Оценка функционального восстановления активности эвпноэ диафрагмы после односторонней шейной гемисекции спинного мозга у крыс
14 июня 2024 г.
Респираторные осложнения являются основной причиной смерти у лиц с травмой шейного отдела спинного мозга (ТСМ). Животные модели ТСМ имеют важное значение для механистической оценки и доклинических исследований. В данной работе мы представляем воспроизводимый метод оценки функционального восстановления активности мышц диафрагмы (DIAm) после односторонней спинальной гемисекции C2 (C2SH) у крыс.
Наши исследования сосредоточены на нейромоторном контроле мышцы диафрагмы во время дыхания. Диафрагмальные моторные нейроны, иннервирующие мышечные волокна диафрагмы, получают нисходящий возбуждающий вход от ствола мозга, который в первую очередь ипсилатеральный и, следовательно, нарушается гемисекцией верхнего шейного отдела спинного мозга или C2SH. После C2SH происходит спонтанное восстановление ипсилатеральной активности диафрагмы, отражающей нейропластичность.
Одним из основных достижений является демонстрация роли нейротропного фактора мозга или передачи сигналов BDNF через его высокоаффинный рецептор TrkB в восстановлении активности диафрагмы после C2SH. Вторая разработка заключается в использовании подходов машинного обучения для облегчения высокопроизводительного анализа активности диафрагмы во время многочисленных дыхательных циклов. Отсутствие надежных, непредвзятых высокопроизводительных методов оценки основных элементов нейромоторного контроля диафрагмы является проблемой в определении восстановления функции.
Это становится особенно важным, когда вы имеете дело с записями животных, которые не находятся под наркозом. Наша гемисекция шейного отдела позвоночника намеренно оставляет ипсилатеральный дорсальный фуникулюс нетронутым, сводя к минимуму дефицит мышц конечностей, но все же вызывая потерю активности диафрагмы. Этот протокол подчеркивает факт потери активности диафрагмы во время операции, тем самым устанавливая четкую отправную точку для восстановления функции мышц диафрагмы.
Дальнейшее изучение роли передачи сигналов BDNF TrkB в нейропластичности и восстановлении нейромоторного контроля диафрагмы после травмы шейного отдела спинного мозга.
Обзор
В данном исследовании изучаются респираторные осложнения после травмы шейного отдела спинного мозга (cSCI), которая является одной из основных причин летальности. С использованием модели крысы с односторонней гемисекцией спинного мозга на уровне C2 (C2SH) работа направлена на анализ восстановления активности диафрагмальной мышцы (DIAm). Особое внимание уделяется роли сигналинга BDNF в нейропластичности, а также предлагается метод оценки функционального восстановления.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронаука
- Физиология дыхания
- Нейропластичность
Теоретические основы
- Травма шейного отдела спинного мозга оказывает значительное влияние на функцию дыхания.
- Френический двигательный нейроны контролируют активность диафрагмы, однако их работа нарушается при C2SH.
- Нейропластичность обеспечивает частичное восстановление функции диафрагмы после травмы.
- Методы высокопроизводительного анализа необходимы для понимания нейромоторного контроля.
Цель исследования
- Оценить восстановление активности мышц диафрагмы после C2SH.
- Выяснить роль сигналинга BDNF в процессе восстановления.
- Разработать воспроизводимый метод оценки активности DIAm у крыс.
Используемые методы
- Была проведена регистрация электромиограммы (ЭМГ) диафрагмальной мышцы.
- На модели крысы была выполнена процедура односторонней гемисекции спинного мозга на уровне C2.
- Оценка активности ЭМГ диафрагмы проводилась до и после операции.
- Для доступа к структурам спинного мозга при сохранении окружающих тканей применялись специальные хирургические методы.
- Для послеоперационного ухода были разработаны протоколы гидратации и восстановления.
Основные результаты
- Восстановилась активность ипсилатеральной диафрагмы, что свидетельствует о нейропластичности.
- Сигнализация BDNF через рецепторы TrkB была вовлечена в механизмы восстановления.
- Активность ЭМГ продемонстрировала различия между условиями наркоза и состояния бодрствования.
