Пилотное исследование повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции уровней Aβ и Tau в спинномозговой жидкости макак-резусов
3 сентября 2021 г.
Здесь мы описываем процедуру пилотного исследования для изучения влияния повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции с различными частотами (1 Гц / 20 Гц / 40 Гц) на метаболизм Aβ и тау в спинномозговой жидкости макак-резусов.
Этот протокол использует серийный метод отбора проб CSF cisterna magna для изучения влияния rTMS на уровни альфа-бета и тау у макак-резусов. Этот метод использует новый метод отбора проб ликвора, позволяющий проводить повторный отбор образцов ликвора в полностью бодрствующих условиях с низким риском неблагоприятных событий. Продемонстрировать процедуру будут Ин-Цянь Чжан, научный сотрудник кафедры физиологии Юго-Западного медицинского университета, и Хуэй-Синь Тан, аспирант Сычуаньского университета.
После введения анальгезии и подтверждения успешной анестезии поместите пятилетнего самца макаки-резуса на операционный стол в боковом пролежневом положении и продезинфицируйте область вокруг поясницы. Согнизьте спину и поднесите колени к груди. Вставьте спинномозговую иглу между поясничными позвонками от L4 до L5 и протолкните ее до тех пор, пока не появится хлопок, указывающий на вход в поясничную цистерну, где размещена связка flavum.
Продолжайте проталкивать иглу дальше, пока не появится второй хлопок, указывающий на вход в твердую мозговую оболочку, затем выньте стайлет из спинномозговой иглы и соберите капли ликвора. Затем выполните установку катетера под флюороскопическим руководством, вставив эпидуральный катетер через пункционную иглу в субарахноидальное пространство до тех пор, пока он не станет плавучим в цистерне великой. Затем для имплантации порта сделайте пятисантиметровый разрез от места прокола в сторону головы и изолируйте кожу от подкожной клетчатки, чтобы разместить порт для отбора проб.
Подключите порт к концу эпидурального катетера, имплантируйте порт под кожу и зашить разрез. Для сбора ликвора используйте стержни клетки, чтобы удерживать обезьяну и держать ее спину согнутой. Затем протрите спиртовым тампоном и вставьте шприц в центр отверстия для отбора проб, чтобы извлечь ликвор из cisterna magna через катетер.
Отбросьте первые 200 микролитров ликвора, затем соберите один миллилитр ликвора для анализа. Зафиксируйте обезьяну на обезьяньем стуле перед экспериментом, чтобы избежать прерывания во время вмешательства rTMS, затем соберите ликвор для анализа биомаркеров, когда обезьяна бодрствует, чтобы избежать влияния анестезирующих препаратов. На третий день после субарахноидальной катетеризации и за две недели до начала эксперимента подвергайте обезьяну адаптивной тренировке с обезьяньим стулом два раза в день по 30 минут каждый раз.
Проведите адаптивную тренировку rTMS или фиктивную стимуляцию через неделю после адаптивной тренировки с обезьяньим креслом и за неделю до начала формального эксперимента, чтобы не препятствовать прогрессу эксперимента вибрациями и звуками во время процесса стимуляции. Для фиктивной стимуляции используйте фиктивную катушку, которая производит вибрацию и звук, но не генерирует магнитное поле. После стимуляции предложите обезьяне пищу, чтобы помочь ей адаптироваться к процессу.
Локализовать двустороннюю дорсолатеральную префронтальную кору по международной системе от 10 до 20 и провести три различных сеанса ртМС с использованием трех разных частот без периода вымывания, превышающего 24 часа. Выполняйте первый, второй и третий сеансы два раза в день в течение трех дней подряд. Чтобы проанализировать четыре биомаркера ликвора, используйте минимально инвазивный метод катетеризации для сбора ликвора.
Соберите ликвор в пяти временных точках с четырьмя образцами в каждой точке времени с трехминутными интервалами. Собрав в общей сложности 60 образцов для трех частот, пронумеруйте и храните их в холодильнике при минус 80 градусах Цельсия на срок до одного месяца. После эксперимента подвергайте все образцы обнаружению жидкого чипа в соответствии с инструкциями производителя.
После одной герцовой стимуляции rTMS уровни Abeta42 постепенно увеличивались в течение 24 часов. Аналогично с rTMS при 20 герцах, уровни Abeta42 увеличивались со временем и достигали пика через шесть часов после стимуляции. Напротив, после стимуляции 40 герц уровни Abeta42 значительно увеличивались сразу же в точке времени после rTMS, а затем медленно снижались.
