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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
O objetivo do método é testar para hipertermia ou convulsões induzidas pelo calor em modelos de camundongos. O protocolo descreve o uso de uma câmara personalizada com monitoramento contínuo da temperatura corporal para determinar se a temperatura corporal elevada leva a convulsões.
Modelos de camundongos transgênicos provaram ser ferramentas poderosas no estudo de vários aspectos das doenças neurológicas humanas, incluindo a epilepsia. As epilepsias genéticas associadas ao SCN1A compreendem um amplo espectro de distúrbios convulsivos com penetração incompleta e variabilidade clínica. As mutações SCN1A podem resultar em uma grande variedade de fenótipos convulsivos que vão desde convulsões febris simples e auto-limitadas associadas à febre (FS), epilepsia genética de nível moderado com convulsões febris mais (GEFS+) até síndrome de Dravet (DS) mais grave. Embora a FS seja comumente observada em crianças menores de 6 a 7 anos de idade que não têm epilepsia genética, os FS em pacientes gefs+ continuam a ocorrer até a idade adulta. Tradicionalmente, fs experimentais têm sido induzidos em camundongos expondo o animal a um fluxo de ar seco ou lâmpadas de aquecimento, e a taxa de mudança na temperatura corporal muitas vezes não é bem controlada. Aqui, descrevemos uma câmara de aquecimento personalizada, com uma frente de plexiglass, que é equipada com um controlador de temperatura digital e um ventilador elétrico equipado com aquecedor, que pode enviar ar forçado aquecido para a arena de teste de uma maneira controlada pela temperatura. A temperatura corporal de um rato colocado na câmara, monitorada através de uma sonda retal, pode ser aumentada para 40-42 °C de forma reprodutível, aumentando a temperatura dentro da câmara. O monitoramento visual contínuo dos animais durante o período de aquecimento demonstra a indução de convulsões induzidas pelo calor em camundongos portadores de uma mutação FS a uma temperatura corporal que não provoca convulsões comportamentais em companheiros de lixo do tipo selvagem. Os animais podem ser facilmente removidos da câmara e colocados em uma almofada de resfriamento para retornar rapidamente a temperatura corporal ao normal. Este método prevê um protocolo de triagem simples, rápido e reprodutível para a ocorrência de convulsões induzidas pelo calor em modelos de camundongos de epilepsia.
A epilepsia, a quarta família mais comum de distúrbios neurológicos nos Estados Unidos1, é caracterizada por um desequilíbrio de excitação e inibição no SNC que leva a convulsões recorrentes. Convulsões febris (SF) ou febre associada podem ocorrer na população geral, na maioria das vezes em crianças de 3 meses a 6 a 7 anos de idade. No entanto, em alguns indivíduos com mutações genéticas, na maioria das vezes em um gene de canal de sódio, fs pode persistir além da idade de 7 anos até a idade adulta. Esta condição é referida como convulsões febris mais ou FS+. Avanços rápidos no sequenciamento do genoma identificaram mais de 1.300 mutações no gene do canal de íons de sódio humano SCN1A, tornando-se um ponto de acesso para mutações de epilepsia. As mutações SCN1A têm sido ligadas a um amplo espectro de distúrbios convulsivos, incluindo convulsões febris (SF), epilepsia genética com convulsões febris mais (GEFS+) e Síndrome de Dravet (DS)2,3,4,5,6. Cerca de 20% das mutações missenses SCN1A levam a GEFS+5,7,8. A história pediátrica de FS complexo ou prolongado na infância pode, posteriormente, desenvolver-se em formas mais debilitantes de epilepsia, como a epilepsia do lobo temporal (TLE)9,10,11. A Síndrome de Dravet surge devido a mutações de truncação ou perda de mutações de função no SCN1A e é uma forma grave de epilepsia intratável, com início infantil de convulsões febris que se desenvolvem em convulsões refratárias, e muitas vezes está associada a prejuízos cognitivos, de desenvolvimento e motores2,5,12 . Como muitos indivíduos com GEFS+ e/ou DS exibem convulsões febris, torna-se imperativo desenvolver novas terapias para combater melhor esses distúrbios convulsivos.
