Chemogenetic neuromodulation to improve the motor function in chronic capsular infarct

Abstract

뇌졸중은 신경손상에 따른 장기간의 신경 기능 장애를 일으키는 주요 원인중 하나다. 다양한 재활 훈련이 소개되어 적용되어 왔음에도 불구하고, 지금까지 치료방법은 뇌졸중 후 장애를 회복 시키는데 제한된 효과만 나타내어 왔었다. 최근들어 소개되고 있는 화학 유전자 자극 신경 조절은 세포 신호 전달이 정확하게 촉진/억제되는 뇌 자극 방법 중 하나다. 화학 유전학 신경 조절술을 통해 피질하 경색 뇌졸중 모델에서 뇌졸중 후 기능 회복을 유도할 수 있는지 확인하고자 우리 실험을 준비하였다. 뇌-혈관 장벽(BBB:blood brain barrier)를 쉽게 통과 할 수있는 Clozapine-N-Oxide(CNO)의 대사 산물인 clozapine을 화학 유전학 신경자극을 위해 사용하였다. AAV-hSyn-hM3Dq-EYFP 바이러스를 주입한 SD(Sprague Dawley) 쥐 (300-450g, 9 주령) 36마리에 피질하 경색 뇌졸중 모델을 제작하였다. clozapine (0.01mg/kg 또는 0.1mg/kg)을 복강내주입(i.p.) 혹은 모의 수술 그룹에서는 식염수를 투여하였고, 실험 과정 동안 실험쥐들에게 단일 펠렛 도달 작업 (SPRT)을 수행하여 운동기능을 평가하였다. 그리고 양성자단층촬영은 시간의 흐름에 따라 측정하였다. 2 주간의 자극 후, SPRT 점수는 0.01 및 0.1mg/kg의 clozapine 주입으로 뇌졸중 전 상태의 40% 와 60%까지 증가되었다. Clozapine 0.1mg/kg은 0.01mg/kg보다 현저히 빠른 회복을 나타냈다. FDG-MicroPET은 두 그룹에서 피질부 신경 해리 영역의 감소와 0.1mg/kg 그룹에서 반대측 선조체 활성화를 보여 주었다. 결과적으로 clozapine을 사용한 화학 자극은 뇌졸중 후 회복을 향상시키는 데, 용량에 따른 시간적 특성과 기능회복의 유익한 효과를 나타냈다|Stroke is the leading cause of long-term disability worldwide. Despite a variety of rehabilitation training, treatment option is very limited to promote the post-stroke disability so far. Chemogenetic neuromodulation is regarded one of the promising methods of brain stimulation in which cellular signaling is precisely turned on or off. We used the combination of clozapine and chemogenentic virus expression to confirm whether chemogenetic neuromodulation can rescue post-stroke deficit in capsular infarct model. To give a certain chemogenetic stimulation, we used the clozapine, a metabolite of CNO which can cross the BBB easily. Thirty-six Sprague Dawley rats (300–450 g, nine weeks old) with AAV-hSyn-hM3Dq-EYFP virus expressed underwent capsular infarct lesioning. Clozapine (0.01 mg/kg or 0.1mg/kg) was administered i.p. daily combined with single pellet reaching tasks (SPRT) in experimental group while sham-operation group was given saline. FDG-Micro possitron emission tomography (PET) and SPRT were measured in longitudinal manner. After two weeks of stimulation, SPRT score was increased up to forty to sixty percent of pre-stroke status with 0.01 and 0.1 mg/kg of clozapine trial. However, 0.1 mg/kg of clozapine showed the significant faster recovery than 0.01 mg/kg. FDG-MicroPET showed the reduction of cortical diaschisis in both groups and increased subcortical activation of the contra-lateral striatum in 0.1mg/kg group. Chemogenetic stimulation with minimal dose of clozapine showed the beneficial effect in enhancing the post-stroke recovery.