我们展示了一种技术 体内 在SJL/J小鼠多发性硬化实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型中进行视神经炎和脑炎的活体生物发光与近红外成像。
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我们展示了一种技术 体内 在SJL/J小鼠多发性硬化实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型中进行视神经炎和脑炎的活体生物发光与近红外成像。
实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)在SJL/J小鼠中是复发-缓解型多发性硬化症(RRMS)的模型。描述运动功能缺陷的临床EAE评分是脊髓免疫介导炎症的基本读数。然而,评分和体重无法提供 体内 评估脑部炎症和视神经炎。后者在约2/3的多发性硬化症患者中是一种早期且常见的表现。本文展示了利用生物发光和近红外活体成像技术,在活体小鼠中评估实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)诱发的视神经炎、脑部炎症以及血脑屏障(BBB)破坏的方法。 体内 成像系统。由氧化酶激活的生物发光底物主要显示视神经炎。该信号具有特异性,可实现对药物效应和疾病进程的可视化,且与临床评分相一致。采用在血管内停留较长时间的聚乙二醇化荧光纳米颗粒评估血脑屏障(BBB)完整性。近红外成像在疾病高峰期检测到BBB渗漏,信号在眼部周围最强。使用基质金属蛋白酶的近红外底物评估EAE诱导的炎症反应。自发荧光干扰了信号检测,需通过光谱分离进行定量分析。总体而言,生物发光成像是一种可靠的方法,可用于评估EAE相关的视神经炎及药物效应,在信号特异性、稳健性、定量便捷性和成本方面均优于近红外成像技术。
多发性硬化症是由自身免疫介导的对脑和脊髓中髓鞘的攻击与破坏所引起的1。该病在女性中的年总发病率为每10万人中约3.6例,在男性中约为2.0例,是继创伤性损伤之后导致青壮年神经功能障碍的第二大常见原因2,3。多发性硬化症的疾病病理机制受到遗传和环境因素的共同影响4,但目前尚未被完全阐明。自身反应性T淋巴细胞进入中枢神经系统,触发炎症级联反应,导致脑、脊髓和视神经白质区域出现局灶性浸润。在大多数情况下,这些浸润最初是可逆的,但随着复发次数的增加,病变持续存在的可能性也随之上升。目前已开发出多种啮齿类动物模型用于研究该疾病的病理过程。其中,SJL/J小鼠的复发-缓解型实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型和C57BL6小鼠的原发进展型EAE模型是最常用的两种模型。
临床EAE评分(描述运动功能缺损程度)和体重是评估EAE严重程度的金标准。这些临床表现与脊髓中免疫细胞浸润和髓鞘破坏的程度相一致,并可在一定程度上预测药物治疗在人类中的疗效。5然而,这些体征主要反映的是脊髓腹侧纤维束的损伤。目前尚无一种简便、无创、可靠且可重复的方法来评估 体内 活体小鼠脑部浸润和视神经炎
的 体内 成像技术符合Russell和Burch(1959)提出的“3R”原则,该原则主张 R替换, R教育,以及 R动物实验的优化6,因为成像技术可在多个时间点增加单个动物的检测指标读数,从而减少总体动物使用数量。目前,炎症或髓鞘状态主要通过以下方式评估 离体 通过免疫组织化学、FACS分析或不同的分子生物学方法7,均需在特定时间点处死小鼠。
已开发出多种用于评估皮肤、关节和血管系统炎症的活体成像系统探针。这些技术依赖于组织过氧化物酶(包括髓过氧化物酶(MPO)、基质金属蛋白酶(MMPs)8和组织蛋白酶9或环氧化酶2)对生物发光或近红外荧光底物的激活。这些探针主要在关节炎或动脉粥样硬化模型中得到了验证9,10。一种对组织蛋白酶敏感的探针也已被用于实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的荧光分子断层成像11。基质金属蛋白酶(尤其是MMP2和MMP9)参与了EAE中蛋白酶介导的血脑屏障破坏,并在免疫细胞浸润部位表达上调12,提示这些探针可能适用于EAE的成像。这一推论同样适用于基于过氧化物酶或组织蛋白酶的探针。从技术上讲,对脑或脊髓中的炎症进行成像具有更大挑战性,因为颅骨或脊柱会吸收生物发光和近红外信号。
除了炎症指标外,已有研究描述了一些可特异性结合髓鞘的荧光化学物质,可能用于髓鞘化程度的定量分析13。一种近红外荧光探针——3,3'-二乙基硫三碳菁碘化物(DBT)——被发现可特异性结合有髓神经纤维,并已在原发性髓鞘形成缺陷的小鼠模型以及铜唑酮诱导的脱髓鞘模型中被验证为一种定量分析工具14。在实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型中,DBT信号反而增强,反映了髓鞘纤维的炎症状态5。
