Pinnacle | 小動物一站式癲癇監(jiān)測分析系統(tǒng)，助力抗癲癇藥物高通量篩查模型取得新成果

一、應(yīng)用背景

2023年11月南昌大學(xué)藥學(xué)院張春波課題組和墨爾本莫納什大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系Patrick Kwan團隊在Journal of Advanced Research雜志上發(fā)表了一篇題為“An integrated in vitro human iPSCs-derived neuron and in vivo animal approach for preclinical screening of anti-seizure compounds”的文章，文中詳細(xì)闡述了研究者開發(fā)了一套臨床前抗癲癇藥物（ASM）高通量篩查（HTS）模型，即將體外人源誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）誘導(dǎo)神經(jīng)元和體內(nèi)動物模型相結(jié)合，彌補了現(xiàn)有抗癲癇藥物篩選過程中過渡依賴急性嚙齒動物模型和不適合高通量實驗的缺陷。

研究中實驗者使用多電極陣列（MEA）法測定了14中天然化合物（α-細(xì)辛酮、姜黃素、長春西汀、厚樸酚、川芎嗪、蛇床子素、丹參酮、胡椒堿、天麻素、槲皮素、小檗堿、白楊素、五味子甲素、和白藜蘆醇）在iPSC神經(jīng)培養(yǎng)物種抑制癲癇樣發(fā)作的能力，同時在斑馬魚和小鼠模型中在體測試了這些物質(zhì)的抗癲癇作用，結(jié)果顯示8種天然化合物（胡椒堿，厚樸酚，α-細(xì)辛腦，蛇床子素，姜黃素，長春西汀，小檗堿，五味子甲素）對于iPSCs誘導(dǎo)神經(jīng)元對癲癇樣活動有抑制作用，在這8種化合物中，分別有6種和5種物質(zhì)在斑馬魚和小鼠在體電生理模型中具有抗癲癇表現(xiàn)，而在iPSCs誘導(dǎo)神經(jīng)元模型中未表現(xiàn)抗癲癇能力的物質(zhì)在斑馬魚和小鼠在體電生理模型中也未表現(xiàn)出抗癲癇作用。

文中驗證不同化合物在小鼠模型中抗癲癇作用的實驗方案采用的是美國Pinnacle EEG/EMG神經(jīng)電生理產(chǎn)品，研究者分別在小鼠顱骨和頸部肌肉處植入腦電電極和肌電電極以采集動物的EEG和EMG信號，通過監(jiān)測動物腦區(qū)和頸部肌肉的異常放電可對動物的癲癇發(fā)作事件進行專業(yè)分析。目前國際上大小鼠EEG/EMG采集系統(tǒng)廣泛得應(yīng)用于癲癇監(jiān)測和抗癲癇藥物開發(fā)的動物實驗?zāi)Ｐ?，美國Pinnacle 是其中的佼佼者，自產(chǎn)品問世以來已有數(shù)千篇SCI文獻(xiàn)發(fā)表，國際認(rèn)可度極高。

二、產(chǎn)品介紹

美國Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)共有有線式和無線式兩套方案，分別適合于大小鼠不同類型的癲癇實驗?zāi)Ｐ?，根?jù)動物癲癇發(fā)作的類型，又有純腦電型和腦電肌電搭配型兩種不同的配置，為用戶提供了多種實驗方案和配置選擇。

1. 有線式EEG/EMG采集系統(tǒng)

Pinnacle有線式EEG/EMG系統(tǒng)采用低扭矩萬向轉(zhuǎn)向器設(shè)計規(guī)避動物活動對數(shù)據(jù)采集線纜產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、纏繞等現(xiàn)象，保證動物腦電肌信號采集過程中自由活動不受束縛。獨特的頭戴式前置放大器設(shè)計將腦電信號進行放大和過濾，旨在最大程度降低信號偽影（包括運動偽影），再加上數(shù)據(jù)采集器進行二次數(shù)據(jù)放大和過濾，從而可獲得異常干凈的數(shù)據(jù)波形。該系統(tǒng)又分為3通道和4通道，3通道系統(tǒng)專為癲癇腦電肌電采集而設(shè)計，4通道系統(tǒng)在腦電肌電采集基礎(chǔ)上，擴展光遺傳、腦內(nèi)化學(xué)物質(zhì)測量或加速度測量等功能，適合更為全面的神經(jīng)生理學(xué)研究。