Modelos animais de epilepsia associada ao SCN1A têm se mostrado inestimáveis na caracterização de diferentes tipos de convulsões (febril versus generalizada) e dissecando o mecanismo neuronal da geração convulsão13,14,15,16,17,18. Embora o estudo de convulsões espontâneas via gravações de EEG/EMG em cérebros de roedores seja bem estabelecido e seja uma ferramenta muito útil, apenas alguns estudos tentaram imitar convulsões febris em modelos de camundongos14,16,19,20,21,22,23 . Estudos anteriores usaram um jato de ar seco aquecido, ou um cilindro de metacrilato equipado com um sistema térmico, ou lâmpadas de calor com um controlador de temperatura em arenas de teste fechadas9,16,21,22,23,24 para induzir convulsões via hipertermia. A fim de aumentar a temperatura corporal em um ambiente mais controlado, o protocolo descrito aqui usa uma câmara personalizada com um sistema de aquecimento controlado pela temperatura que permitiu taxas reprodutíveis de aumento da temperatura corporal de um rato dentro da câmara. A câmara de calor foi construída a partir de madeira (comprimento de 40 cm x largura 34 cm x altura 31 cm) e foi equipada com um controlador de temperatura digital com um termopar K. Um pequeno ventilador axial equipado com um aquecedor no painel traseiro da câmara direciona o ar aquecido para a câmara regulado por um controlador de temperatura digital. Este sistema de aquecimento de ar forçado permite controlar a taxa em que a temperatura da câmara aumenta. (Figura 1A,B). O termopar K localizado dentro da câmara de calor de madeira envia feedback ao controlador de temperatura digital, para manter temperaturas constantes dentro da caixa durante o ensaio. Definir a temperatura no controlador de temperatura digital, permite que o ventilador elétrico envie ar forçado aquecido através de aberturas para aquecer uniformemente a câmara (Figura 1A). O painel frontal da câmara de calor é uma folha clara de plexiglass para permitir a gravação de vídeo fácil dos ensaios.
Camundongos adultos (P30-P40), heterozigosos para uma mutação missense em SCN1A que faz com que gefs+ e um número igual de companheiros de lixo do tipo selvagem sirvam como o grupo controle, foram selecionados para cada experimento. Os animais, tanto machos quanto fêmeas, utilizados nestes estudos pesavam pelo menos 15 g, pois os camundongos do tipo selvagem que pesavam menos eram mais sensíveis a convulsões induzidas pelo calor do que animais mais pesados da mesma idade. No estudo piloto, tanto os camundongos mutantes quanto os selvagens foram observados para procurar os cantos mais frios da câmara na parte de trás e permaneceram lá por longos períodos de tempo. Para contornar isso, o tamanho efetivo do piso dentro da arena de teste da câmara de calor foi reduzido ao comprimento de 16,5 cm x largura 21,5 cm x altura 27,5 cm colocando um bloco de madeira B (dimensões 20 cm x 8cm x 7,2 cm) no lado direito da câmara (Figura 1A). A câmara de calor foi construída a partir de madeira compensada de 1,9 cm de espessura (comprimento de 40 cm x largura 34 cm x altura 31 cm) coberta com laminado branco e equipada com um controlador de temperatura digital com um termopar K. A superfície laminada das paredes da câmara é impermeável e pode ser facilmente higienizada entre os ensaios, eliminando-se com 70% de etanol. A temperatura da câmara de calor foi inicialmente fixada em 50 °C e pré-aquecido por pelo menos 1 h antes do início do experimento, para garantir o aquecimento uniforme dentro da câmara. Cada rato foi equipado com um termômetro retal para monitoramento contínuo da temperatura corporal durante todo o experimento. Um único rato foi colocado na câmara de cada vez e a temperatura foi mantida em 50 °C entre 1º e 10º minuto. A temperatura foi então elevada para 55 °C durante o 11º-20º minuto, e finalmente aumentou para 60 °C para 21-30 minutos. Isso resultou em uma taxa reprodutível de aumento na temperatura corporal do mouse (Figura 2A). Cada ensaio foi gravado em vídeo e a análise comportamental foi realizada offline.
O protocolo de aquecimento pode ser facilmente modificado para alterar a temperatura inicial da câmara de calor e a taxa que a câmara é aquecida, o que por sua vez muda a rapidez com que a temperatura corporal do mouse é elevada durante o ensaio. Assim, este método proporciona mais flexibilidade em relação aos métodos tradicionais na configuração das telas comportamentais envolvendo convulsões induzidas pelo calor. O protocolo de convulsão induzido pelo calor também pode ser usado para rastrear drogas antiepilépticas que tornam os camundongos mutantes mais resistentes a convulsões induzidas pelo calor ou aumentam a temperatura limiar na qual as convulsões são observadas. Da mesma forma, os efeitos benéficos de regimes alimentares restritivos, como a dieta ceto em convulsões induzidas pelo calor, podem ser examinados em camundongos alimentados com chow normal versus ceto.