EAE和MS的另一个特征是血脑屏障(BBB)破坏,导致血管通透性增加,血液细胞、细胞外液和大分子物质渗出进入中枢神经系统实质。这可能导致水肿、炎症、少突胶质细胞损伤,并最终引发脱髓鞘15,16。因此,使用荧光探针(如荧光染料标记的牛血清白蛋白5)对BBB渗漏进行可视化观察可能有助于评估EAE,这类探针在正常情况下从血液向组织的分布极为缓慢。
在本研究中,我们评估了不同探针在实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)模型中的应用价值,并展示了最可靠且稳健的生物发光技术的操作步骤。此外,我们还讨论了近红外探针在检测基质金属蛋白酶(MMP)活性和血脑屏障(BBB)完整性方面的优缺点。
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1. SJL/J 小鼠中 EAE 的诱导
2. 视神经炎和脑部炎症的生物发光与近红外成像
3. 图像分析
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视神经炎生物发光的时间进程
炎症探针的生物发光信号在眼睛周围最强,且仅出现在患有视神经炎的实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)小鼠中。未患EAE的小鼠或未注射炎症探针的小鼠均未出现信号。当小鼠恢复时,该信号消失。因此,该信号对视神经炎具有特异性,且信号峰值与临床EAE评分的峰值相一致。图1展示了SJL/J小鼠在诱导EAE后第10天和第14天成像的两个示例。生物发光信号在第10天达到最高,随后小鼠开始恢复时信号消失。临床评分的时间进程与生物发光信号的消失相吻合(示例-1),或早于评分的下降(示例-2)。
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本视频展示了生物发光和近红外荧光的技术方法 体内 在SJL/J小鼠中进行EAE成像。我们显示,利用对炎症敏感的探针进行生物发光成像主要可检测到视神经炎,其定量结果与EAE严重程度的临床评估及药物治疗效果相一致。然而,该生物发光成像方法未能检测到腰段脊髓的炎症,而腰段脊髓是EAE表现的主要部位17,这可能是因为信号被脊柱吸收所致。
近红外成像灵敏度更高,但会受到较强自发荧光干扰,而生物发光则不存在这一问题。近红外成像的曝光时间(1 - 2 s)远短于生物发光成像(2 - 5 min),因此在信号强度快速变化的时间序列实验中,近红外成像是首选方法。
方案中的关键步骤及技术局限性
免疫接种部位的信号会干扰EAE中的脊髓成像,但通过将两个注射部位均置于尾根部,可避免这一问题,该注射位置的效果不逊于推荐的注射部位(颈部和尾根部)。然而,必须使用黑色布料遮盖注射部位。
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作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本研究由德国研究基金会(CRC1039 A3)、黑森州“科学经济卓越发展计划”(LOEWE)、转化医学与药理学研究中心(TMP)以及Else Kröner-Fresenius基金会(EKFS)研究培训组“转化研究创新-制药”(TRIP)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AngioSpark-680 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, USA | NEV10149 | 成像探针,聚乙二醇化纳米颗粒,用于血脑屏障完整性的成像 |
| MMP-sense 680 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, USA | NEV10126 | 成像探针,可被基质金属蛋白酶激活,用于炎症成像 |
| XenoLight RediJect Inflammation Probe | Perkin Elmer, Inc., Waltham, USA | 760535 | 成像探针,可被氧化酶激活,用于炎症成像 |
| PLP139-151/CFA 乳剂 | Hooke Labs, St Lawrence, MA | EK-0123 | EAE 诱导试剂盒 |
| 百日咳毒素 | Hooke Labs, St Lawrence, MA | EK-0123 | EAE 诱导试剂盒 |
| IVIS Lumina Spectrum | Perkin Elmer, Inc., Waltham, USA | 生物发光与红外成像系统 | |
| LivingImage 4.5 软件 | Perkin Elmer, Inc., Waltham, USA | CLS136334 | IVIS 分析软件 |
| 异氟烷 | Abbott Labs, Illinois, USA | 26675-46-7 | 麻醉剂 |
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