Een diermodel voor transvasculaire optogenetica

Maaike De Wilde
In deze scriptie werd de mogelijkheid tot het gebruik van transvasculaire optogenetica onderzocht om neuronen te moduleren die opsines tot expressie brengen in de cortex van de rat met licht afkomstig uit een cerebraal bloedvat. Er werd ook nagegaan of deze techniek kan gebruikt worden om verhoogde corticale activiteit te inhiberen.

Licht als behandeling voor epilepsie

Stel je raakt betrokken in een verkeersongeval en loopt een hersentrauma op. Later ondervindt je tijdelijke veranderingen of verlies van je bewustzijn, met vaak ook verlies van controle over bepaalde spieren. Je gaat op controle bij de dokter met deze symptomen en vervolgens wordt je doorverwezen naar de neuroloog in het ziekenhuis. Daar krijg  je de volgende diagnose: epilepsie, wat in de volksmond ook wel de vallende ziekte wordt genoemd. Elk jaar krijgen in Vlaanderen zo’n 3500 mensen deze diagnose te horen.

 

Epilepsie is een ernstige chronische hersenaandoening, die minstens 65 miljoen mensen ter wereld of zo’n 1% van de wereldbevolking treft. In België lijden zo’n 65000 personen aan epilepsie. De ziekte wordt gekenmerkt door herhaalde spontane epileptische aanvallen, waarbij zich een soort elektrische kortsluiting in de hersenen voordoet. Een epilepsieaanval gaat gepaard met verstoringen in het gedrag, bewustzijn of zelfs hallucinaties en kan onder andere veroorzaakt worden door trauma’s, infecties of hersentumoren.

Net zoals het scala aan oorzaken, bestaan er ook verschillende behandelingen om deze aandoening te behandelen. De meeste epilepsiepatiënten kunnen geholpen worden met medicatie. Maar bij één op drie patiënten werken deze pillen niet of de patiënten ondervinden te veel bijwerkingen. Deze mensen lijden aan refractaire of moeilijk behandelbare epilepsie. Alternatieve behandelingen, zoals epilepsie-chirurgie (verwijderen van het deel van de hersenen die de epilepsie veroorzaakt) of elektrische stimulatie van zenuwen kunnen soms toegepast worden, maar deze zijn niet altijd mogelijk doordat bepaalde delen van de hersenen die bijvoorbeeld instaan voor spraak niet kunnen weggehaald worden. Ook hebben deze alternatieve behandelingen niet altijd het gewenste effect. Hierdoor is het dus noodzakelijk om nieuwe therapieën te ontwikkelen.

 

Nieuwe techniek kan voor verandering zorgen

Optogenetica is een recente techniek dat als nieuwe behandelingsmethode zou kunnen gebruikt worden voor refractaire epilepsiepatiënten. Deze techniek maakt het mogelijk om met licht de activiteit van zenuwcellen (neuronen) te regelen, die bij een te hoge synchrone activiteit in de hersenen zorgen voor een elektrische kortsluiting gevolgd door een epilepsieaanval. Hiervoor moeten lichtgevoelige eiwitten worden geïnjecteerd in de hersenen, waardoor neuronen in de hersenen genetisch gemanipuleerd worden en ze gevoelig worden aan licht. Daarna moet licht afgeleverd worden aan het lichtgevoelig hersenweefsel om de activiteit van de neuronen te kunnen regelen. Dit gebeurt meestal door een optische vezel (vezel dat licht kan geleiden), gekoppeld aan een lichtbron, te implanteren in de hersenen door middel van een open-hersenoperatie. Dit is echter een struikelblok om de techniek in de kliniek toe te passen, doordat er een infectie of schade aan het hersenweefsel zou kunnen optreden. Het plaatsen van deze optische vezel in een bloedvat in de hersenen zou een oplossing kunnen bieden om dit tegen te gaan. Hiermee kan dan ook licht afgeleverd worden aan het lichtgevoelig hersenweefsel door het bloedvat. Dit wordt dan transvasculaire optogenetica genoemd.

