視床前核の脳深部刺激後のラット海馬における遺伝子発現の変化の解析

要約

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.

要約

そのような大脳基底核、視床、及び視床下領域などの脳の様々な領域を標的脳深部刺激（DBS）手術は、薬物療法に応答しなかったいくつかの運動障害のための効果的な治療である。 DBS手術の分野における最近の進歩は、病的肥満、うつ病や強迫性障害など多様な他の条件にこの手術法の適用を拡張するために始めている。これらの拡大兆候にもかかわらず、ほとんどのDBS手術の有益な効果を促進する基盤となる生理学的メカニズムについて知られている。この問題に対する一つのアプローチは、電気刺激を受ける神経細胞における遺伝子発現解析を行うことである。以前の研究では、ラットの歯状回でその神経発生を示している視床¹の前核の標的にDBSに誘発される。 ATNを標的DBS手術は、難治性てんかん治療のために広く使用されている。したがって、多くinteresのです私たちは電気的にATNを刺激することにより誘発される転写の変化を探索するためのT。本稿では、我々は、成体雄WistarラットにATNをターゲットに定位的に誘導DBSの手術のために私たちの方法論を説明します。また、遺伝子発現の変化を測定するための組織切開、RNA単離、cDNA調製および定量的RT-PCRのための後続のステップを議論する。この方法が適用され、一般的に臨床的に標的と大脳基底核および脳の他の領域を刺激するために変更することができる。ここに記載の遺伝子発現研究は、DBSのメカニズムを導くことができる分子のプレイヤーを発見するための標的候補遺伝子アプローチを想定している。

概要

電気的に脳回路を刺激する可能性は^2を探索したときの神経外科技術として、脳深部刺激の発展の歴史は1870年代にまでさかのぼります。 1960 ³で起動ニューロンの障害の治療のような慢性の高頻度刺激を使用する。その後、慢性移植DBS電極^4-6の出現により1990年代に、DBSにより処理したニューロンの障害の数が増加し続けた。深部脳刺激は、最初本態性振戦⁶の治療薬として米国で使用された。今日、手術は現在、薬理学的介入によって治療不可能であるニューロンの障害の治療に広く使用されている。 DBSは現在、パーキンソン病およびジストニア^7-9の運動障害を治療するために使用される。アルツハイマー型認知症、ハンチントン病、てんかん、痛みや神経精神疾患、うつ病、OCD、トゥーレット7;症候群と中毒はDBS ^10-12による治療の影響を受けやすい条件のいくつかである。 DBS手術はFDAは、パーキンソン病、ジストニア、および本態性振戦の治療のために承認されているが、前述の他の状態を治療するためのDBSの使用は、患者^13,14に多くの約束を提供する実験室の様々な段階および臨床試験である。

臨床的に、DBS手術は2段階で行われる。第一段階は、外科的に放射線位置の組み合わせを使用して、標的の解剖学的位置にDBS電極を配置することを含む、CT、MRI、ならびに強化精度化微小電極の測定値。第二段階は、患者の胸の上部にパルス発生器を注入し、パルス発生器に頭皮から延長リードを設置することを含む。神経学的状態に基づいて、パルス発生器のためのいくつかのプログラミング方式が標準化され、所望の電圧を供給するために使用される。最終巻最小の電圧¹⁵と最良の臨床応答を受信するように、モンタージュは、段階的に達成される。しかし、我々の研究では、臨床的に使用される慢性DBSインプラントとは異なり、簡単のために、私たちは、動物モデルにおいて（1時間）1回の高頻度刺激を研究に頼ってきた。

