Pinnacle | 小動(dòng)物一站式癲癇監(jiān)測(cè)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(tuán)隊(duì)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(kāi)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(dòng)物模型相結(jié)合，彌補(bǔ)了現(xiàn)有抗癲癇藥物篩選過(guò)程中過(guò)渡依賴急性嚙齒動(dòng)物模型和不適合高通量實(shí)驗(yàn)的缺陷。

研究中實(shí)驗(yàn)者使用多電極陣列（MEA）法測(cè)定了14中天然化合物（α-細(xì)辛酮、姜黃素、長(zhǎng)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(shí)在斑馬魚(yú)和小鼠模型中在體測(cè)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(zhǎng)春西汀，小檗堿，五味子甲素）對(duì)于iPSCs誘導(dǎo)神經(jīng)元對(duì)癲癇樣活動(dòng)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(yú)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(yú)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(yàn)證不同化合物在小鼠模型中抗癲癇作用的實(shí)驗(yàn)方案采用的是美國(guó)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(dòng)物的EEG和EMG信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)動(dòng)物腦區(qū)和頸部肌肉的異常放電可對(duì)動(dòng)物的癲癇發(fā)作事件進(jìn)行專業(yè)分析。目前國(guó)際上大小鼠EEG/EMG采集系統(tǒng)廣泛得應(yīng)用于癲癇監(jiān)測(cè)和抗癲癇藥物開(kāi)發(fā)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，美?guó)Pinnacle 是其中的佼佼者，自產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)已有數(shù)千篇SCI文獻(xiàn)發(fā)表，國(guó)際認(rèn)可度極高。

二、產(chǎn)品介紹

美國(guó)Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)共有有線式和無(wú)線式兩套方案，分別適合于大小鼠不同類型的癲癇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，根?jù)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(wàn)向轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)規(guī)避動(dòng)物活動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)采集線纜產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、纏繞等現(xiàn)象，保證動(dòng)物腦電肌信號(hào)采集過(guò)程中自由活動(dòng)不受束縛。獨(dú)特的頭戴式前置放大器設(shè)計(jì)將腦電信號(hào)進(jìn)行放大和過(guò)濾，旨在最大程度降低信號(hào)偽影（包括運(yùn)動(dòng)偽影），再加上數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行二次數(shù)據(jù)放大和過(guò)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(jì)，4通道系統(tǒng)在腦電肌電采集基礎(chǔ)上，擴(kuò)展光遺傳、腦內(nèi)化學(xué)物質(zhì)測(cè)量或加速度測(cè)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(guò)更換前置放大器的類型即可進(jìn)行電生理檢測(cè)參數(shù)的擴(kuò)展，如2EEG/1EMG/1opt為腦電肌電光遺傳檢測(cè)，2EEG/1EMG/1Accelerometer為腦電肌電加速度檢測(cè)，2EEG/1EMG/1bio為腦電肌電生物傳感器檢測(cè)等，從而將EEG/EMG與光遺傳、生物活性物質(zhì)、加速度測(cè)量等相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)癲癇模型動(dòng)物EEG/EMG的同時(shí)，通過(guò)光遺傳刺激和/或電刺激調(diào)控癲癇發(fā)作事件，通過(guò)檢測(cè)動(dòng)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(guò)程中的作用機(jī)制等一系列神經(jīng)電生理學(xué)研究。

監(jiān)測(cè)腦電肌電同時(shí)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(wú)線式EEG/EMG采集系統(tǒng)

無(wú)線式EEG/EMG采集系統(tǒng)利用輕巧的無(wú)線穩(wěn)壓器裝置在動(dòng)物頭部即完成腦電肌電信號(hào)的數(shù)字化處理，并通過(guò)藍(lán)牙傳輸至電腦采集軟件進(jìn)行處理分析。該系統(tǒng)對(duì)動(dòng)物活動(dòng)范圍限制更小，動(dòng)物更加接近于自由活動(dòng)時(shí)的生理狀態(tài)，特別適合與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)合使用，如采用Racine評(píng)分系統(tǒng)評(píng)價(jià)大小鼠癲癇發(fā)作嚴(yán)重程度，結(jié)合運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)器記錄動(dòng)物癲癇狀態(tài)下的活動(dòng)量評(píng)估癲癇對(duì)動(dòng)物活動(dòng)能力的影響，或搭配Morris水迷宮和Y迷宮等評(píng)估癲癇對(duì)動(dòng)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(wú)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(dòng)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(gè)研究方向的動(dòng)物模型EEG/EMG信號(hào)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(qǐng)參考上海玉研科學(xué)儀器往期公眾號(hào)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(píng)分方法，輔助以頻譜圖和熱圖等工具,快速輔助研究者進(jìn)行癲癇發(fā)作時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和發(fā)作次數(shù)等事件的統(tǒng)計(jì)和分析。

頻譜圖	熱圖

SEIZURE PRO專業(yè)版分析軟件操作簡(jiǎn)單，利于上手，對(duì)新手用戶非常友好，整個(gè)過(guò)程僅需三步即可完成癲癇事件的識(shí)別和標(biāo)記，當(dāng)用戶分析類似的信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)可直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的儲(chǔ)存模板進(jìn)行分析。

1、將典型的癲癇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

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

3、軟件掃描整個(gè)記錄文件，篩選并識(shí)別與靶標(biāo)相似的癲癇發(fā)作事件并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

SEIZURE PRO可對(duì)模型動(dòng)物的EEG/EMG波形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的功率分析、線長(zhǎng)分析、峰值頻率分析、癲癇持續(xù)時(shí)間分析和癲癇事件統(tǒng)計(jì)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(duì)抗海馬過(guò)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(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)人員利用GPR55 KO小鼠模型驗(yàn)證了大麻二酚可通過(guò)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(guò)度興奮性以發(fā)揮潛在的抗癲癇作用。實(shí)驗(yàn)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(hào)，利用美國(guó)pinnacle 公司的SIRENIA? SEIZURE PRO分析軟件對(duì)腦電癲癇事件進(jìn)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(shí)間的非顯著趨勢(shì)（p=0.11）。

2、顳葉癲癇小鼠模型中海馬CA2區(qū)興奮性增強(qiáng)及其對(duì)癲癇發(fā)作活動(dòng)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(guó)Pinnacle EEG/EMG采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組小鼠進(jìn)行腦電肌電采集，實(shí)驗(yàn)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(yàn)；t=2.352，df=16；*p=0.032；n=17只小鼠），而CNO對(duì)非抽搐型癲癇發(fā)作持續(xù)時(shí)間沒(méi)有顯著影響。

美國(guó)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(cè)和分析的研究方面秉持開(kāi)拓創(chuàng)新的生產(chǎn)理念，持續(xù)不斷地開(kāi)發(fā)和完善大小鼠腦電肌電癲癇監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期與Pinnacle公司保持友好合作關(guān)系，為國(guó)內(nèi)外科研工作者者提供國(guó)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.