Het doel van deze thesis was te onderzoeken of dat de activiteit van genetisch gemanipuleerde neuronen net naast het bloedvat kan geregeld worden door middel van transvasculaire optogenetica. Hiervoor werden ratjes gebruikt die twee operaties ondergingen. In een eerste operatie werden de lichtgevoelige eiwitten geïnjecteerd net naast een bloedvat vlak boven de hersenen en in een tweede operatie werden de experimenten uitgevoerd. Tijdens deze tweede operatie werd eerst de optische vezel in een bloedvat vlak boven de hersenen van de ratjes gebracht en werd ook een elektrode geïmplanteerd net boven de plaats waar de injectie gebeurt was om de activiteit van de hersenen te kunnen meten. Ook werd een stofje ingespoten die de activiteit van de neuronen in de hersenen liet toenemen. Hierna kon dan gekeken worden of deze toegenomen activiteit kon verminderd worden door middel van belichting door het bloedvat. Dit was het geval. Transvasculaire optogenetica lijkt dus een veelbelovende nieuwe techniek te zijn.

Verder werd ook onderzocht wat het optimaal vermogen van de lichtbron is voor transvasculaire optogenetische stimulatie. Zowel bij een laag als hoog vermogen was het mogelijk om de toegenomen activiteit van de neuronen te verminderen. Een laag vermogen bleek echter optimaal doordat de activiteit na stimulatie veel minder toenam met een laag vermogen in vergelijking met een hoog vermogen. Een ander belangrijk voordeel aan stimulatie met een lager vermogen is dat de levensduur van de batterij van de lichtbron zo verlengd wordt. Nu vraagt u zich waarschijnlijk af waarom dit zo van belang is. Wel, in het geval van klinische toepassingen van deze techniek, zullen de patiënten hoogst waarschijnlijk een toestel geïmplanteerd krijgen, dat bestaat uit een voedingsbron en een lichtbron. Wanneer het vermogensverbruik lager is, zal een kleiner toestel kunnen geïmplanteerd worden en nog belangrijker zal het minder snel nodig zijn om de batterij van het toestel te vervangen, waarvoor telkens een operatie nodig zou zijn. Voor een patiënt is het dus heel belangrijk dat dit vermeden zou kunnen worden.

 

Naast het feit dat zonlicht belangrijk is om het slaap-waak ritme te regelen en ook voor de opname van calcium dat we nodig hebben voor de ontwikkeling van gezonde botten en tanden via vitamine D, zou licht dus ook kunnen gebruikt worden in combinatie met lichtgevoelige eiwitten om epilepsie te behandelen.