当社グループの研究の一部は、治療抵抗性てんかんのためのDBS手術の使用を研究に焦点を当てています。高周波刺激を使用して、定位外科的アプローチは、てんかん^10,16,17の全発生率の約30％を構成する、医学的に難治性てんかんを治療するための効果的なオプションとして、多くの他の人が検討されている。皮質表面を標的小脳刺激ならびに深部小脳核てんかん^10,18,19を治療するための標的として過去に使用されてきた。また、海馬刺激も試みたが、結果はまちまち^20,21とされています。他のいくつかを調べてんかんのためのDBSターゲットは大脳皮質、視床、視床下核と迷走神経^8が含まれ^ています。しかし、過去数年間でいくつかの研究から以下の結果は、視床前核（ATN）は、てんかん治療^10,22のための最も一般的なDBSターゲットとして浮上している。神経解剖学的回路および動物モデルからの所見についての知識に基づいて、いくつかの研究は、てんかん^の治療における^23-26 ATNの深部脳刺激の治療効果に焦点を当てている。 ATNは、辺縁系回路の一部であり、発作頻度に影響する脳の領域に位置している。によるHamani らの研究では、ピロカルピン誘発性てんかんモデルでATN-DBSの有効性をテストし、二国間のATN刺激がピロカルピン誘発性発作とてんかん重積状態²⁴のための待ち時間を延長していることを発見した。さらに、ATNの高周波刺激はディスコグラフィのペンチレンテトラゾール（PTZ）モデルにおける発作頻度を低減することが見出された^25,27-29 ilepsy。 Lee らは 、難治性部分てんかん^30を治療する際にATNの慢性脳深部刺激の際に約75％の発作頻度の平均の減少を報告している。

治療難治性てんかんに関する最近の臨床研究では、視床前核^（ATN）22ターゲットとDBS手術後の有望な結果を示している。治療難治性てんかん（サンテトライアル）用のATNの二国間のDBSを受けた110人の患者との多施設ランダム化臨床試験では、約40％の³¹による発作頻度の低下を示した。この研究からの結果はまた、手術後2〜3ヶ月で観測された遅延最適抗てんかん作用に示唆した。戸田らによるさらなる研究。、彼らは動物モデル¹において、後でポストDBS（日3-5）で起こって神経発生を実証したこれらの知見と裏付け。また、Encinasのら、海馬neurogeneを報告しているATN ³²の高頻度刺激後の成体マウスの歯状回におけるSIS。これまでの研究^33-35は、慢性側頭葉てんかんと学習障害、記憶障害と自発的な再発性運動発作との関連など、特定のてんかんのケースで減少海馬の神経新生を報告している。さらに、このような動物モデル³³における慢性てんかん海馬におけるFGF2およびIGF-1などの神経幹細胞前駆要因の減少があった。これを考慮し、歯状回における神経新生の増加を示しているようなDBSなどのインターベンショナル戦略が研究のための刺激的な道である。これらの知見は、てんかんのための神経発生後のDBS治療の基礎となるメカニズムの中にさらに深く探求する私たちを奨励しています。我々は両方の一方的に（データは報告されていない）だけでなく、左右（代表的な結果で）ATNを目標とし、ラットの歯状回における上昇ニューロトロフィン（BDNF）の発現を見てきました。私たちのCurrent仮説はBDNF発現は、DBSの手術の抗てんかん効果に変換神経新生で最高潮に達した遺伝子発現カスケードを開始するということです。本稿では、DBSの恩恵を根底にあるメカニズムを研究するための魅力的なアプローチとして、遺伝子発現解析に続いて、ラットにおいてATNをターゲットとDBSの手術のための私達の方法を提示する。

プロトコル

注：倫理に関する声明：この原稿で説明するすべての手順は動物研究（実験動物の管理と使用に関する指針）のためのNIHガイドラインに従っているとハーバード大学医学部IACUC委員会によって承認されている。

1.手術前の準備

1. すべての外科器具はどちらオートクレーブによりまたは必要に応じて消毒液および/またはエタノールで洗浄することによって滅菌されていることを確認してください。可能な場合には、そのようなメス、針と注射器のような滅菌使い捨て器具を使用しています。
2. 外科用ドレープでワークベンチをカバーし、利用可能なバイオハザード廃棄物処理があることを確認してください。
3. ラットを秤量し、麻酔の投与量を計算する。ラットを麻酔ケタミン/キシラジン混合物（ケタミン75 mg / kgをおよびキシラジンは10mg / kg）を使用してください。
   注：200〜250グラムの間では、定位フレームにおける動物の適正な固定のためだけでなく、ATNの正確な標的化のための最適な重量である。 IsoflurANEはまた、麻酔剤として使用することができる。
4. マウントと固定している2つの無菌の電極の電極ホルダーの（オートクレーブによりまたはエチレンオキシドで滅菌）定位手術用フレームの顕微鏡（10-40X倍率）の助けを借りて（ 図2）は 、適切な用電極の先端を検査整列。二つの電極離れて3.0ミリメートルを固定します。
   注記：ハードディスクの表面に触れることによって、電極先端を損傷しないように注意してください。