Figura 1: Descrição da câmara de calor do mouse personalizada. (A) O painel frontal da câmara de calor do mouse de madeira mostra o painel de controle lateral contendo o interruptor Power ON/OFF que liga o controlador de temperatura digital, o termopar K, o interruptor ON/OFF do aquecedor do ventilador e o indicador de calor. As dimensões externas da caixa e da arena de teste interna são mostradas em cm. Um bloco de madeira B usado para reduzir efetivamente a superfície da arena de teste também é mostrado. A parte inferior da arena de teste é coberta com roupa de cama de espiga para evitar que os ratos entrem em contato diretamente com superfícies de madeira aquecidas. (B) O painel traseiro da câmara de calor mostra o ventilador montado na ventilação superior e o cabo de alimentação para fornecer eletricidade à câmara. Este valor é modificado da Figura 3 em Das et al., 2021, eNeuro14. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Todos os procedimentos animais foram realizados de acordo com as diretrizes do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) da Universidade da Califórnia, Irvine.
1. Preparação para o ensaio de convulsão induzido pelo calor
2. Preparando o mouse para ensaio de convulsão induzido pelo calor
3. Ensaio de convulsão induzido pelo calor
4. Eutanásia dos animais
5. Analisando os dados de convulsão induzidos pelo calor
| Pontuação de Racine | Características de convulsão | ||
| 0 | Sem convulsões | ||
| 1 | Movimentos bucais e faciais | ||
| 2 | Cabeça acenando | ||
| 3 | Forelimb clonus, geralmente um membro | ||
| 4 | Forelimb clonus com rearmamento | ||
| 5 | Convulsão tônica-clonic generalizada, criação, salto, queda | ||
Tabela 1: Pontuação de Racine.
Espera-se que modelos animais com mutações de convulsão febril sejam submetidos a convulsões induzidas pelo calor a temperaturas corporais elevadas que não induzem convulsões nos companheiros de ninhada do tipo selvagem. As mutações SCN1A foram associadas a convulsões febris, incluindo pacientes K1270T GEFS+, que apresentam convulsões febris e afebril generalizadas7. Nós examinamos crispr gerou SCN1A K1270T GEFS+ camundongos mutantes recentemente descritos em um estudo14 para a ocorrência de apreensões de calor em dois antecedentes genéticos - resistente à convulsão 129X1/SvJ (129X1) e inconsumente c57BL/NJ (B6N). A idade corresponde aos companheiros de lixo do tipo selvagem na câmara de calor do rato que não abrigam nenhuma mutação GEFS+ e, portanto, não são esperados para exibir convulsões induzidas pelo calor, servindo como o grupo de controle. A taxa de mudança de temperatura corporal ao longo do tempo foi avaliada por plotagem da temperatura corporal média dos ratos registrada a cada minuto durante o ensaio. Não houve diferença na taxa de mudança da temperatura corporal entre camundongos mutantes heterozigos e companheiros de lixo do tipo selvagem testados em suas respectivas origens genéticas 129X1 e B6N (Figura 2B,C). Isso sugere que a termoregulação não é alterada em camundongos mutantes heterozigostos K1270T GEFS+.
Todos os camundongos mutantes heterozigos de 129X1 (n = 15) ou B6N (n = 9) apresentaram convulsões induzidas pelo calor (Figura 2D). Nenhum dos camundongos do tipo selvagem no fundo enriquecido 129X1 (n = 13) apresentou convulsões induzidas pelo calor (Figura 2D). Em contraste, um terço dos camundongos testados (n = 3 dos 9 camundongos) no fundo B6N sensível à convulsão exibiu convulsões induzidas pelo calor. A comparação estatística mostra que a porcentagem de camundongos mutantes heterozigos que exibem convulsões induzidas pelo calor foi significativamente maior do que seus respectivos camundongos de tipo selvagem nos níveis genéticos 129X1 e B6N (Figura 2D, teste exato de Fisher, 129X1 p < 0,0001; B6NJ p = 0,009). A temperatura média do limiar de convulsão entre os camundongos mutantes heterozigosos em 129X1 e B6N foi semelhante. Camundongos mutantes 129X1 têm uma temperatura média do limiar de convulsão de 42,6 ± 0,20 °C, o que não foi significativamente diferente da temperatura média do limiar de convulsão de 42,7 ± 0,06 °C visto em camundongos B6N (Figura 2E; teste t-teste não remunerado do estudante não remunerado de duas caudas, p = 0,782). É importante notar que a temperatura média do limiar de apreensão de três camundongos do tipo selvagem B6N que apresentaram convulsões induzidas pelo calor foi de 43,7 ± 0,08 °C e significativamente maior que o limiar médio de apreensão de 42,7 ± 0,06 °C exibido por camundongos mutantes heterozigos (Figura 2E, t-teste de aluno não pago de duas caudas, p < 0,0001).
