Proche infrarouge (NIR) Lumière augmente l'expression d'un marqueur de mitochondrial Fonction chez la souris vestibulaire sensoriel épithélium

1Discipline of Physiology, University of Sydney, 2Discipline of Biomedical Science, University of Sydney
Published 3/14/2015
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Biology

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Summary

Dysfonction mitochondriale est une caractéristique de la sénescence cellulaire. Ce document utilise le proche infrarouge (NIR) traitement non-invasif pour améliorer la fonction mitochondriale chez la souris épithélium vestibulaire sensoriel vieillissement.

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Zhang, L., Tung, V. W., Mathews, M., Camp, A. J. Near Infrared (NIr) Light Increases Expression of a Marker of Mitochondrial Function in the Mouse Vestibular Sensory Epithelium. J. Vis. Exp. (97), e52265, doi:10.3791/52265 (2015).

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Abstract

Stratégies d'atténuation déclin de la fonction de balance avec l'âge sont principalement ciblée sur les thérapies physiques y compris les tâches de l'équilibre et de l'exercice. Cependant, ces approches ne traitent pas les causes sous-jacentes du déclin de l'équilibre. En utilisant des souris, l'impact de la lumière proche infrarouge (NIR) sur le métabolisme des cellules de l'épithélium vestibulaire sensoriel a été évaluée. Les données recueillies montrent que cette intervention simple et sûr peut protéger ces cellules vulnérables contre les effets délétères du vieillissement naturel. L'ARNm a été extrait à partir de l'épithélium sensoriel vestibulaire périphérique isolé (crête ampullaire et macule utriculaire) et ensuite transcrite en une banque d'ADNc. Cette banque a été ensuite sondée pour l'expression ubiquiste d'antioxydant (SOD-1). L'expression du gène antioxydant a ensuite été utilisé pour quantifier le métabolisme cellulaire. Utilisation de la livraison transcrânienne de NIR chez les jeunes (4 semaines) et plus âgés (8-9 mois) des souris, et un régime de traitement brève (90 secondes / jour pendant 5 joursays), ce travail suggère Nir peut suffire à améliorer la fonction mitochondriale dans l'épithélium vestibulaire sensoriel. Comme il n'y a pas de méthodes disponibles, abordables et non invasives de la thérapie pour améliorer la fonction des cellules ciliées vestibulaires, l'application d'un rayonnement NIR externe fournit une stratégie potentielle pour contrer l'impact du vieillissement sur le métabolisme cellulaire INTHE épithélium vestibulaire sensoriel.

Introduction

Baisse du rendement de l'équilibre et chutes ultérieures sont communs, et les caractéristiques définissant malheureusement souvent de vieillissement naturel 1. L'impact de cette baisse peut être à la fois physique et social, et réduit considérablement la qualité de vie des personnes âgées. En réponse, les thérapies physiques et de réhabilitation ont fait l'objet de la recherche sur les chutes, mais ne ont pas été associés à une réduction constante de la prévalence des chutes répétées. Dans le même temps, le travail d'instruction des changements dans le système vestibulaire périphérique ou central (le système chargé de maintenir l'équilibre) est rare, et les stratégies thérapeutiques potentielles ciblant ces systèmes et les causes sous-jacentes du déséquilibre limitée.

Des travaux récents sur les troubles neurodégénératifs liés à l'âge, y compris liée à l'âge, la dégénérescence maculaire 2-4 modèles de la maladie d'Alzheimer 5-8, et la maladie de Parkinson 9-12 ont montré des effets neuroprotecteurs de simple application non invasive du proche infrarouge (NIR) de lumière. En outre, dans le système vestibulaire, NIR a été utilisé pour augmenter l'activité des neurones afférents primaires vestibulaires 13 in vitro. Bien que le mécanisme de la lumière NIR ne est pas bien compris, la plupart des études par NIR ont suggéré que Nir stimule les mitochondries complexe IV (cytochrome c oxydase) 14-17 pour faciliter le métabolisme cellulaire. Dans l'épithélium vestibulaire sensoriel la plaque sous-cutanée de cellules Je cheveux de type est dense dans les mitochondries 18 et en tant que telle peut représenter un site d'action pour le traitement Nir thérapeutique.