Bibliografie

1. Pieter van Mierlo WS, Evelien Carrette, Alfred Meurs, Dirk Van Roost, Paul Boon and Kristl Vonck (2015) Lokalisatie van de epileptische focus op basis van netwerkanalyse van hersensignalen. NEURON (NEDERLANDSE ED) 20: 8-12
2. Zhao M, Alleva R, Ma H, Daniel AG, Schwartz TH (2015) Optogenetic tools for modulating and probing the epileptic network. Epilepsy Res 116: 15-26
3. Tung JK, Berglund K, Gross RE (2016) Optogenetic Approaches for Controlling Seizure Activity. Brain Stimul 9: 801-810
4. Bromfield EB CJ, Sirven JI (2006) An Introduction to Epilepsy.
5. Bernstein JG, Han X, Henninger MA, Ko EY, Qian X, Franzesi GT, McConnell JP, Stern P, Desimone R, Boyden ES (2008) Prosthetic systems for therapeutic optical activation and silencing of genetically-targeted neurons. Proc SPIE Int Soc Opt Eng 6854: 68540H
6. Chiang CC, Ladas TP, Gonzalez-Reyes LE, Durand DM (2014) Seizure suppression by high frequency optogenetic stimulation using in vitro and in vivo animal models of epilepsy. Brain Stimul 7: 890-9
7. Osawa S, Iwasaki M, Hosaka R, Matsuzaka Y, Tomita H, Ishizuka T, Sugano E, Okumura E, Yawo H, Nakasato N, et al. (2013) Optogenetically Induced Seizure and the Longitudinal Hippocampal Network Dynamics. Plos One 8
8. Vonck K (2017-2018) Klinische Neurologie.
9. Berg AT, Berkovic SF, Brodie MJ, Buchhalter J, Cross JH, van Emde Boas W, Engel J, French J, Glauser TA, Mathern GW, et al. (2010) Revised terminology and concepts for organization of seizures and epilepsies: report of the ILAE Commission on Classification and Terminology, 2005-2009. Epilepsia 51: 676-85
10. Graves TD (2006) Ion channels and epilepsy. QJM 99: 201-17
11. Raedt R (2016-2017) Neurobiologie.
12. Kokaia M, Andersson M, Ledri M (2013) An optogenetic approach in epilepsy. Neuropharmacology 69: 89-95
13. Wiegert JS, Mahn M, Prigge M, Printz Y, Yizhar O (2017) Silencing Neurons: Tools, Applications, and Experimental Constraints. Neuron 95: 504-529
14. Kwan P, Brodie MJ (2000) Early identification of refractory epilepsy. N Engl J Med 342: 314-9
15. Sukhotinsky I, Chan AM, Ahmed OJ, Rao VR, Gradinaru V, Ramakrishnan C, Deisseroth K, Majewska AK, Cash SS (2013) Optogenetic Delay of Status Epilepticus Onset in an In Vivo Rodent Epilepsy Model. Plos One 8
16. Zhang F, Gradinaru V, Adamantidis AR, Durand R, Airan RD, de Lecea L, Deisseroth K (2010) Optogenetic interrogation of neural circuits: technology for probing mammalian brain structures. Nat Protoc 5: 439-56
17. Tonnesen J, Sorensen AT, Deisseroth K, Lundberg C, Kokaia M (2009) Optogenetic control of epileptiform activity. P Natl Acad Sci USA 106: 12162-12167
18. Aravanis AM, Wang LP, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K (2007) An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J Neural Eng 4: S143-56
19. Sidor MM, Davidson TJ, Tye KM, Warden MR, Diesseroth K, McClung CA (2015) In vivo optogenetic stimulation of the rodent central nervous system. J Vis Exp: 51483
20. Cardin JA, Carlen M, Meletis K, Knoblich U, Zhang F, Deisseroth K, Tsai LH, Moore CI (2010) Targeted optogenetic stimulation and recording of neurons in vivo using cell-type-specific expression of Channelrhodopsin-2. Nat Protoc 5: 247-254
21. Forcelli PA (2017) Applications of optogenetic and chemogenetic methods to seizure circuits: Where to go next? J Neurosci Res 95: 2345-2356
22. Gomez JL, Bonaventura J, Lesniak W, Mathews WB, Sysa-Shah P, Rodriguez LA, Ellis RJ, Richie CT, Harvey BK, Dannals RF, et al. (2017) Chemogenetics revealed: DREADD occupancy and activation via converted clozapine. Science 357: 503-507
23. Govorunova EG, Koppel LA (2016) The Road to Optogenetics: Microbial Rhodopsins. Biochemistry (Mosc) 81: 928-40
24. Dolgikh DA, Malyshev AY, Roshchin MV, Smirnova GR, Nekrasova OV, Petrovskaya LE, Feldman TB, Balaban PM, Kirpichnikov MP, Ostrovsky MA (2016) Comparative characteristics
49
of two anion-channel rhodopsins and prospects of their use in optogenetics. Dokl Biochem Biophys 471: 440-442
25. Paz JT, Huguenard JR (2015) Optogenetics and Epilepsy: Past, Present and Future. Epilepsy Curr 15: 34-38
26. Foutz TJ, Arlow RL, McIntyre CC (2012) Theoretical principles underlying optical stimulation of a channelrhodopsin-2 positive pyramidal neuron. Journal of Neurophysiology 107: 3235-3245