A frente de plexiglass da câmara torna possível fazer gravações de vídeo contínuas durante o ensaio que pode ser usado mais tarde para marcar a gravidade da convulsão em cada rato em uma escala racina modificada, como descrito anteriormente14,20. Durante um ensaio típico, camundongos mutantes heterozigos exibiriam convulsões induzidas pelo calor com vocalização e/ou cabeça-acenando (pontuação racine 2), e transição rápida para clonus de forelho, caindo de lado, saltando, extensão de subida traseira e/ou convulsões tônicas/clonic generalizadas (racine scores 3-5) quando a temperatura corporal atingiu cerca de 42 °C. A pontuação máxima de Racine representa o comportamento de convulsão induzido pelo calor mais severo entre os camundongos mutantes. A pontuação máxima de Racine de camundongos mutantes heterozigosos em fundo enriquecido em 129X1 (n = 15) não é diferente dos camundongos mutantes heterozigos em B6N (n = 9) fundo genético (Figura 2F; Teste de Mann-Whitney, p > 0,9999). Isso sugere que as características de comportamento de convulsão induzidas pelo calor em camundongos mutantes K1270T GEFS+ são independentes do fundo da tensão.
Juntos, os dados demonstram que todos os camundongos mutantes exibem convulsões induzidas pelo calor com frequência semelhante, temperatura do limiar de convulsão e gravidade da convulsão comportamental de forma independente da tensão. A maioria dos companheiros de ninhada do tipo selvagem não exibe tais convulsões a menos de 44 °C. Cerca de um terço dos camundongos de controle do tipo selvagem em um fundo B6N sensível à convulsão apresentaram convulsões induzidas pelo calor (possivelmente devido a efeitos genéticos de fundo), mas a temperatura do limiar de convulsão foi significativamente maior em comparação com ratos mutantes no mesmo fundo. Esses resultados sugerem que camundongos mutantes em origem genética B6N são suscetíveis a convulsões induzidas pelo calor a limiares de temperatura mais baixos devido à mutação SCN1A GEFS+ que abrigam. Assim, usando este protocolo, pode-se avaliar convulsões induzidas pelo calor em camundongos mutantes de epilepsia e distinguir-se de camundongos companheiros de ninhada do tipo selvagem, que ou não sofrem convulsões induzidas pelo calor ou exibem convulsões de calor a temperaturas significativamente mais altas.

Figura 2: Camundongos mutantes exibem convulsões induzidas pelo calor. (A) O protocolo de aquecimento para triagem comportamental de convulsões induzidas pelo calor em camundongos. (B-C) Temperatura corporal média de camundongos através do tempo em camundongos do tipo selvagem (Scn1a+/+ - triângulos negros) e mutantes heterozigos (Scn1aKT/+ - círculos laranjas) em dois fundos genéticos 129X1 e B6N, respectivamente. (D) Percentual de camundongos que mostram convulsões induzidas pelo calor em ambos os antecedentes genéticos. Os ratos do tipo selvagem (Scn1a+/+) e heterozigos (Scn1aKT/+) são representados por barras pretas e laranjas, respectivamente. Mutantes heterozigos em fundos 129X1 e B6N são mostrados em barras laranja sólidas e barras laranjas com listras pretas, respectivamente. (E) Limiar de temperatura da convulsão para convulsões induzidas pelo calor em camundongos do tipo selvagem (Scn1a+/+) e mutantes heterozigos (Scn1aKT/+) em ambas as cepas. (F) Distribuição de dispersão de escores máximos de racine de convulsões induzidas pelo calor exibidas por camundongos heterozigos (Scn1aKT/+) em ambos os antecedentes genéticos. Cada ponto representa a pontuação máxima de Racine em um único mouse. O número de animais em cada genótipo é mostrado entre parênteses. Os dados mostrados nos painéis B-F são ± S.E.M. Este valor é modificado da Figura 3 em Das et al., 2021, eNeuro14. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não declaram conflitos de interesse.
O objetivo do método é testar para hipertermia ou convulsões induzidas pelo calor em modelos de camundongos. O protocolo descreve o uso de uma câmara personalizada com monitoramento contínuo da temperatura corporal para determinar se a temperatura corporal elevada leva a convulsões.
Gostaríamos de agradecer connor J. Smith por sua ajuda na construção da câmara de calor de rato personalizada. Reconhecemos a ajuda dos membros do laboratório O'Dowd, Lisha Zeng e Andrew Salgado para padronizar o protocolo de aquecimento durante os estágios iniciais do desenvolvimento do ensaio. Agradecemos também a Danny Benavides e Kumar Perinbam por gravações de vídeo do procedimento experimental para o manuscrito. Este trabalho foi apoiado pela subvenção do NIH (NS083009) concedida ao D.O.D.
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