4通道EEG/EMG系統(tǒng)通過更換前置放大器的類型即可進行電生理檢測參數(shù)的擴展，如2EEG/1EMG/1opt為腦電肌電光遺傳檢測，2EEG/1EMG/1Accelerometer為腦電肌電加速度檢測，2EEG/1EMG/1bio為腦電肌電生物傳感器檢測等，從而將EEG/EMG與光遺傳、生物活性物質(zhì)、加速度測量等相結(jié)合，可以實現(xiàn)在監(jiān)測癲癇模型動物EEG/EMG的同時，通過光遺傳刺激和/或電刺激調(diào)控癲癇發(fā)作事件，通過檢測動物腦內(nèi)谷氨酸、乳酸和葡萄糖等物質(zhì)的釋放濃度，探究不同神經(jīng)遞質(zhì)在癲癇發(fā)作過程中的作用機制等一系列神經(jīng)電生理學(xué)研究。

監(jiān)測腦電肌電同時記錄腦內(nèi)乳酸和葡萄糖濃度變化

光遺傳調(diào)控小鼠癲癇發(fā)作事件

2. 無線式EEG/EMG采集系統(tǒng)

無線式EEG/EMG采集系統(tǒng)利用輕巧的無線穩(wěn)壓器裝置在動物頭部即完成腦電肌電信號的數(shù)字化處理，并通過藍(lán)牙傳輸至電腦采集軟件進行處理分析。該系統(tǒng)對動物活動范圍限制更小，動物更加接近于自由活動時的生理狀態(tài)，特別適合與行為學(xué)實驗聯(lián)合使用，如采用Racine評分系統(tǒng)評價大小鼠癲癇發(fā)作嚴(yán)重程度，結(jié)合運動計數(shù)器記錄動物癲癇狀態(tài)下的活動量評估癲癇對動物活動能力的影響，或搭配Morris水迷宮和Y迷宮等評估癲癇對動物認(rèn)知功能和記憶的影響。

Morris水迷宮和Y迷宮

上述有線式和無線式EEG/EMG采集系統(tǒng)不僅可以用于大小鼠癲癇模型的研究，還可用于動物睡眠節(jié)律分析研究，同一套硬件可滿足癲癇和睡眠兩個研究方向的動物模型EEG/EMG信號采集，有關(guān)EEG/EMG采集系統(tǒng)在大小鼠睡眠方向的應(yīng)用，請參考上海玉研科學(xué)儀器往期公眾號推文。

3. 專業(yè)版癲癇分析軟件

Pinnacle提供與大小鼠癲癇EEG/EMG采集硬件相配套的專業(yè)版癲癇分析軟件SIRENIA? SEIZURE PRO，該軟件提供了Power、Line Length和amplitude三種癲癇事件評分方法，輔助以頻譜圖和熱圖等工具,快速輔助研究者進行癲癇發(fā)作時間、持續(xù)時間和發(fā)作次數(shù)等事件的統(tǒng)計和分析。

頻譜圖	熱圖

SEIZURE PRO專業(yè)版分析軟件操作簡單，利于上手，對新手用戶非常友好，整個過程僅需三步即可完成癲癇事件的識別和標(biāo)記，當(dāng)用戶分析類似的信號數(shù)據(jù)時可直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的儲存模板進行分析。

1、將典型的癲癇數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中；

2、從數(shù)據(jù)庫中選擇一個癲癇事件用于篩選靶標(biāo)，并選擇用功率法、線長法或振幅進行分析；

3、軟件掃描整個記錄文件，篩選并識別與靶標(biāo)相似的癲癇發(fā)作事件并進行統(tǒng)計分析。

SEIZURE PRO可對模型動物的EEG/EMG波形數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動化的功率分析、線長分析、峰值頻率分析、癲癇持續(xù)時間分析和癲癇事件統(tǒng)計分析等功能，將分析結(jié)果定制為高質(zhì)量的圖表，用于論文、演示文稿和日常研究，并可兼容第三方設(shè)備記錄EEG/EMG生成的EDF和TXT文件。

