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本報告では,トランスジェニックVGAT-Creマウスの電気キンドリングに基づいて側頭葉てんかんのモデルを生成する方法について述べる.Kindled VGAT-Creマウスは、てんかんの原因を特定し、新しい治療法をスクリーニングするのに役立つ可能性があります。
VGAT-Creマウスの電気キンドリングが自発的な運動発作と電信発作を引き起こすことが発見されました。最近の論文は、キンドリング後の自然再発発作(SRS)の発症にVGAT-Creマウスがどのように使用されたかに焦点を当て、VGAT遺伝子へのCreの挿入というメカニズムの可能性が高く、その発現が破壊され、GABA作動性トーンが低下しました。本研究では、これらの観察結果をマウスのより大きなコホートに拡張し、キンドリング後のSRSの継続時間や動物の性別と年齢の影響などの重要な問題に焦点を当てています。このレポートでは、次の重要なステップのプロトコルについて説明します:電気刺激と脳波の読み取りのための海馬の深さ電極を備えたヘッドセットの作成。ヘッドセットが脱落しないようにマウスの頭蓋骨にしっかりと固定する手術。パルスの持続時間、列車の周波数、列車の持続時間、注入される電流の量など、電気キンドリングプロトコルの重要な詳細。キンドリングプロトコルは、ほとんどのVGAT-Creマウスでてんかんを確実に引き起こすという点で堅牢であり、新しい抗てんかん原薬をテストするための新しいモデルを提供します。
てんかんは、経済的および人的負担が大きい主要な神経障害です。NINDSは、てんかんを持つアメリカ人が300万人いると推定しています。これらの患者のうち約60万人が側頭葉てんかん(TLE)1を患っています。残念ながら、TLEの治療は、効果がないこと、薬剤耐性の発現、または副作用に対する不耐性のために、患者の3分の1で失敗します2。明らかに、TLEの新しい治療法を開発する必要性は大きく、米国てんかん学会の基礎科学委員会、前臨床てんかん創薬のための国際てんかん対策ワーキンググループ、および全米諮問神経障害および脳卒中評議会3,4によって共有された結論です。
側頭葉てんかんの現在の動物モデルは、化学痙攣薬(例:.、カイネート、ピロカルピン)または長期の電気刺激を使用して、長期にわたるてんかん重積状態を誘発します5,6,7。多くの動物が処置中に死亡する(ラットでは10%〜30%、マウスでは最大90%8)。生き残っててんかんを発症した動物は、脳全体に広範な神経細胞死を示します9,10。この死は、ミクログリア、星状細胞の活性化、および浸潤単球から始まる一連の応答を引き起こします。ニューロンの応答には、回路の再編成(苔状の繊維の発芽など)、回路に適切に統合できない新しいニューロンの誕生(異所性顆粒細胞など)、および過興奮性につながる固有の変化(Na+チャネルのアップレギュレーションなど)が含まれます。有意な神経細胞死のないてんかんモデルは、新しい抗てんかん薬の探索を容易にします。
てんかんのGABA仮説をテストしている間、軽度の電気キンドリングプロトコルでVGAT-Creマウスを治療すると、自発的な運動発作と電信発作につながることが発見されました11。一般に、げっ歯類の電気的キンドリングは、てんかんを定義する自発的な発作にはつながりませんが、過剰にキンドリングする場合には可能です11。VGAT-Creマウスは、GABA作動性抑制ニューロンで特異的に発現する小胞GABAトランスポーター(VGAT)遺伝子の制御下でCreリコンビナーゼを発現します。Creの挿入は、mRNAおよびタンパク質レベルでVGATの発現を破壊し、海馬におけるGABA作動性シナプス伝達を損なうことがわかった。KindleVGAT-Creマウスは、てんかん形成に関与するメカニズムの研究および新規治療法のスクリーニングに役立つ可能性があると結論付けられました11。本報告では、モデルの生成に使用される方法を詳細に提供します。
動物の使用はARRIVE12 ガイドラインに従い、バージニア大学の動物管理および使用委員会によって承認されました。
1. 2つのバイポーラ電極を備えたヘッドセットの作成(図1)
図1:EEGヘッドセット製造の重要なステップ。 (A)プロトコルのさまざまなステップでの電極の外観(左側の一致ステップの番号)。(B)定位固定装置フレームに適合する自家製ホルダーに取り付けられた最終製品の写真。ホルダーは、ヘッドセットの台座に収まるカラーピンアセンブリで終わることに注意してください。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. 定位固定装置電極埋入術
3.電気キンドリングプロトコル
動物