2. DBS手術

1. ケタミン/キシラジンを動物に腹腔内に混在させると、動物が（つま先ピンチ反射、呼吸数と深さ、呼吸の規則性をチェックすることによって）麻酔の外科的平面に到達したことを確認して注入する。切開される頭皮の領域から毛を除去し、各ベタジンとアルコールまたは滅菌生理食塩水のいずれかの3交互スクラブと頭皮を消毒する。セキュアと定位FRAMに動物を配置E。
2. 最適なレベルで、動物の体温を維持するために、循環温水パッドを使用する。過剰乾燥から守るために動物の目に目の潤滑剤を適用します。
3. ATN（視床前核）を標的とするために、以下の定位座標を使用します。anterioposterior -1.6ミリメートル、内外1.5ミリメートルと5.2ミリメートル¹背腹。
   注：定位座標は、Paxinosとワトソン（6 ^番目の版）ラット脳アトラス³⁶に基づいています。
4. 頭蓋骨を明らかにするために矢状頭皮に切開を行います。開創器の一対の切開頭皮を確保使用する頭蓋骨を露出させる。切開をフラッシュする滅菌生理食塩水を使用してください。切開があまりにも濡れている場合は、乾燥させるために、滅菌綿棒を使用しています。ブレグマを見つけて、黒のマーカーでマークします。コロン島の矢状縫合と1.6ミリメートルの後部からmediolaterally両側に約1.5ミリメートルで、さらに2つのマークを作る、バーホールの位置をガイドするアル縫合。
5. バーホールを作るために、手持ちのドリルを使用してください。バーホールの先端がエタノールでそれを滅菌することにより滅菌されていることを確認してください。掘削時に頭蓋骨表面に対して約45°の角度でドリルを持ってください。よくあるすべてのバーホールの位置に過度の熱を避けるために、2バーホールを切り替える。
6. 硬膜が露出するまでの掘削を継続。 'L'の形状に似たその先端曲がった針を用いて、電極の挿入を妨げになる骨のいずれかの破片を取り除く。曲がった針を用いて骨片を除去しながら、基礎となる硬膜および/または脳組織を損傷しないように注意してください。
   注：鈍い針または罰金鈍鉗子を使用してもオプションです。
7. 定位フレームの回転ハンドルにデュアル電極アセンブリを修正し、90°の角度でハンドルを固定してください。定位フレームの調整を使用して、正確にブレグマの上に残って電極を配置する。
8. ステレオを使用して、正確に現在2つの電極が完全に冠状縫合に沿って整列しなくブレグマからmediolaterally 1.5mmと離隔が存在するようにブレグマの左側に1.5ミリメートル左電極を移動させる内外位置決め用戦術調整。
9. anterioposterior定位の調整を使用して、冠状縫合に電極1.6ミリメートル後方に移動します。
10. バーホールは電極がバーホールのラフな縁を触れることなく、簡単に挿入することができるように右の場所で行われている場合は、最初のチェックに電極を下げるために背腹調整を使用してください。その場合は、頭蓋骨の表面から5.2ミリメートルの深さに電極を挿入します。
11. 130ヘルツ、2.5 V、90マイクロ秒のパルス幅¹に設定された刺激にリード線を介して電極を接続します。
12. 時間の高頻度刺激を送達する（または実験に従って所望の期間）。刺激の過程で、ページを保証するために覚えている定期的につま先のピンチに応答して、足の撤退がないことを確認することでローパー麻酔深度。麻酔を誘導するために使用される約半分の初期用量で麻酔を補足する。麻酔深度をチェックするとき、あなたの滅菌手袋の汚染を避けるため、必要に応じて変更します。 1の実験的なニーズに基づいて、一方的または両側刺激を実行します。このような低頻度刺激などのコントロール（ 例えばため。、10ヘルツ）と（後続の刺激に電極を挿入する）刺激されていない動物が含まれる。
13. 刺激が行われた後、慎重に電極を取り外し、3-0縫合糸でまたは滅菌外科ステープルで切開を縫合。
14. 皮下鎮痛としてブプレノルフィン（0.05ミリグラム/ kg）を管理します。それが通常の活動に戻るまで動物を監視して、住宅施設にそれを返す。
15. （ 例えば 、0,3,6、または12時間後DBS手術のための）実験計画に基づいて設定された時間後に、麻酔過剰摂取で動物を安楽死させる。バイタルサインの不在を確認した後、動物を斬る。
16. 最初のハサミを用いて皮膚を削除することで脳を解剖。解剖ハサミを使って矢状縫合に沿って骨をカット。両方の側面に骨を（インチそれぞれ約）さらに2つの切開を行います。鉗子を使用して、脳を露出させるために頭蓋骨の上から骨の部分的に切断された部分を持ち上げる。
17. 細かいハサミやピンセットを用いて、頭蓋骨から脳を取り除く、氷上に冷たいPBSでペトリ皿に移す。
    注：骨を切開しながら脳に損傷を与えないように注意してください。

