The mechanism underlying the therapeutic effects of Deep Brain Stimulation (DBS) surgery needs investigation. The methods presented in this manuscript describe an experimental approach to examine the cellular events triggered by DBS by analyzing the gene expression profile of candidate genes that can facilitate neurogenesis post DBS surgery.
Dyp hjernestimulering (DBS) kirurgi, målretting ulike regioner av hjernen som basalgangliene, thalamus, og subthalamic regioner, er en effektiv behandling for flere bevegelsesforstyrrelser som ikke har respondert på medisinering. Nylige fremskritt innen DBS kirurgi har begynt å utvide anvendelsen av denne kirurgiske teknikken til andre forhold så forskjellige som sykelig fedme, depresjon og tvangslidelser. Til tross for disse voksende indikasjoner, lite er kjent om de underliggende fysiologiske mekanismer som letter de gunstige effektene av DBS kirurgi. En tilnærming til dette spørsmålet er genekspresjonsanalyser å utføre i nevroner som mottar elektrisk stimulering. Tidligere studier har vist at nevrogenesen i rotte dentate gyrus utløses i DBS målretting av fremre kjernen i thalamus 1. DBS kirurgi rettet mot ATN brukes mye for behandling ildfast epilepsi. Det er derfor av mye interest for oss å utforske transkripsjons endringer indusert av elektrisk stimulering av ATN. I dette manuskriptet, beskriver vi våre metoder for stereotaktisk styrt DBS kirurgi rettet mot ATN hos voksne mannlige Wistar rotter. Vi diskuterer også de påfølgende trinnene for vev disseksjon, RNA isolering, cDNA forberedelse og kvantitativ RT-PCR for å måle genuttrykk endringer. Denne metoden kan bli anvendt og modifisert for å stimulere de basale ganglier og andre områder av hjernen som vanligvis klinisk målrettet. Genuttrykket studien beskrevet her forutsetter en kandidat målgen tilnærming for å oppdage molekylære spillere som kunne dirigere mekanismen for DBS.
Historien bak utviklingen av dyp hjernestimulering som en nevrokirurgisk teknikk dateres tilbake til 1870-tallet da muligheten for elektrisk stimulere hjernen kretser ble utforsket to. Bruken av kronisk høy frekvens stimulering som behandling for nevronale lidelser startet i 1960 tre. Senere på 1990-tallet med bruk av kronisk implantasjon DBS elektroder 4-6, fortsatte antall nevronale lidelser som ble behandlet av DBS å øke. Dyp hjernestimulering ble først brukt i USA som en behandling for essensiell tremor 6. I dag er kirurgi er brukt mye til å behandle nervelidelser som for øyeblikket er botemiddel ved farmakologisk intervensjon. DBS i dag brukes for å behandle problemer på Parkinsons sykdom og dystoni 7-9. Alzheimers type demens, Huntingtons sykdom, epilepsi, smerte og nevropsykiatriske sykdommer, slik depresjon, OCD, Tourettes7; s syndrom og avhengighet er noen av de forholdene som kan behandles ved DBS 10-12. Mens DBS kirurgi er godkjent av FDA for behandling av Parkinsons sykdom, dystoni og essensiell tremor, bruk av DBS for behandling av andre tilstander som er nevnt ovenfor er i forskjellige faser av lab og kliniske studier som gir mye løftet til pasienter 13,14.
Klinisk er DBS operasjonen utføres i to trinn. Den første fasen innebærer kirurgisk plassere DBS elektroder på målrettet anatomisk plassering ved hjelp av en kombinasjon av radiologisk posisjonering, CT, MR samt microelectrode avlesninger for økt presisjon. Det andre trinn involverer å implantere en pulsgenerator i pasientens øvre bryst og installering av skjøteledninger fra hodebunnen til pulsgeneratoren. Basert på den nevrologisk tilstand, har flere programmeringsskjemaer for pulsgeneratoren blitt standardisert og vil bli brukt for å levere den ønskede spenning. Den endelige voltage er nådd i en stegvis slik som å motta den beste klinisk respons med minimal spenning 15. Men i våre studier, i motsetning til den kroniske DBS implantater anvendes klinisk, for enkelhets skyld har vi tydd til å studere en engangs høyfrekvent stimulering (1 time) i våre dyremodeller.