Ici, un bref régime de traitement non invasif des transcranially appliqué Nir qui peut être utilisé pour mesurer le métabolisme cellulaire (et par voie de conséquence, la fonction mitochondriale) dans l'épithélium vestibulaire sensoriel de la souris est décrit. En outre examiné est une préparation de l'épithélium sensoriel vestibulaire et il est montré que NIR augmente l'expression d'un ubiquitonous antioxydant (superoxyde dismutase 1) dans l'épithélium sensoriel - précédemment révélé important pour les cheveux de la survie cellulaire 19 cochlée.

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Protocol

Déclaration éthique: Toutes les procédures décrites ci-dessous ont été approuvés par l'Université du comité d'éthique animale Sydney.

1. Les animaux

NOTE: 1 et 8-9 mois, vieux souris (C57 / BL6) ont été obtenues auprès du Centre des ressources animales (Perth, Australie). Les souris ont été logés dans la facilité Bosch rongeurs à l'Université de Sydney.

  1. Maison souris dans des cages standard de la souris sur un 12/12 h cycle lumière / obscurité avec accès à la nourriture et de l'eau ad libitum.
  2. Divisez souris dans chaque groupe d'âge dans le proche infrarouge (NIR) traités, ou fictive des groupes (de contrôle) traités à titre de comparaison.

2. proche infrarouge (NIR) irradiation et le traitement Sham

  1. Rasez la fourrure sur la région de la tête et du cou de la souris avec un rasoir électrique aussi étroitement que possible pour éviter la repousse rapide des cheveux avant la fin du régime de traitement. Afin de maintenir le statut exempt d'agents pathogènes des souris, utiliser 70% d'éthanolpour nettoyer les instruments de rasage entre les animaux et du désinfectant F10 vétérinaire entre les animaux des cages séparées. Pour ce faire, deux à trois jours avant le début du traitement pour que les animaux ne sont pas trop manipulé.
  2. Retenez la souris en maintenant l'extrémité proximale de la queue et lui permettre de se détendre dans la paume d'une main dessus ou un banc de manière à minimiser le stress qui pourrait conduire à des résultats erronés.
  3. Tenez le NIR (670 nm) LED (diode électroluminescente) périphérique 1-2 cm de la surface exposée (rasé) et allumer l'appareil pendant 90 secondes (figure 1A).
    REMARQUE: le changement de température à la suite de l'exposition de 90 secondes a été mesurée comme étant <0,2 ° C dans 100 ml d'eau.
  4. Répétez les étapes 2.2 à 2.3 pour le groupe d'animaux de traitement de l'imposture, mais laisser l'appareil éteint (figure 1B).
  5. Répétez les étapes 2.2 à 2.3 pour le groupe de traitement Nir bloqué des animaux, mais couvre l'appareil avec du papier d'aluminium.
  6. Répétez les étapes 2.2 à 2.5 tous les jours à approximate intervalles de 24 heures pendant 5 jours consécutifs.
  7. Extraire l'épithélium vestibulaire sensoriel (3 crêtes et une macula utriculaire) des deux oreilles sur le post-traitement cinquième jour (voir la section 3 ci-dessous).

3. Extraction de tissus 20

  1. Préparer 300 ml d'une base de glycérol liquide céphalo-rachidien artificiel (ACSF) consistant en (en mM): 26 NaHCO 3, 11 le glucose, le glycerol 250, KCl 2,5, 1,2 NaH 2 PO 4, 1,2 MgCl 2, CaCl 2 et 2,5. Avant l'addition de CaCl 2, le gaz de la solution avec du carbogène (95% O 2 et 5% CO 2) pour établir un pH de 7,4 et éviter la précipitation de calcium (turbidité). Refroidir la solution dans un congélateur à -80 ° C pendant 45 minutes de sorte qu'un coulis de glace est formée.
  2. Préparer le tampon de lyse d'isolement d'ARN dans des microtubes meilleurs vis marqués (arrête l'éclatement de couvercles lorsque les changements de pression du tube entre gel et dégel dans l'azote liquide) selonaux instructions du fabricant ou les pratiques de laboratoire habituelles. Avoir l'azote liquide prêt dans un flacon en aluminium de Dewar.
    REMARQUE: Utiliser des vêtements de protection et eyeware lors de la manipulation de l'azote liquide. Assurez-vous que l'azote liquide est utilisé dans une pièce bien aérée que le volume de sa forme de gaz est d'environ 700 fois supérieur à celui de sa forme liquide et peut causer l'asphyxie.
  3. Profondément anesthésier les souris avec la kétamine (400 mg / kg) par une injection intra-péritonéale. Laisser le réflexe des membres postérieurs se calmer complètement comme une indication que les souris sont pleinement anesthésiés.
  4. Décapiter souris avec des ciseaux pointus en acier inoxydable et faire une incision le long de la peau sagittale du crâne à l'aide d'une lame de rasoir (arrondi # 22). À ce stade et les étapes tout au long de 3.5 à 3.9, gardez la voûte crânienne, le cerveau et appareil vestibulaire sous-jacente aussi frais que possible par l'application régulière de la glace-froid ACSF sur le tissu.
  5. En utilisant le bras de ciseaux pointus de modèle standard faire un small incision dans le crâne au Lambda et couper le long de la suture sagittale.
  6. Glisser doucement un bras de rongeurs peu profondes sous l'os pariétal maintien de la lame le plus près possible de la surface inférieure de l'os sans glisser le cerveau. Fixez et retirez l'os pariétal latéralement et l'os occipital en arrière jusqu'à ce que le cerveau est exposé.
  7. Utilisez une petite spatule en acier inoxydable et soulevez le cerveau loin de la partie antérieure et fosse cérébrale moyenne pour exposer le nerf vestibulaire (CN VIII). Transect le nerf pour éviter des tensions inutiles sur les axones afférents primaires qui innervent directement les cellules ciliées vestibulaires.
  8. Retirer le cerveau in toto après transection du CN VIII.
  9. Observez le labyrinthe osseux contenant la cochlée et les organes vestibulaires périphériques dans la fosse cérébrale moyenne. Faire deux petites incisions à côté de chaque labyrinthe osseux et exciser toute la structure en tenant le canal semi-circulaire antérieure et en tirant plus tardallié.
  10. Immerger immédiatement labyrinthes excisées dans un plat contenant dissection solution ACSF glacée (comme décrit dans l'étape 3.1) tout en perfusion continue avec carbogène.
  11. Sous un stéréomicroscope, maintenez le labyrinthe par la cochlée et le fixer au fond du plat avec une pince.
    1. Utilisez une pince droite fines rayer une petite ouverture dans l'os au-dessus du canal semi-circulaire (SSC) ampoule antérieure.
    2. Agrandir doucement cette ouverture en atteignant immédiatement sous l'os et pichenette vers l'extérieur de l'ampoule. Soyez prudent ici pour ne pas pousser pince dans l'ouverture et endommager le labyrinthe membraneux fragile ci-dessous. Continuez de cette façon jusqu'à ce que le utricule, antérieure et latérale ampoules sont tous exposés. Si possible enlever l'ampoule postérieure aussi.
  12. En utilisant des pinces fines, soulevez doucement le utricule et ampoules loin du labyrinthe osseux jusqu'à ce qu'ils soient complètement détachés. Lorsque cela est possible, les tenirpar leurs canaux semi-circulaires associés pour éviter d'endommager l'épithélium sensoriel. Dans certains cas, la partie proximale du canal semi-circulaire membraneuse peut être nécessaire de couper avec des ciseaux iris pour libérer les ampoules de l'os.
  13. Saisir fermement les organes vestibulaires entre la pointe de pince et le lieu dans le tampon de lyse préparé plus tôt dans l'étape 3.2. Remuer doucement la pince autour dans le tampon pour assurer organes vestibulaires ont détaché de la pince. Voir ce est le cas en amenant les pinces au microscope stéréoscopique.
    1. Visser sur le couvercle de microtubules et de geler l'échantillon dans de l'azote liquide immédiatement.

4. Extraction de l'ARN et RT-PCR

  1. Suivre les méthodes standard de l'ARN messager (ARNm) extraction selon les instructions du fabricant ou les protocoles de laboratoire préférés.
    REMARQUE: Un kit commercial qui a utilisé ARN porteurs pour aider à isoler de petits rendements de l'ARNm a été utilisé dans ceprotocole. Volumes d'élution plus basses peuvent être utilisées pour augmenter les concentrations finales de l'ARNm.
    NOTE: Négatif contrôles "pas d'enzymes" (CNE) et des contrôles "pas de modèle d'ADN» (NTC) doivent également être remplies pour assurer la validité des effets observés.
  2. Appliquer les méthodes standard de la transcription inverse de l'ARNm en ADN complémentaire (ADNc) et l'amplification de gènes cibles de 21 à 23.

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Representative Results

Pour comparer l'impact du traitement NIR chez les jeunes (4 semaines) et plus âgés (8-9 mois) des souris, nous avons mesuré l'expression d'antioxydant superoxyde dismutase 1 (SOD-1) chez les jeunes (n = 16) et plus (n = 20) souris qui étaient Nir-traitée, sham-traitée, ou NIR bloqué. Figure 2 montre une augmentation significative de la β-actine normalisée SOD-1 expression de plus de 2 fois chez les jeunes Nir-animaux traités par rapport aux jeunes animaux sham (p <0,01) et les jeunes animaux Nir bloqués (p <0,01). Les animaux plus âgés Nir-traités ont également montré plus d'une 2 fois la régulation de la SOD-1 par rapport aux animaux plus âgés Nir bloqués (p <0,05).

Figure 1
Figure 1. Traitement NIR. 2 cm au-dessus de la région sur la tête rasée de la souris pendant 90 secondes par jour pendant 5 jours consécutifs à l'irradiation trea - (A) Nir dispositif tenu 1 LEDsouris TED. (B) Nir appareil tenu au-dessus des souris sham de la même manière mais avec l'appareil hors tension pendant la durée de 90 sec LED. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Analyse de la SOD-1 expression des gènes après cinq jours consécutifs de traitement NIR (90 sec / jour). L'épithélium vestibulaire sensoriel a été récolté le cinquième jour et le gène antioxydant spécifique sondé pour l'utilisation de la RT-PCR. Le gène SOD-1 a été normalisée à β-actine de base et densitométrie réalisée en utilisant ImageJ v1.48. Régulation à la hausse significative (p <0,01) de la SOD-1 expression a été observée chez les jeunes animaux Nir-traités par rapport à la fois jeune sham-traitée et jeunes contrôles Nir bloqués (4 semaines). Augmentation significative (p &N ° 60; 0,05) SOD-1 expression a également été observée dans les anciens Nir-animaux traités par rapport aux animaux plus âgés Nir bloqués (8-9 mois). Tous les graphiques montrent l'évolution pli de SOD-1 l'expression des gènes par rapport à la jeune contrôle traité fictivement. Les données représentent moyenne ± SD. Toutes les données ont été analysées en utilisant une analyse de la variance et la signification statistique déterminées en utilisant comparaison multiple de Tukey post-hoc test. Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Les résultats représentatifs décrits ici montrent que brève prestation transcrânienne de la lumière NIR (90 sec / jour pendant 5 jours) est suffisant pour élever les niveaux d'expression antioxydant chez les souris âgées par rapport aux souris sham. Alors que la chaleur émise pourrait représenter une source de mitochondrial et / ou l'activation neuronale, tels que déclarés pour vestibulaire de rat afférences 24 - notre mesure de la chaleur émise par le NIR LED dispositif était <0,2 ° C plus de 90 sec, et en tant que telle est pas susceptible de provoquer la changements décrits ici. En outre, contrairement au rapport a souligné ci-dessus, le traitement NIR utilisé ici n'a pas été appliqué directement à l'épithélium sensoriel ou neurones afférents vestibulaires, et en tant que telle est également peu probable d'avoir un impact sur ​​les canaux thermo sensibles (par exemple, TRPV4). Enfin, les travaux antérieurs en utilisant le même dispositif de Nir dans d'autres régions du cerveau ont suggéré que la chaleur ne était pas la source des différences observées 7,9.

Bien que ces résuLTS montrer une régulation des réponses cellulaires au stress oxydatif associé à l'âge sur le plan génétique, il ne est pas clair si ces changements sont en outre exprimés au niveau de la protéine, ou surtout, se ils sont traduits dans la performance de l'équilibre global des souris. En outre, la régulation positive est représenté pour un seul anti-oxydant ubiquitaire. Il est probable que plusieurs marqueurs du métabolisme cellulaire sont affectés par ce régime de traitement. En outre, depuis l'ARNm a été extrait de l'appareil vestibulaire en totalité (ce est à dire, les cellules ciliées, cellules de soutien, les afférences vestibulaires et de l'épithélium tous présents), il ne est pas possible de relier les changements observés dans le métabolisme cellulaire en réponse à un traitement de la lumière NIR à un cheveu vestibulaire spécifique type de cellule ou afférent primaire. Il est important que, en utilisant la préparation décrite suffisante ARNm peut être extrait à partir d'une seule souris pour permettre futures études de corrélation entre le métabolisme cellulaire et l'analyse du comportement de l'équilibre performance.