Соотношение Abeta42 к Abeta40 показало тенденцию к росту после стимуляции с помощью одного и 20 герц rTMS и значительно увеличилось через два часа после стимуляции. Однако существенной разницы в соотношении при 40 герцах не было. Уровни ттау в ликворе сразу же увеличивались после стимуляции 20 и 40 герц rTMS и постепенно снижались.
Тем не менее, не было никакой существенной разницы после одной герцовой стимуляции. Уровень pTau сразу же увеличился после стимуляции 40 герц и снизился до уровня ниже исходного уровня через 24 часа. Напротив, для стимуляции в один и 20 герц уровень pTau показал тенденцию к снижению.
Исследователи, которым требуется несколько образцов обезьяньего ликвора, могут рассмотреть этот серийный метод отбора проб CSF cisterna magna.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данном исследовании изучается влияние ритмической транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС) на разных частотах (1 Гц, 20 Гц и 40 Гц) на метаболизм амилоида-бета (Aβ) и тау-белков в спинномозговой жидкости (СМЖ) макак-резусов. В работе используется новый метод забора СМЖ в состоянии полного бодрствования для оценки изменений уровней биомаркеров после проведения интервенции рТМС.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейробиология
- Нейрохимия
- Транскраниальная магнитная стимуляция
Теоретические сведения
- Исследуется возможность применения ритмической транскраниальной магнитной стимуляции (рТМС) в качестве метода воздействия на нейродегенеративные биомаркеры.
- Aβ и tau имеют решающее значение для понимания болезни Альцгеймера и сопутствующих состояний.
- В данной работе представлено пилотное исследование, в котором особое внимание уделяется новому подходу к отбору проб спинномозговой жидкости.
- Исследование проводилось на модели самца макаки-резуса, что актуально для трансляционных исследований в области нейродегенерации.
Цель исследования
- Оценить влияние различных частот рTMS на уровни Aβ и тау-белка в ЦСЖ.
- Проверить метод повторного забора ЦСЖ в состоянии бодрствования при минимальном риске.
- Исследовать потенциальные биомаркеры, связанные с когнитивной функцией и нейродегенерацией.
Используемые методы
- В протоколе используется серийный забор спинномозговой жидкости (СМЖ) из большой цистерны мозга.
- Биологической моделью является самец макаки-резуса, подвергнутый воздействию рТМС.
- В методологии не освещаются мультиомиксные рабочие процессы.
- Основные этапы включают подтверждение анестезии, катетеризацию, адаптивный тренинг и применение рТМС.
- Сбор СМЖ осуществляется в нескольких временных точках после стимуляции рТМС.
Основные результаты
- После стимуляции уровни Aβ продемонстрировали различные реакции в зависимости от частоты, при этом значительное повышение было отмечено после воздействия частотами 1 Hz и 20 Hz.
- Уровни tTau значительно повысились после стимуляции частотами 20 Hz и 40 Hz.
- Уровни pTau продемонстрировали заметное увеличение непосредственно после стимуляции частотой 40 Hz.
- После стимуляции частотой 1 Hz значимых изменений уровней tau не наблюдалось.
Выводы
- Данное исследование демонстрирует возможность использования рТМС для модуляции ключевых нейродегенеративных биомаркеров у бодрствующих приматов.
- Полученные результаты расширяют понимание того, как рТМС может влиять на метаболизм Aβ и tau, предоставляя ценные сведения для разработки терапевтических методов лечения нейродегенеративных заболеваний.
- Разработанный метод забора спинномозговой жидкости может служить важным инструментом для будущих исследований динамики биомаркеров на моделях приматов.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
В данном исследовании продемонстрирован неинвазивный подход к нейромодуляции для воздействия на биомаркеры, значимые при болезни Альцгеймера, в спинномозговой жидкости, что представляет собой трансляционный инструмент для валидации мишеней в исследованиях нейродегенеративных заболеваний. Путем модуляции динамики Aβ и tau с помощью рТМС у бодрствующих приматов данный метод позволяет снизить риски при проверке механистических терапевтических гипотез перед запуском дорогостоящих доклинических программ. Метод серийного отбора проб спинномозговой жидкости позволяет осуществлять лонгитюдный мониторинг биомаркеров, повышая точность прогнозирования взаимодействия с мишенью и модуляции сигнальных путей.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверить терапевтические гипотезы, демонстрируя частотно-зависимую модуляцию биомаркеров Aβ42 и tau в ЦСЖ.
