aktywność neuronalną.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Obrazowanie wapnia w czasie rzeczywistym w całej korze mózgowej po stymulacji glukozą w jelitach stanowi bezpośrednie okno na szybką komunikację neuronalną na osi jelito-mózg, co jest krytycznym punktem zwrotnym w rozumieniu reakcji mózgu wywołanych przez składniki odżywcze. Podejście to umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w badaniu szlaków sygnalizacyjnych nutrientów oraz zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celów dla portfeli badań metabolicznych i neurobehawioralnych. Zdolność tej metody do rozróżniania specyficznej dla składników odżywczych aktywacji kory dostarcza informacji istotnych dla wczesnego etapu odkryć oraz decyzji w procesach translacyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia badanie pochodzących z jelit szlaków sygnalizacji neuronalnej wpływających na aktywność kory mózgowej.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez powiązanie jelitowego wykrywania składników odżywczych z konkretnymi obszarami mózgu.
- Ułatwia mechanistyczną ocenę ryzyka w odniesieniu do potencjalnych szlaków w zaburzeniach metabolicznych i neuropsychiatrycznych.
- Zapewnia pewność prognostyczną przy ustalaniu priorytetów dla celów w obrębie osi jelito-mózg w portfelach badawczych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Ustanawia zwalidowany system in vivo do ilościowego określania odpowiedzi kory mózgowej na stymulację jelit.
- Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki obrazowania wapnia w celu standaryzacji testu.
- Umożliwia przesiewowe badanie związków lub interwencji modulujących komunikację neuronową na osi jelita-mózg.
- Wspiera skalowalność platformy w celu oceny różnorodnych bodźców odżywczych lub farmakologicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodny z modelami istotnymi dla chorób w zakresie fenotypów metabolicznych i behawioralnych.
- Zapewnia ciągłość translacyjną od odkryć mechanistycznych do walidacji przedklinicznej interwencji w osi jelito-mózg.
- Umożliwia dostosowany do ryzyka rozwój kandydatów ukierunkowanych na obwody neuronalne pod wpływem sygnałów pochodzących z jelit.
- Wspiera opracowywanie biomarkerów poprzez ilościowe odczyty aktywności kory mózgowej.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy protokół obrazowania integruje się z kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, łącząc wczesne badania mechanistyczne z badaniami translacyjnymi nad sygnalizacją jelito-mózg.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia testowanie hipotez dotyczących indukowanej składnikami odżywczymi aktywacji neuronalnej oraz specyficzności szlaków.
- Przesiewanie: Zapewnia ilościową, powtarzalną dynamikę wapnia w celu porównania efektów interwencji.
- Analityka: Generuje dane dotyczące intensywności fluorescencji i aktywności czasowej do rzetelnej analizy statystycznej.
- Badania translacyjne: Łączy wzorce aktywacji kory z wynikami istotnymi dla chorób w modelach metabolicznych i behawioralnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnego użytku platformę obrazowania in vivo do różnorodnych badań nad osią jelitowo-mózgową.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad osią jelito-mózg.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje obrazowanie in vivo i kaniulację w celu przeprowadzenia powtarzalnych i skalowalnych badań.
- Wartość strategiczna: Dostarcza podstaw do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań nad celami i interwencjami w obrębie osi jelito-mózg.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów modulujących obwody neuronalne zależne od składników odżywczych z uwzględnieniem poziomu ryzyka.
Kwestie związane z wdrożeniem
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu in vivo oraz chirurgicznym cewnikowaniu modeli gryzoni.
- Wymaga dostępu do mikroskopii fluorescencyjnej i oprogramowania do analizy ilościowej obrazów.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów chirurgicznych i obrazowania pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności.
- Metoda jest adaptowalna do różnych bodźców odżywczych lub farmakologicznych poprzez modyfikacje protokołu.
- Niezbędna jest ostrożność w obchodzeniu się z preparatem, aby zminimalizować urazy chirurgiczne i zachować istotność fizjologiczną.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