En del av vår gruppe forskning fokuserer på å undersøke bruk av DBS kirurgi for behandling-refraktær epilepsi. Stereotaktisk kirurgiske tilnærminger ved hjelp av høyfrekvent stimulering har blitt utforsket av mange andre som et effektivt alternativ for å behandle medisinsk-refraktær epilepsi som utgjør ca 30% av alle tilfeller av epilepsi 10,16,17. Lillehjernen stimulering rettet kortikale overflate samt de dype cerebellare atomkjerner har blitt brukt i fortiden som mål å behandle epilepsi 10,18,19. I tillegg har hippocampus stimulering også blitt forsøkt, men med blandede resultater 20,21. Noen av de andre undersøkteDBS mål for epilepsi inkluderer hjernebarken, thalamus, subthalamic nucleus og vagus nerve 8. Men følgende resultater fra flere studier de siste årene, har den fremre thalamic kjernen (ATN) dukket opp som den mest vanlige DBS mål for epilepsi behandling 10,22. Basert på kunnskap om nevroanatomi kretser og resultatene fra dyremodeller, har flere studier rettet mot den terapeutiske effekten av dyp hjerne stimulering av ATN i behandling av epilepsi 23-26. ATN er en del av det limbiske krets og ligger i regionen av hjernen som påvirker anfallsfrekvens. Studier av Hamani et al., Har testet effekten av ATN-DBS i en pilokarpin indusert epilepsi modell og fant at bilateral ATN stimulering forlenget latenstid for pilokarpin-induserte anfall og status epilepticus 24. Videre ble høyfrekvent stimulering av ATN funnet å redusere anfallsfrekvens i en pentylentetrazol (PTZ) modell av epilepsy 25,27-29. Lee et al., Har rapportert en gjennomsnittlig reduksjon i anfallsfrekvens med om lag 75% ved kronisk dyp hjernestimulering av ATN i behandling ildfast partiell epilepsi 30.
En fersk klinisk studie på behandling-refraktær epilepsi har vist lovende resultater etter DBS kirurgi rettet mot fremre thalamic kjernen (ATN) 22. En multisenter randomisert klinisk studie med 110 pasienter som gjennomgår bilateral DBS av ATN for behandling refraktær epilepsi (SANTE rettssaken) indikerte en nedgang i anfallsfrekvens med ca 40% 31. Resultatene fra denne studien også antydet på en forsinket optimal antiepileptisk effekt observert på 2-3 måneder etter operasjonen. Videre studier av Toda et al., Bekreftet med disse funnene der de demonstrerte neurogenesis skjer på et senere tidspunkt etter DBS (dager 3-5) i dyremodeller 1. I tillegg Encinas et al., Har rapportert hippocampus neurogenesis i voksen mus dentate gyrus etter høyfrekvent stimulering av ATN 32. Tidligere studier 33-35 har rapportert fallende hippocampus neurogenesis i visse epileptiske tilfeller som kronisk tinninglappen epilepsi og en tilknytning til lærings underskudd, svekket hukommelse og spontane tilbakevendende motoriske anfall. Videre var det en reduksjon i nervestamcelle progenitor faktorer som FGF2 og IGF-1 i kronisk epileptisk hippocampus i dyremodeller 33. Vurderer dette, intervensjonsstrategier som DBS som viser en styrking av neurogenesis i dentate gyrus er spennende muligheter for forskning. Disse funnene har oppmuntret oss til å utforske videre dypt inn i mekanismen som ligger bak neurogenesis post-DBS behandling for epilepsi. Vi har målrettet ATN både ensidig (data ikke rapportert) samt bilateralt (i representative resultater) og sett forhøyet neurotrofin (BDNF) uttrykk i rotte dentate gyrus. Vår cjeldende hypotese er at BDNF uttrykk initierer en genuttrykk kaskade som kulminerer i neurogenesis som oversetter til antiepileptisk effekt av DBS kirurgi. I denne artikkelen presenterer vi våre metoder for DBS kirurgi rettet mot ATN hos rotter fulgt genekspresjonsanalyser med som en attraktiv tilnærming for å studere mekanismen bak fordelene med DBS.
Etter landemerke arbeid av Benabid et al. I å bruke dyp hjernestimulering for å behandle Parkinsons sykdom og essensiell tremor, har DBS kirurgiske teknikken blitt undersøkt med mye interesse det siste tiåret til å behandle mange nevrologiske lidelser 6,10,43. DBS-studier rettet mot forskjellige nevro-anatomiske regioner av hjernen kretsene er for tiden utført av mange grupper for å løse viktige neuronale sykdommer, og er i forskjellige faser av kliniske forsøk. Stimulering av subthalamic kj…
The authors have nothing to disclose.
We are grateful for the support of the NREF foundation.
Deep Brain Stimulation Surgery | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Stereotactic frame | Kopf Instruments | Model 900 | |
Drill | Dremmel | 7700, 7.2 V | |
Scalpel | BD | 372610 | |
Ketamine | Patterson Veterinary | 07-803-6637 | Schedule III Controlled Substance, procurement, use and storage according to institutional rules |
Xylazine | Patterson Veterinary | 07-808-1947 | |
Buprenorphine | Patterson Veterinary | 07-850-2280 | Schedule III Controlled Substance, procurement, use and storage according to institutional rules |
Surgical staples | ConMed Corporation | 8035 | |
Sutures (3-0) | Harvard Apparatus | 72-3333 | |
Syringe (1 ml, 29 1/2 G) | BD | 329464 | Sterile, use for Anesthesia administration intraperitoneally |
Syringe (3 ml, 25 G) | BD | 309570 | Sterile, use for Analgesia administration subcutaneously |
Needles | BD | 305761 | Sterile, use for clearing broken bone pieces from the burr holes |
Ethanol | Fisher Scientific | S25309B | Use for general sterilization |
Eye Lubricant | Fisher Scientific | 19-898-350 | |
Stimulator | Medtronic | Model 3628 | |
DBS electrodes | Rhodes Medical Instruments, CA | SNEX100x-100mm | Electrodes are platinum, concentric and bipolar |
Betadine (Povidone-Iodine) | PDI | S23125 | Single use swabsticks, use for sterilizing the scalp before making incision |
Brain Dissection and Hippocampal tissue isolation | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Acrylic Rodent Brain Matrix | Electron Microscopy Sciences | 175-300 | www.emsdiasum.com |
Razor Blade | V W R | 55411-050 | |
Guillotine Scissors | Clauss | 18039 | For decapitation, make sure these scissors are maintained in clean and working condition |
Scissors | Codman Classic | 34-4098 | Use for removing the brain from the skull |
Forceps | Electron Microscopy Sciences | 72957-06 | Use for removing the brain from the skull and for handling during dissection |
Phosphate Buffered Saline | Boston Bioproducts | BM-220 | |
RNA Extraction and cDNA Preparation | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
Tri Reagent | Sigma | T9424 | Always use in a fume hood and wear protective goggles while handling; avoid contact with skin |
Syringe (3 ml, 25 G) | BD | 309570 | Use for tissue homogenization |
Chloroform | Fisher Scientific | BP1145-1 | Always use in a fume hood and wear protective goggles while handling; avoid contact with skin |
Isopropanol | Fisher Scientific | A416-1 | |
Glycogen | Thermo Scientific | R0561 | |
Dnase I Kit | Ambion | AM1906 | |
Superscript First Strand Synthesis Kit | Invitrogen | 11904-018 | |
Tabletop Microcentrifuge | Eppendorf | 5415D | |
Quantitative PCR | |||
Reagent/Equipment | Vendor Name | Catalog No. | Comments |
SYBR Green PCR Kit | Qiagen | 204143 | |
Custom Oligos | Invitrogen | 10668051 | |
PCR Plates (96 wells) | Denville Scientific | C18080-10 | |
Optical Adhesive Sheets | Thermo Scientific | AB1170 | |
Nuclease free Water | Thermo Scientific | SH30538-02 | |
Real Time PCR Machine | Applied Biosystems | 7500 |