- Практическая ценность: Обеспечивает воспроизводимый, минимально инвазивный метод забора ЦСЖ в состоянии бодрствования для лонгитюдной оценки биомаркеров.
- Прогностическая ценность: Позволяет на ранних этапах снизить риски при выборе мишеней, связывая нейромодуляцию с измеримыми изменениями активности путей нейродегенерации.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает получение количественных показателей биомаркеров СМЖ (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau), подходящих для стандартизации анализа и проверки воспроизводимости.
- Практическая ценность: поддерживает разработку фармакодинамических анализов для нейромодулирующих соединений с использованием СМЖ в качестве суррогатной матрицы.
- Масштабируемость: метод серийного отбора проб позволяет проводить сбор образцов в нескольких временных точках, что делает возможным профилирование кинетики и зависимости «доза-эффект».
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: демонстрирует взаимодействие с мишенью на релевантной для заболевания модели приматов, связывая результаты in vitro с биомаркерными ответами in vivo.
- Практическая ценность: подтверждает эффективность рабочего процесса забора ЦСЖ, совместимого с повторными вмешательствами, что позволяет сократить количество используемых животных и снизить вариабельность данных.
- Трансляционная преемственность: соответствует клиническому применению рТМС при нейродегенеративных расстройствах, поддерживая трансляцию биомаркеров между различными видами.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод вписывается в континуум процесса разработки — от проверки гипотезы о мишени до оптимизации соединений-лидеров, позволяя принимать решения о продолжении или прекращении разработки («go/no-go») на основе биомаркеров и данных о модуляции сигнальных путей.
- Открывательная биология: Проверка механистических гипотез о влиянии нейромодуляции на пути амилоидов и тау-белков с использованием биомаркеров ЦСЖ в качестве показателей этих путей.
- Скрининг: Обеспечение количественного определения биомаркеров в готовом для анализа формате для оценки воздействия соединений или стимуляции на мишени нейродегенерации.
- Аналитика: Предоставление мультиплексных количественных данных о биомаркерах (Aβ42, Aβ42/Aβ40, tTau, pTau) для проведения сравнительного анализа в различных условиях и временных точках.
- Трансляционные исследования: Связь изменений биомаркеров, вызванных rTMS у приматов, с потенциальным клиническим применением при болезни Альцгеймера.
- Корпоративное повторное использование: Создание воспроизводимой платформы отбора проб ЦСЖ и анализа биомаркеров для проведения многочисленных кампаний по нейромодуляции или поиску новых лекарственных средств.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность валидации мишени путем установления связи между rTMS и направленными изменениями ключевых биомаркеров болезни Альцгеймера.
- Операционная ценность: стандартизирует сбор ЦСЖ и анализ биомаркеров, повышая воспроизводимость результатов в различных исследованиях и центрах.
- Стратегическая ценность: снижает биологические риски при выборе мишени, предоставляя ранние доказательства модуляции сигнальных путей в трансляционной модели.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию программ нейромодуляции или модификации заболевания с учетом рисков на основе профилей ответа биомаркеров.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с приматами, навыками нейрохирургической катетеризации и эксплуатации оборудования для рTMS.
- Метод зависит от установки катетера под флюороскопическим контролем, систем детектирования жидкостных чипов и наборов для анализа биомаркеров ЦСЖ.
- Необходима межгрупповая стандартизация между специалистами по нейронаукам, лабораторными животными и биоаналитическими группами для обеспечения согласованности отбора проб и анализа.
- Требуется учет особенностей адаптации для различных видов приматов, мишеней стимуляции и панелей биомаркеров.
- Практические ограничения включают необходимость в хирургической компетенции, время послеоперационного восстановления и наличие оборудования для хронического доступа к ЦСЖ.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:50
Serial Cisterna Magna Cerebrospinal Fluid (CSF) Sampling Method
2:34
Monkey Chair Adaptive Training
3:07
rTMS Adaptive Training/Sham Stimulation
3:39
Treatment Protocol
4:07
CSF Biomarkers, CSF Collection, and Index Detection Method
4:40
Results: Effect of rTMS Stimulation with Different Frequencies on Aβ and Tau Metabolism
5:57
Conclusion