27. Govorunova EG, Sineshchekov OA, Janz R, Liu X, Spudich JL (2015) NEUROSCIENCE. Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics. Science 349: 647-50
28. Malyshev AY, Roshchin MV, Smirnova GR, Dolgikh DA, Balaban PM, Ostrovsky MA (2017) Chloride conducting light activated channel GtACR2 can produce both cessation of firing and generation of action potentials in cortical neurons in response to light. Neurosci Lett 640: 76- 80
29. Guru A, Post RJ, Ho YY, Warden MR (2015) Making Sense of Optogenetics. Int J Neuropsychopharmacol 18: pyv079
30. Berndt A, Deisseroth K (2015) OPTOGENETICS. Expanding the optogenetics toolkit. Science 349: 590-1
31. Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K (2005) Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci 8: 1263-1268
32. Zhang F, Wang LP, Boyden ES, Deisseroth K (2006) Channelrhodopsin-2 and optical control of excitable cells. Nat Methods 3: 785-92
33. Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, Bamberg E (2003) Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. P Natl Acad Sci USA 100: 13940-13945
34. Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Mustl AM, Bamberg E, Hegemann P (2002) Channelrhodopsin-1: A light-gated proton channel in green algae. Science 296: 2395-2398
35. Mathias Mahn LG, Katayun Cohen-Kashi Malina, Pritish Patil, Yoav Printz, Shir Oring, Rivka Levy, Ilan Lampl and Ofer Yizhar (2017) High-efficiency optogenetic silencing with soma- targeted anion conducting channelrhodopsins.
36. Mohammad F, Stewart JC, Ott S, Chlebikova K, Chua JY, Koh TW, Ho J, Claridge-Chang A (2017) Optogenetic inhibition of behavior with anion channelrhodopsins. Nat Methods 14: 271- 274
37. Mallat MW (2014) Human anatomy.
38. Espeel M (2014-2015) Embryologie en organogenese: functionele anatomie deel 1.
39. Rand S. Swenson MD, Ph.D. (2006) Review of Clinical and Functional Neuroscience.
40. HEINRICHER MM (2004) Microelectrode Recording in Movement Disorder Surgery.
41. Oxley TJ, Opie NL, John SE, Rind GS, Ronayne SM, Wheeler TL, Judy JW, McDonald AJ, Dornom A, Lovell TJ, et al. (2016) Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity. Nat Biotechnol 34: 320-7
42. Mark A. Suckow SHWaCLF (2006) The Laboratory Rat.
43. George Paxinos CW (2007) The rat brain in stereotaxic coordinates.
44. Han X, Qian X, Bernstein JG, Zhou HH, Franzesi GT, Stern P, Bronson RT, Graybiel AM, Desimone R, Boyden ES (2009) Millisecond-timescale optical control of neural dynamics in the nonhuman primate brain. Neuron 62: 191-8
45. Diester I, Kaufman MT, Mogri M, Pashaie R, Goo W, Yizhar O, Ramakrishnan C, Deisseroth K, Shenoy KV (2011) An optogenetic toolbox designed for primates. Nat Neurosci 14: 387-97
46. Kandratavicius L, Balista PA, Lopes-Aguiar C, Ruggiero RN, Umeoka EH, Garcia-Cairasco N, Bueno LS, Leite JP (2014) Animal models of epilepsy: use and limitations. Neuropsych Dis Treat 10: 1693-1705
47. Krook-Magnuson E, Armstrong C, Oijala M, Soltesz I (2013) On-demand optogenetic control of spontaneous seizures in temporal lobe epilepsy. Nat Commun 4
48. Wykes RC, Heeroma JH, Mantoan L, Zheng K, MacDonald DC, Deisseroth K, Hashemi KS, Walker MC, Schorge S, Kullmann DM (2012) Optogenetic and potassium channel gene therapy in a rodent model of focal neocortical epilepsy. Sci Transl Med 4: 161ra152
49. Mauss AS, Busch C, Borst A (2017) Optogenetic Neuronal Silencing in Drosophila during Visual Processing. Sci Rep 7: 13823
50
50. Mohamed GA, Cheng RK, Ho J, Krishnan S, Mohammad F, Claridge-Chang A, Jesuthasan S (2017) Optical inhibition of larval zebrafish behaviour with anion channelrhodopsins. BMC Biol 15: 103
51. Alfonsa H, Lakey JH, Lightowlers RN, Trevelyan AJ (2016) Cl-out is a novel cooperative optogenetic tool for extruding chloride from neurons. Nat Commun 7: 13495
52. Raimondo JV, Kay L, Ellender TJ, Akerman CJ (2012) Optogenetic silencing strategies differ in their effects on inhibitory synaptic transmission. Nat Neurosci 15: 1102-+

Universiteit of Hogeschool
Master of science in de biomedische wetenschappen
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Prof. Dr. Robrecht Raedt en Dr. Vincent Keereman
Kernwoorden
Share this on: