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

一、應用背景

2023年11月南昌大學藥學院張春波課題組和墨爾本莫納什大學神經科學系Patrick Kwan團隊在Journal of Advanced Research雜志上發表了一篇題為“An integrated in vitro human iPSCs-derived neuron and in vivo animal approach for preclinical screening of anti-seizure compounds”的文章，文中詳細闡述了研究者開發了一套臨床前抗癲癇藥物（ASM）高通量篩查（HTS）模型，即將體外人源誘導性多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）誘導神經元和體內動物模型相結合，彌補了現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神經培養物種抑制癲癇樣發作的能力，同時在斑馬魚和小鼠模型中在體測試了這些物質的抗癲癇作用，結果顯示8種天然化合物（胡椒堿，厚樸酚，α-細辛腦，蛇床子素，姜黃素，長春西汀，小檗堿，五味子甲素）對于iPSCs誘導神經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種物質在斑馬魚和小鼠在體電生理模型中具有抗癲癇表現，而在iPSCs誘導神經元模型中未表現抗癲癇能力的物質在斑馬魚和小鼠在體電生理模型中也未表現出抗癲癇作用。

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神經電生理產品，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，通過監測動物腦區和頸部肌肉的異常放電可對動物的癲癇發作事件進行專業分析。目前國際上大小鼠EEG/EMG采集系統廣泛得應用于癲癇監測和抗癲癇藥物開發的動物實驗模型，美國Pinnacle 是其中的佼佼者，自產品問世以來已有數千篇SCI文獻發表，國際認可度極高。

二、產品介紹

美國Pinnacle EEG/EMG采集系統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模型，根據動物癲癇發作的類型，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

Pinnacle有線式EEG/EMG系統采用低扭矩萬向轉向器設計規避動物活動對數據采集線纜產生扭轉、纏繞等現象，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），再加上數據采集器進行二次數據放大和過濾，從而可獲得異常干凈的數據波形。該系統又分為3通道和4通道，3通道系統專為癲癇腦電肌電采集而設計，4通道系統在腦電肌電采集基礎上，擴展光遺傳、腦內化學物質測量或加速度測量等功能，適合更為全面的神經生理學研究。

4通道EEG/EMG系統通過更換前置放大器的類型即可進行電生理檢測參數的擴展，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、加速度測量等相結合，可以實現在監測癲癇模型動物EEG/EMG的同時，通過光遺傳刺激和/或電刺激調控癲癇發作事件，通過檢測動物腦內谷氨酸、乳酸和葡萄糖等物質的釋放濃度，探究不同神經遞質在癲癇發作過程中的作用機制等一系列神經電生理學研究。

監測腦電肌電同時記錄腦內乳酸和葡萄糖濃度變化

光遺傳調控小鼠癲癇發作事件

2. 無線式EEG/EMG采集系統

無線式EEG/EMG采集系統利用輕巧的無線穩壓器裝置在動物頭部即完成腦電肌電信號的數字化處理，并通過藍牙傳輸至電腦采集軟件進行處理分析。該系統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，特別適合與行為學實驗聯合使用，如采用Racine評分系統評價大小鼠癲癇發作嚴重程度，結合運動計數器記錄動物癲癇狀態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EEG/EMG采集系統在大小鼠睡眠方向的應用，請參考上海玉研科學儀器往期公眾號推文。

3. 專業版癲癇分析軟件

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作時間、持續時間和發作次數等事件的統計和分析。

頻譜圖	熱圖

SEIZURE PRO專業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記，當用戶分析類似的信號數據時可直接調用數據庫中的儲存模板進行分析。

1、將典型的癲癇數據存儲到數據庫中；

2、從數據庫中選擇一個癲癇事件用于篩選靶標，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，篩選并識別與靶標相似的癲癇發作事件并進行統計分析。

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

三、應用案例

1、大麻二酚調節興奮抑制比以對抗海馬過度活躍

2023年4月紐約大學格朗尼醫學中心Evan C. Rosenberg等學者在《Neuron

》雜質尚發表了一篇名為“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源性膜磷脂溶血磷脂酰肌醇（LPI）的突觸效應和抑制G蛋白偶聯受體GPR55的過度興奮性以發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作的潛伏期（p=0.04），并產生了縮短腦電圖發作持續時間的非顯著趨勢（p=0.11）。

2、顳葉癲癇小鼠模型中海馬CA2區興奮性增強及其對癲癇發作活動的影響

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區在顳葉癲癇（TLE）中發揮的作用，研究者采用美國Pinnacle EEG/EMG采集系統對實驗組和對照組小鼠進行腦電肌電采集，實驗中發現使用氯氮平-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對非抽搐型癲癇發作持續時間沒有顯著影響。

美國Pinnacle公司在大小鼠腦科學神經電生理領域包括癲癇監測和分析的研究方面秉持開拓創新的生產理念，持續不斷地開發和完善大小鼠腦電肌電癲癇監測技術，以助力廣大科研工作者在腦科學研究領域取得新的科研突破。上海玉研儀器科學有限公司長期與Pinnacle公司保持友好合作關系，為國內外科研工作者者提供國際前沿的神經電生理技術解決方案。

四、用戶名單

五、更多文獻

 [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.