3.海馬の分離

注：氷の上にこのセクションのすべての後続のステップを実行します。

1. 氷上で予め冷却したアクリル脳マトリックス上で脳を置きます。カミソリの刃を使用して、最前方edから7-8で約冠状mmの脳をカット脳のGE。約5ミリメートルの厚さの脳切片を除去することができるように最初のカットに第二冠状にカットし、後部を行います。
2. 氷冷PBSでペトリ皿に脳スライスを転送します。カミソリの刃を使用して、2つの半球状のセクションを切断し、それぞれ左右両側に対応する半球に注意するように注意してください。一方的な刺激を行いながら、これは特に重要である。
3. 細かい鉗子とハサミを使用すると、慎重に海馬を削除します。
4. Flashは、その後のRNA抽出のステップの準備が整うまで-20℃の冷凍庫でドライアイスとストアの海馬組織を凍結する。
   注：長期保存のためには、-80℃の冷凍庫内の組織を保存することをお勧めします。

4. RNA抽出および定量PCR

1. 組織が均質化のための準備ができるまでドライアイス上で凍結されたままにしてください。
2. 注：フード内でこの手順を実行します。
   1. ヒップにトライ試薬の1ミリリットルを追加します。1.5ミリリットル遠心管におけるocampal組織と組織を小さな断片に切断されるまで、第1ピペッティングにより複数回、それを均質化する。さらに目に見える無傷の組織がなくなるまで25 G針を注射器に通すことによって、組織をホモジナイズする。氷上で均質化の手順を実行します。
   2. 組織をホモジナイズした後、細胞溶解を可能にするために、細胞懸濁液を5分間室温で放置する。
      注：この時点の後、細胞懸濁液を急速冷凍し、さらなる処理まで-70℃に格納することができる。
3. 0.2ミリリットルのクロロホルムを加え、20秒間ボルテックスで混合し、15分間室温での溶液の残りをしましょう​​。
4. 4℃で15分間12000×gでサンプルを遠心。遠心分離した後、表示されます3つの別々の層を乱すことなく、慎重にチューブを取り除く。
   注：ボトム（赤）相はタンパク質を含む、中央の曇り相は、DNAが含まれており、トップの明確な相はRが含まれていますNA。
5. 新鮮な1.5ミリリットルの遠心管にトップクリヤー相（RNA）を転送する（通常は相を含むRNAを500μlが得られる）。これに0.5ミリリットルのイソプロパノールを加え、ボルテックスで混和する。これにRNAの担体として2-3μlのグリコーゲンた（20mg / ml）を加える。サンプルは10分間室温でテーブルの上に物を置か。
6. 4℃で1時間、12000×gでサンプルを遠心。 RNAペレットがチューブの底に表示されていることを確認してください。
7. 上清を捨て、75％エタノール1mlを添加することにより、RNAペレットを洗浄（ヌクレアーゼフリー水で作られた）。ペレットがチューブの底からdislodgesと、溶液中に浮遊するまで、サンプルを複数回反転。遠心機4℃で10分間12000×gでソリューション。
   NOTE：75％エタノールでペレットをさらなるステップまで-20℃で保存することができる。
8. 室温で5分間開いたチューブを残すことによって空気乾燥RNAペレットを許可する。オベを避けるために予防策を取るこの後の工程で水への溶解に影響を与える可能性があるとして、ペレットを乾燥させるrを。

5. RNAの準備からDNAを削除

1. RNAペレットにヌクレアーゼを含まない水の9μl加え、ペレットを静かにチューブをボルテックスして先に進む前に溶解されることを確認してください。これは10倍DNアーゼIバッファー1μlのと1μL（DNアーゼIキットから）組換えDNA分解酵素を追加するには、簡単に、優しくチューブをフリックでミックスチューブをスピンし、30分間水浴中で37℃でインキュベートする。
2. サンプルに（DNアーゼIキットから）2μlのDNA分解酵素の不活性化試薬を追加し、2分間室温でインキュベートし、穏やかにチューブをフリックで頻繁に混ぜる。 10分間12000×gで遠心分離し、新鮮な1.5ミリリットル遠心管に透明な上澄みの約10μLを転送する。
3. 光度計または分光光度計を用いてRNA濃度を測定します。