このモデルはもともとVGAT-Creマウス(Slc32a1tm2(cre)Lowl/J)13 を混合バックグラウンドで使用して開発されました。ただし、C57BL / 6Jと同遺伝子のVGAT-Cre株にも適用されています。株間で発症するてんかんに違いは観察されていません。両方の株は、小胞性GABAトランスポータープロモーターの制御下でCreリコンビナーゼを発現する。これらのマウスは、 Vgat 遺伝子の終止コドンの後にIRES-Creカセットをノックインすることによって作製した。これらのマウスは正常に繁殖するので、ホモ接合体として維持されます。コロニーの遺伝的浮動を防ぐために、ブリーダーを購入し、実験にはF1世代のマウスのみを使用します。すべてのマウスは、AAALAC認定のビバリウムに収容されました。マウスには、食物と水への自由なアクセス、12時間の明暗サイクル、および豊かな環境が与えられました。脳波記録(EEG)のために、マウスは透明なプラスチックケージ(自家製)に個別に収容され、同時ビデオモニタリングを可能にした。実験にはオスとメスの両方のマウスを使用します。キンドリング率や発作頻度の差は男女間で認められていない。これらの研究の大部分は、ヘッドセット手術時に8週齢のマウスを使用していました。ただし、4〜20週齢のマウスを使用することもできます。4週間の時点で、マウスの頭蓋骨は最終的なサイズ14の~90%であるため、ヘッドセットを取り付けても成長への影響は最小限です。手術からキンドリングプロトコルの開始までの時間は重要ではありませんが、手術からの回復中にマウスを72時間注意深く観察する必要があります。
キンドリングパラメータ
電気刺激プロトコルはLothmanらによって開発され、1989年の論文15で詳細に説明されています。簡単に言えば、海馬電極は定電流刺激装置に接続され、1ミリ秒の二相性矩形波パルスが2秒間にわたって50Hzで供給されます。キンドリングプロトコルの様々なパラメータが試験されている16。そのマウスの電図発作を引き起こすために必要な最小電流量の1.5倍の電流強度を使用します(放電後しきい値、ADT)。マウスは、1日おきに1日2回(午前中と午後の早い時間に2回)電気的に刺激されます。 図2A は、キンドリングプロトコルとキー押収特性の概要を示しています。しかしながら、高速キンドリングプロトコールも有効であり、本明細書ではマウスは、1日おきに送達される1日6回刺激される(6倍、1時間間刺激)。興味深いことに、キンドリング率は、キンドル状態を達成するために必要な刺激の数に関して、2倍と6倍のプロトコルで類似しています(図2B:2x、15 ± 1、n = 46、6x、13 ± 1、n = 12、SEM±平均、P = 0.3)。マウスは、合計5つの刺激が姿勢制御の喪失を伴う強直間代発作を誘発する場合、完全に燃え上がったと見なされ、これは修正されたラシーンスケール17で5の行動スコアです。このレベルを超えるキンドリング、いわゆるオーバーキンドリングを実行できますが、致命的な強直発作またはSUDEP18のリスクがあります。このVGAT-Creプロトコルの死亡率は~13%(マウス119匹中15匹)です。これには、誘発発作または自然発作のいずれかの後に死亡したいずれかの性別のマウスが含まれます(8人の男性、7人の女性)。
発作特性
これらの研究で使用された記録システムは廃止されました。バージニア大学のげっ歯類てんかんモニタリングユニットで使用されているEEG記録セットアップの代替サプライヤーは、 資料表に記載されています。 図2A は、キンドリングプロトコルとキー押収特性の概要を示しています。
図2:キンドルVGAT-Creマウスの発作特性 。 (A)実験の経時変化の模式図。(B)完全に燃え上がった状態に達するために必要な電気刺激の数の分布。炎症状態は、刺激が5つの両側性強直間代性運動発作を誘発するときに達成される。(C)最後の電気刺激後の最初の自発発作までの潜時の分布。(D)発作の総数を記録された日数で割ったものとして計算される、観察された発作頻度の分布。(E)発作間隔が5日未満で発生する自発発作によって定義される、マウスがてんかんであった期間の分布。すべてのグラフはバイオリンプロットを使用しており、中央値は暗い線で示され、25番目 と75番目の 四分位数は明るい線で示されています。各プロットの動物の数はX軸に表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