Le dispositif de haute intensité LED utilisée ici émet environ 5 J / cm 2 par 90 secondes au traitement total de 25 J d'énergie sur cinq jours. Bien que l'avantage de l'utilisation de la lumière de longueur d'onde longue (y compris NIR) est pénétrance, il ne peut pas supposer que le 25 J plein de lumière NIR est livré à l'épithélium vestibulaire sensoriel. Chez la souris, la lumière doit pénétrer au moins 1 mm à travers des couches de tissu mou et de l'os qui protègent l'appareil vestibulaire périphérique et le cerveau. Chez l'homme cela se étend à centimètres. Ainsi, la pénétrance de la lumière représente une limitation de la technique décrite en ce qui concerne la traduction des stratégies de traitement de lumière NIR dans le cadre clinique. Des travaux récents ont cependant utilisé des fibres optiques pour fournir de la lumière NIR à des structures profondes du cerveau, y compris les noyaux gris centraux 25, et des organes sensoriels dont la cochlée 26. Sur cette base et l'emplacement de l'appareil vestibulaire périphérique adjacente à lacochlée (et l'accès clinique via l'apophyse), il est possible de penser que, dans l'humain, la stimulation directe de l'épithélium vestibulaire sensoriel pourrait être atteint à travers une petite fibre optique déclenché par un dispositif externe - se apparente à un implant cochléaire 27 .

Plusieurs conditions peuvent être modifiées dans le protocole décrit ci-dessus pour se adapter à l'intérêt de l'enquêteur. Tout d'abord, la longueur d'onde utilisée ici (670 nm) peut être étendue pour inclure des longueurs d'onde dans l'infrarouge comme indiqué précédemment dans les autres systèmes sensoriels et des modèles animaux. Deuxièmement, les régimes de traitement peuvent également varier selon que de courte durée ou de la réponse à long terme est en question. Voici un très bref régime de traitement a été utilisé, mais cela pourrait être étendu à des durées plus longues, ou des durées encore plus courtes pour mesurer la dynamique des changements induits NIR.

Le principal défi de ce protocole est de maintenir la viabilité du tissulors de l'extraction de tissu. Compte tenu du temps nécessaire pour éliminer le labyrinthe osseux et exciser le labyrinthe membraneux de lui, il est essentiel de réduire la dégradation métabolique. Ceci est réalisé en trempant le tissu dans de la glace-froid ACSF tout au long de la procédure entière et perfuser cette solution en continu avec du carbogène. En outre, à la fin de la procédure de dissection, outre la dégradation des tissus peut être stoppée à l'aide d'azote liquide pour congeler le tissu clignoter extrait. Le cas échéant, le tissu congelé peut être décongelé et ARNm extrait pour analyse génétique.

Bien que les méthodes décrites ici ne décrivent pas l'impact complet de traitement par la lumière NIR sur le métabolisme cellulaire dans l'épithélium vestibulaire sensoriel, nouvelle application de cette stratégie peut être modifié pour inclure d'autres marqueurs de la fonction mitochondriale 28,29 et / ou métabolique cellulaire associées à l'âge insultes tels que l'hypoxie 30. En fin de compte, la possibilité de décrire le vprofil métabolique cellulaire estibular d'une souris individuelle permettra à l'enquête sur les corrélations entre les performances de la balance et les processus sous-cellulaires au cours du vieillissement, et l'impact des produits thérapeutiques y compris le traitement NIR.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils ne ont pas des intérêts financiers concurrents.

Acknowledgements

Les auteurs tiennent à remercier le Dr Paul Witting et Mme Geneviève Fong pour leur aide dans l'extraction de l'ARNm et la PCR, et de la Passe Garnett et Rodney Williams Memorial Foundation pour l'appui.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Quantum WARP 10 Quantum Devices 2070N030-A
Screw top microtubules Quality Scientific Plastics 520-GRD-Q
Ketamine Parnell, Alexandria Australia
Standard pattern scissors FST 14001-12
Carbon steel surgical blades #22 Livingstone SBLDCL 22
Friedman-Pearson rongeurs FST 16221-14
Stereo microscope Leica Microsystems A60S
Dumont #5 SF forceps FST 11252-00
Isolate II RNA Micro Kit Bioline BIO-52075

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References

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