6. RNAからcDNAを作る

1. 必要なボリューム番目の追加1μgのRNAを含有し、ヌクレアーゼフリー水を添加することによって8μlの総体積をもたらすで。これに1μlの10のdNTPミックスおよびSuperscriptファーストストランド合成キットからランダムヘキサ1μlの追加。穏やかに混合し、いずれかの水浴で、または事前にプログラムされたサーモサイクラー上で5分間65℃でインキュベートする。
2. 10倍RT緩衝液2μl、25 MのMgCl _2、0.1 M DTT2μlのRNアーゼOUT（40 U /μl）を1μlの4μlの：以下の試薬 ​​を含むプレミックスを作成します。
   注：指定されたボリュームの反応ごとにあり、ユーザは、1つの実験的なニーズに応じてスケールアップする必要があります。
3. 65℃からのサンプルを含むRNAを除去した後、分室温で管をセット。 9μlのプレミックス溶液を添加し、2分間室温でインキュベートする。スーパースクリプトII逆転写酵素の1μL（50 U /μl）を追加し、10分間室温でインキュベートする。
4. 50 42℃でサンプルをインキュベートminで逆転写が起こるのに。
5. 反応を停止し、15分間70℃でサンプルをインキュベートする。
6. 簡単に氷の上にサンプルを配置し、1μlのRNアーゼH（2U /μl）を加え、20分間37℃でインキュベートする。
7. 簡単に言うと凝縮液をスピンダウンする3000×gでチューブを遠心する。
   注：これは、定量的PCRのために使用されるcDNAである。 cDNAは、PCRセットアップまで-20℃の冷凍庫に保存することができる。 cDNAはまた、PCRに進む前に、ヌクレアーゼを含まない水で希釈することができる。

7.定量PCR

1. 2X SYBRグリーンミックスの6.3μL、フォワードプライマーの0.6μL（10μM）、リバースプライマーの0.6μL（10μM）およびヌクレアーゼを含まない水0.5μlの：以下の試薬を（与えられたボリュームが反応あたりである）を含むマスターミックスを作る。
   注：プライマーの設計は、目的の遺伝子のために、NCBIのヌクレオチド配列ページの「ピックプライマー」オプションを使用して行われた。
2. 96 well- PCRプレートの各ウェルに10μlのマスターミックスを追加します。以前よくマスターミックスを含むことに作製されたcDNAの2.5を添加する。各サンプルについて3回のPCR反応をセットアップしてください。
3. マスターミックスとcDNAの添加が完了した後、ウェルを密封するために、光学接着シートを用いたPCRプレートをカバーする。井戸の底にすべての液体を決済する卓上遠心機で500×gで5分間簡単にプレートスピン。
4. あらかじめプログラムされたRT-PCRマシンにPCRプレートをロードします。 表1に提供PCRパラメーターを使用してください。
5. データ分析：さらなる計算のためのqPCR出力からC _t値を使用してください。試験遺伝子に加えて、内部対照遺伝子のためのPCR反応、18S rRNAの（等しい入力を確実にする）と、βアクチン（ネガティブコントロール）を設定。 ΔΔCT法³⁷に基づいて、倍率変化を計算します。

結果

図1A及び図1Bは、対照遺伝子βアクチンのBDNFおよびGABRDの相対発現を示す。 BDNFは、ニューロトロフィンは、多くの場合、多くの神経疾患^38-41で神経保護効果と関連している。それはてんかん患者に治療上の利益をもたらすATNの刺激に応答してBDNFの発現プロファイルを分析することは興味深い。 DBS刺激ポスト示された時点にわたってBDNFの遺伝子発現プロファ?...

ディスカッション

Benabid らによる画期的な仕事の後。パーキンソン病と本態性振戦を治療するための脳深部刺激を使用して、DBS手術法は、多くの神経疾患の^6,10,43を治療するための過去10年間で多くの関心を検討されている。脳回路の様々な神経解剖学的領域を標的DBS研究は、現在、主要な神経疾患に対処するために多くのグループによって実行され、臨床試験の様々な段階にあるされて?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Deep Brain Stimulation Surgery
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-100 mm	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
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
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
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