VGAT-Creマウスは、典型的には、15回の刺激後にキンドル状態の基準に達する(プールされた2倍および6倍のプロトコル、7.4刺激の平均±SD、 図2B)。データのバイオリンプロットからわかるように、多くの動物はより少ない刺激を必要とし(10)、多くはより多くの刺激を必要とします(18)。性別、年齢、ADT値、電極配置を除いて、違いを決定する要因を見つけることはできませんでした。キンドリングされてから数週間以内に、ほとんどのマウスはてんかんを定義する複数の自発発作(90%)を発症します。自発的反復発作(SRS)までの潜時は10.7日±6.3日です(図2C)。マウスのごく一部は、キンドル状態に達する前にSRSを発症します。前述のように11、VGAT-Creマウスは自然てんかんではなく、てんかんを発症するために電気刺激を必要とする。発作が始まると、1日あたり1.3±0.6回の発作の頻度で発生します(図2D)。すべての電図発作は、強直間代性運動発作を伴います。最初の研究は短期間(自発的発作の頻度は1〜2週間測定)でしたが、記録期間を延長すると、発作の頻度が時間とともに減少することが発見されました。発作のない連続5日間の任意のカットオフを使用すると、信頼性の高い発作が23±11日間発生します。まとめると、これは、VGAT-Creマウスが薬物スクリーニングキャンペーンに有用である期間を定義します。これらのSDおよび50%減少の効果サイズを用いた検出力分析は、Kindleへの刺激、発作頻度、およびてんかん持続時間に対する統計的に有意な効果のために、グループあたり16匹のマウスが必要であることを示している。
キンドルVGAT-Creモデルの特徴は、状態後のてんかん重積モデルと区別され、神経細胞死がないことです。これを2つの受け入れられた方法(図3)を用いてアッセイした:1つは、抗NeuN抗体で染色されたCA1層の核を計数することによる。2つ目は、化学痙攣誘発性細胞死(歯状突起、CA1、および嗅内皮質)に対して脆弱な海馬サブフィールドにおけるフルオロジェイドC染色の量を測定することによって。
図3:抗NeuN染色またはフルオロジェイドC染色のいずれかによってアッセイされたニューロン死 。 (A)海馬および嗅内皮質のさまざまなサブフィールドにおける抗NeuN陽性ニューロンのプロット。略語は以下の通りである:DGC、歯状顆粒細胞層;ヒラスは歯状ヒルス、CA1、角膜アンモニスピラミッド層Iを指す。EC、嗅内皮質。L2、レイヤー2;および L3、レイヤ 3。ブレグマ下の−4mmに相当する2つの水平脳スライスを各動物から染色した(対照ナイーブマウス、n=7;てんかんVGAT-Cre、n=13;詳細についてはStraubらを参照されたい11)。データは、それぞれのサブフィールドにおいてナイーブVGAT−Creマウスにおいて決定された平均ニューロン数に対して正規化した。てんかんVGAT-Creマウス(B)およびポストステータスラット(C)からのフルオロジェイドC染色の画像(Li/ピロカルピンモデル、詳細と分析についてはDeyらを参照10)。VGAT-CreマウスのフルオロジェイドC染色の解析は、Straubらに発表された11)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
この報告では、マウスの電気キンドリングがてんかんにつながるプロトコルについて説明します。刺激電極は海馬に配置されているため、これは患者の側頭葉てんかん(TLE)をモデル化する限局性大脳辺縁系てんかんです。このプロトコルにおける重要なステップは、VGAT-Creマウスを使用することであり、これは、 Vgat 遺伝子へのIRES-Creリコンビナーゼカセットの挿入に起因して、阻害性GABA電流の障害を示す11。C57BL/6は、このプロトコルでキンドリングした後にてんかんを発症しませんが、他の系統のマウスが発症する可能性があります。
このプロトコルは、海馬に刺激深さ電極を配置することを使用して開発されました。座標は、ターゲットがCA1サブフィールドに入るときに、嗅内皮質からの穿孔経路投影をターゲットに提供しました。電気刺激によって誘導される電場は定義されていないため、電極の正確な位置は重要ではありません。実際、げっ歯類は、大脳辺縁系回路のどこにでも電気的に燃やすことができます、例えば、扁桃体と梨状皮質19。以下はプロトコルの重要なステップです:1つは、刺激電流に対する低抵抗を確保するためのEEGヘッドセットの適切なはんだ付けです。第二に、歯科医院で使用されている歯科用接着剤を使用して頭蓋骨に結合し、歯科用セメントの接着のための表面を提供する。第3に、記載された電気パルスを送達するための定電流増幅器の使用である。
トラブルシューティングは通常、ヘッドセットの接続、ケーブルへのヘッドセット、整流子へのケーブル、および録音デバイスへの整流子を含む電気接続の確認に限定されます。高感度の抵抗計を使用することが重要です。
この技術の制限には、手術を実施し、EEGを記録するための適切な専門知識と機器の要件が含まれます。
TLEの既存の動物モデルに対するモデルの利点は、ニューロン11の死が最小限であることである。他のTLEモデルは、広範な神経細胞死を引き起こすポスト状態てんかん重積モデルです10。この死は、ミクログリア、星状細胞の広範な活性化、および循環単球による浸潤につながります。まとめると、てんかんを引き起こすメカニズムと、てんかん重積状態の延長によって引き起こされるメカニズムを区別することが困難になります。KindleVGAT-Creマウスは、抗てんかんと抗てんかんの両方の新しい治療法の開発に役立つことが期待されています。このレポートは、これらのマウスを使用した将来の医薬品開発の取り組みを導くことができる主要な指標と検出力分析を提供します。
KindleVGAT-Creモデルの別の利点は、てんかんを発症する動物の割合が高いこと(90%)と自発発作の規則性です。このモデルの欠点は、発作頻度が比較的低いこと(1.5 /日)と、発作頻度が3週間後に減少し、場合によっては発作が止まるように見えることです。これらの問題に対処するための取り組みが進行中です。
著者は開示する矛盾はありません。
著者らは、このプロトコルに関する有益な議論をしてくれたJohn Williamsonに感謝する。この作業は、NIH / NINDS助成金NS112549によってサポートされました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
16 Channel Extracellular Differential AC Amplifier (115V/60Hz) | AD Instruments | AM3500-115-60 | Alternate EEG amplifier |
363/CP PLUG COLLAR, PINS SLEEVE | P1 Technologies | 363SLEEVPIN0NL | For electrode holder |
Cable, 363-363 5CM - 100CM W/MESH 6TCM | P1 Technologies | 363363XXXXCM004 | mouse-to-commutator cable |
CCTV cameras Qcwox HD Sony IR LED | Sony | QC-SP316 | |
Commutator SL6C/SB (single brush) | P1 Technologies | 8BSL6CSBC0MT | formerly Plastics One, Inc. |
Current amplifier | A-M Systems | Model 2100 | |
Dental cement | Stoelting | 51459 | |
Drill bits, #75, OD 0.310" LOC 130 PT | Kyocera | 105-0210.310 | |
E363/0 SOCKET CONTACT SKEWED | P1 Technologies | 8IE3630XXXXE | pins for connector |
iBond Self Etch glue | Kulzer | CE0197 | |
MS363 PEDESTAL 2298 6 PIN WHITE | P1 Technologies | 8K000229801F | EEG headset connector |
Ohmeter | Simpson | 260 | High sensitivity |
PowerLab 16/35 and LabChart Pro | AD Instruments | PL3516/P | Alternate EEG software |
SomnoSuite | Kent Scientific Corp. | SS-01 | anesthesia unit & RightTemp monitoring |
Stereotactic drill and micromotor kit | Foredom Electric Co. | K.1070 | |
Stereotactic frame | David Kopf Instruments | Model 940 | |
Teflon-coated wire for depth electrode, OD 0.008' | A-M Systems | 791400 | |
VGAT-Cre mice on congenic C57BL/6J background | The Jackson Laboratory | 000664 |
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