- Данный метод обеспечил воспроизводимость и надежность при оценке функции диафрагмы.
Выводы
- В данном исследовании разработан базовый метод изучения восстановления активности диафрагмы после травмы спинного мозга (cSCI).
- Представления о пластичности, опосредованной BDNF, служат основой для будущих неврологических исследований.
- Эта модель может иметь решающее значение для понимания дыхательной дисфункции при повреждениях спинного мозга.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Надежная оценка функционального восстановления дыхательных моторных цепей имеет решающее значение для снижения рисков на ранних стадиях разработки программ нейрорегенерации и нейропластичности, направленных на лечение травм спинного мозга. Описанная модель гемисекции уровня C2 у крыс с тщательным количественным анализом активности диафрагмы на основе ЭМГ позволяет с высокой степенью достоверности проводить валидацию мишеней и механистическую оценку терапевтических вмешательств. Данная платформа поддерживает принятие прогностических решений на стыке фундаментальной биологии и трансляционных исследований дыхательной дисфункции.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Позволяет исследовать механизмы нейропластичности и специфические для конкретных путей процессы восстановления после травмы шейного отдела спинного мозга.
- Обеспечивает функциональную валидацию мишеней для молекул, модулирующих сигнализацию BDNF-TrkB в респираторных цепях.
- Предоставляет количественную базу для механистического снижения рисков при отборе потенциальных методов терапии.
Скрининг и разработка анализа
- Создает воспроизводимый и валидированный метод ЭМГ-анализа двигательной активности диафрагмы в состоянии бодрствования и под анестезией.
- Способствует стандартизации степени тяжести повреждения и порогов восстановления для обеспечения сопоставимости данных между исследованиями.
- Обеспечивает высокопроизводительный непредвзятый анализ нейромоторной функции с использованием методов машинного обучения.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует клинически значимым конечным точкам для оценки дыхательных нарушений в моделях травмы спинного мозга.
- Обеспечивает преемственность от выявления механизмов к доклинической оценке эффективности нейрорегенеративных стратегий.
- Предоставляет трансляционные биомаркеры для оценки функционального восстановления и компенсаторной нейропластичности.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная модель связывает этапы раннего поиска, валидации мишеней и доклинической оценки респираторной нейропластичности и восстановления после травмы спинного мозга.
- Фундаментальная биология: Количественная оценка потери и восстановления активности диафрагмы для проверки гипотез нейропластичности и уточнения роли сигнального пути BDNF-TrkB.
- Скрининг: Обеспечивает стандартизированные количественные данные ЭМГ для воспроизводимой оценки эффектов вмешательства.
- Аналитика: Позволяет проводить высокопроизводительное несмещенное сравнение двусторонней активности диафрагмы при различных экспериментальных условиях.
- Трансляционные исследования: Обеспечивает функциональные конечные точки, значимые для восстановления дыхания и компенсаторных механизмов в доклинических моделях.
- Повторное использование в организации: Служит надежной многократно используемой платформой для оценки различных терапевтических стратегий, направленных на устранение респираторного дефицита, вызванного травмой спинного мозга.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает уверенность в прогнозах относительно взаимодействия с мишенью и механизмов функционального восстановления.
- Операционная ценность: стандартизирует оценку на основе ЭМГ для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости исследований.
- Стратегическая ценность: обосновывает решения о продолжении или прекращении разработки (go/no-go), предоставляя количественные функциональные показатели, релевантные заболеванию.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритизацию программ по нейрорегенерации и нейропластичности, направленных на коррекцию дыхательной дисфункции, с учетом рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области нейрохирургии грызунов и методах регистрации ЭМГ.
- Необходим доступ к высокоточному электрофизиологическому оборудованию и инфраструктуре для анализа данных.
- Необходима строгая стандартизация протоколов индукции повреждения и анализа ЭМГ между исследовательскими группами.
- Адаптация метода для других нервно-мышечных систем может потребовать оптимизации протокола.
- Необходимо учитывать возможную вариабельность восстановления и качества сигнала ЭМГ у животных в состоянии бодрствования.
