Моніторинг хронічного та гострого стресу за допомогою електрофізіологічних сигналів від PNAS надниркових залоз

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Для листування: jini38 @ sejong.ac.krtaeilkim @ skku.edu

Відредаговано Джоном Роджерсом, Північно-Західний університет, Еванстон, Іллінойс, та затверджено 12 листопада 2018 року (отримано на огляд 14 квітня 2018 року)

Значимість

У цій роботі ми розробили гнучкий електрофізіологічний зонд, який можна імплантувати в надниркову залозу живої тварини. Це дозволило нам виміряти електрофізіологічні сигнали наднирника у відповідь на вивільнення гормону стресу, викликане гострим стресом. Цей звіт збирає електрофізіологічні сигнали надниркових залоз in vivo при хронічній імплантації.

Анотація

Ми представляємо електрофізіологічні (ЕР) сигнали, що корелюють із діяльністю клітинних клітин у корі надниркових залоз та довгастому мозку, використовуючи імплантований гнучкий ЕР-зонд для наднирників. За допомогою такого зонда ми могли спостерігати сигнали ЕР від кори надниркових залоз та довгастого мозку у відповідь на різні подразники стресу, такі як посилена активність гормону з адренокортикотропним гормоном, біомаркер для хронічної реакції на стрес та фактичне стресове середовище, як примусове плавання тест. Ця методика може бути корисною для постійного моніторингу підвищення рівня кортизолу, корисного показника хронічного стресу, який потенційно викликає різні захворювання.

Таким чином, у цьому документі ми демонструємо поздовжньо імплантований гнучкий зонд, який може бути використаний для кількісної оцінки зв'язку між рівнем вивільнення кортизолу та сигналами ЕР від наднирника на основі гнучких датчиків ЕР. Ми виявили значну зміну сигналу ЕР, коли кортизол виділявся під введенням АКТГ або фактичне стресове середовище, як вимушений тест на плавання. Наші експерименти проводились із застосуванням спеціально розроблених гнучких ЕР-зондів, які могли проникати в надниркову залозу. Чотири електроди на зонді здатні постійно вимірювати ЕР-сигнали як в корі надниркових залоз, так і в області довгастого мозку, і вони дозволяють нам успішно визначати діяльність гормональних клітин та відносну зміну рівня гормону кортизолу в умовах стресу на тваринній моделі in vivo.

Результат

Підготовка зонда ЕР для надниркової залози.

Імплантація зонда ЕР в надниркову залозу.

Для випробування in vivo на тваринах зонд імплантували в надниркову залозу знеболеного 8-тижневого самця щура тильним розрізом (рис. 1 F і G). Після повного проникнення зонда в надниркову залозу, як показано на схематичній ілюстрації на рис. 1C та фотозображенні на рис. 1F, він був закріплений на капсулі надниркової залози, закріпивши кінчик наконечника стріли на протилежній стороні шару волокнистої капсули. надниркової залози (рис. 1F) (47, 48). Після того, як зонд був зафіксований, ми механічно зламали вал човника, щоб ми могли зняти товстий шар човника, просто відступивши назад (Додаток SI, рис. S5). Отже, всередині тканини надниркових залоз залишався лише тонкий та гнучкий сенсорний шар (~ 7 мкм). Гнучкість матеріалу PI та надтонка природа датчика гарантували мінімізоване вторгнення з меншими біологічними пошкодженнями. Після операції чотири штифти роз'єму були оголені від ушитої шкіри, а решта системи була занурена (рис. 1G).

Зміна сигналу ЕР в надниркових залозах шляхом стимуляції АКТГ.

Перш ніж ми збирали сигнали ЕР від надниркових залоз in vivo, ми вимірювали сигнали ЕР від енуклейованої надниркової залози in vitro (додаток SI, рис. S6). Ми імплантували зонд в енуклейовану надниркову залозу з фізіологічним розчином у чашці Петрі. Потім ми вимірювали сигнал надниркової залози в якості еталону, використовуючи комерційний пристрій збору даних протягом приблизно 30 хв. Далі ми додали 60 нг АКТГ у фізіологічне середовище. Амплітуда та частота електричних стрибків, зареєстрованих у наднирковій залозі, були значно збільшені після додавання АКТГ.

Сигнал ЕП в надниркових залозах від гострого стресу.

Ми також виміряли зміну сигналу ЕР у цілому надниркових залоз, викликане фактичним стресом. Зонд імплантували в надниркову залозу самців щурів і реабілітували протягом 2 тижнів. Після 2 тижнів відновлення ми зібрали початковий ЕР-сигнал наднирника як еталонні дані, як описано в Зміна сигналу ЕР в наднирковій залозі шляхом стимуляції АКТГ. Потім тварину акуратно поміщали у ванну з рівнем води на відстані 30 см від дна для випробування на примусовому плаванні (рис. 3 A та B та Додаток SI, рис. S10). Через 5 хв плавання ми знеболили щура для запису ЕР. Цікаво, що сигнал ЕР був присутній як в корі надниркових залоз, так і в мозковій речовині (рис. 3 С і D), на відміну від випадків ін’єкції АКТГ (53 ⇓ –55). Концентрація катехоламінів у крові повільно знижувалася, поки тварина повністю не відновилася протягом періоду постстимуляції (54, 56, 57). Крім того, оскільки тварина була вологою та переохолодженою, активні гормональні та нейронні сигнали все ще реєструвались від наднирника. Ми також знеболили щурів короткочасним анестетиком кетаміном і швидко підключили з'єднувач для зв'язку. Через 2 хв запису щури почали прокидатися і вільно пересувались по клітці (рис. 3 E та F та додаток SI, рис. S11). Таким чином, ми робимо висновок, що зонд також застосовується для виявлення як нервових, так і гормональних реакцій.

Застосування зонда для надниркових залоз до реальної моделі стресу. (A і B) Зображення щурів із вимушеним плавним тестом для застосування гострого стресу. (C) Сигнали ЕР, зібрані з кори надниркових залоз та мозкового мозку наднирників до та після вимушеного плавання. Сигнал кори надниркових залоз після примусового плавання (червоний) посилюється в порівнянні з сигналом до 5-хвилинного примусового плавання. Порівняно з ін'єкцією АКТГ, сигнал ЕР у мозковій речовині наднирників (синій) різко активізується гострим стресом. (D) Примусовий заплив опосередкований підвищення сигналу. Кількість стрибків за хвилину від кори надниркових залоз (червоного кольору) до і після плавання значно зростало після плавання, так само, як кількість стрибків за хвилину довгастого мозку надниркових залоз (синього кольору) змінювалося після плавання. (E) Зображення щура, що вільно рухається, з'єднувач якого був пов'язаний з комерціалізованою головною сценою для збору сигналу надниркових залоз. (F) Сигнал збирався з кори надниркових залоз та довгастого мозку до та після пробудження від наркозу. Частота спайків кори та мозкового мозку була підвищена відразу після пробудження.