三、應(yīng)用案例

1、大麻二酚調(diào)節(jié)興奮抑制比以對抗海馬過度活躍

2023年4月紐約大學(xué)格朗尼醫(yī)學(xué)中心Evan C. Rosenberg等學(xué)者在《Neuron

》雜質(zhì)尚發(fā)表了一篇名為“Cannabidiol modulates excitatory-inhibitory ratio to counter hippocampal hyperactivity”的研究論文。在該項研究中，實驗人員利用GPR55 KO小鼠模型驗證了大麻二酚可通過阻斷內(nèi)源性膜磷脂溶血磷脂酰肌醇（LPI）的突觸效應(yīng)和抑制G蛋白偶聯(lián)受體GPR55的過度興奮性以發(fā)揮潛在的抗癲癇作用。實驗中在小鼠額葉、顳葉（海馬體）和枕葉植入腦電電極以捕捉腦電圖信號，利用美國pinnacle 公司的SIRENIA? SEIZURE PRO分析軟件對腦電癲癇事件進行分析顯示，200 mg/kg CBD預(yù)處理降低了腦電圖功率的平均水平（p=0.0036），增加了首次癲癇腦電發(fā)作的潛伏期（p=0.04），并產(chǎn)生了縮短腦電圖發(fā)作持續(xù)時間的非顯著趨勢（p=0.11）。

2、顳葉癲癇小鼠模型中海馬CA2區(qū)興奮性增強及其對癲癇發(fā)作活動的影響

2022年10月Alexander C. Whitebirch等在Neuron上表了一篇題為“Enhanced excitability of the hippocampal CA2 region and its contribution to seizure activity in a mouse model of temporal lobe epilepsy”的文章，探究了海馬CA2區(qū)在顳葉癲癇（TLE）中發(fā)揮的作用，研究者采用美國Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)對實驗組和對照組小鼠進行腦電肌電采集，實驗中發(fā)現(xiàn)使用氯氮平-N-氧化物(CNO)治療組小鼠與未治療組小鼠相比非抽搐型癲癇發(fā)作的頻率明顯降低（如圖C和E；t檢驗；t=2.352，df=16；*p=0.032；n=17只小鼠），而CNO對非抽搐型癲癇發(fā)作持續(xù)時間沒有顯著影響。

美國Pinnacle公司在大小鼠腦科學(xué)神經(jīng)電生理領(lǐng)域包括癲癇監(jiān)測和分析的研究方面秉持開拓創(chuàng)新的生產(chǎn)理念，持續(xù)不斷地開發(fā)和完善大小鼠腦電肌電癲癇監(jiān)測技術(shù)，以助力廣大科研工作者在腦科學(xué)研究領(lǐng)域取得新的科研突破。上海玉研儀器科學(xué)有限公司長期與Pinnacle公司保持友好合作關(guān)系，為國內(nèi)外科研工作者者提供國際前沿的神經(jīng)電生理技術(shù)解決方案。

四、用戶名單

五、更多文獻(xiàn)

 [1]. Zhu, Q., et al., Human cortical interneurons optimized for grafting specifically integrate, abort seizures, and display prolonged efficacy without over-inhibition. Neuron, 2023.

 [2]. Rosenberg, E.C., et al., Cannabidiol modulates excitatory-inhibitory ratio to counter hippocampal hyperactivity. Neuron, 2023.

 [3]. Tipton, A.E., et al., Selective neuronal knockout of STAT3 function inhibits epilepsy progression, improves cognition, and restores dysregulated gene networks in a temporal lobe epilepsy model. Annals of Neurology, 2023.

 [4]. Zhao, C., et al., An integrated in vitro human iPSCs-derived neuron and in vivo animal approach for preclinical screening of anti-seizure compounds. Journal of Advanced Research, 2023.

 [5]. Whitebirch, A.C., et al., Enhanced excitability of the hippocampal CA2 region and its contribution to seizure activity in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Neuron, 2022. 110(19): p. 3121-3138. e8.

 [6]. Weber, M., et al., Pharmacological suppression of seizure‐like activity in the PS2APP model of amyloidosis: Development of new models and analysis methods/amyloid/Abeta. Alzheimer's & Dementia, 2020. 16: p. e045557.

 [7]. Han, Z., et al., Antisense oligonucleotides increase Scn1a expression and reduce seizures and SUDEP incidence in a mouse model of Dravet syndrome. Science translational medicine, 2020. 12(558): p. eaaz6100.

 [8]. Ibhazehiebo, K., et al., A novel metabolism-based phenotypic drug discovery platform in zebrafish uncovers HDACs 1 and 3 as a potential combined anti-seizure drug target. Brain, 2018. 141(3): p. 744-761.

 [9]. Casalia, M.L., M.A. Howard and S.C. Baraban, Persistent seizure control in epileptic mice transplanted with gamma‐aminobutyric acid progenitors. Annals of neurology, 2017. 82(4): p. 530-542.

[10]. Hsieh, L.S., et al., Convulsive seizures from experimental focal cortical dysplasia occur independently of cell misplacement. Nature communications, 2016. 7(1): p. 11753.