本方案展示了一种新方法,通过向新生大鼠出生后5至10天的体躯运动皮层注射顺向化学遗传修饰剂,并向颈段脊髓注射可逆向运输的Cre重组酶,实现对特定细胞亚群的基因治疗。
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本方案展示了一种新方法,通过向新生大鼠出生后5至10天的体躯运动皮层注射顺向化学遗传修饰剂,并向颈段脊髓注射可逆向运输的Cre重组酶,实现对特定细胞亚群的基因治疗。
成功克服制约新生大鼠研究的障碍,对于探究儿童脊髓损伤(SCI)与成人脊髓损伤在预后上的差异至关重要。此外,将治疗手段可靠地导入中枢神经系统(CNS)的目标细胞也具有挑战性,任何不准确的操作都可能影响研究或治疗的效果。本方案结合病毒载体技术与一种新型外科手术方法 ,可在出生后第5天精准地将基因治疗导入新生大鼠体内。在此过程中,一种经改造可进行逆向运输的病毒(retroAAV2-Cre)被注射至脊髓内皮质脊髓神经元轴突末梢处,并随后被逆向运输至胞体。随后,将携带双floxed 反向插入序列(DIO)的、仅由设计药物激活的设计受体(DREADD)病毒注射至脑部躯体运动皮层。这种双重感染技术可促进DREADD仅在共感染的皮质脊髓束(CST)神经元中表达。 因此,同时向躯体运动皮层和颈段CST末梢进行共注射,是研究新生大鼠颈段SCI模型后化学遗传学调控恢复过程的有效方法。
尽管脊髓损伤(SCI)在儿童人群中相对罕见,但其具有极强的创伤性,会导致永久性残疾,需要极为周密的长期规划。此外,与成人人群相比,更大比例的儿童脊髓损伤属于颈段损伤且为完全性损伤1,2。在哺乳动物中普遍存在的一种特征是,新生个体在脊髓损伤后的恢复能力显著优于成年个体,这为研究年轻群体中恢复机制的驱动因素提供了机会3,4,5。尽管如此,针对新生和幼年啮齿类动物的研究仍较少,部分原因在于幼年动物解剖结构更为紧凑,精确靶向特定神经元群体的技术难度更高6。本文重点介绍将高效顺行性和逆行性腺相关病毒载体直接注射至大鼠脊髓,结合Cre依赖性DREADDs技术调控主要运动通路,从而拓展多模态再生研究的应用范围。
病毒载体是重要的生物学工具,具有广泛的应用,包括引入遗传物质以替代靶基因、上调生长蛋白以及描绘中枢神经系统(CNS)的解剖结构7,8,9。脊髓运动通路的许多解剖学细节曾通过经典示踪剂(例如生物素化葡聚糖胺)进行研究。尽管传统示踪剂在揭示神经解剖结构方面发挥了关键作用,但其也存在局限性:即使注射位置准确,它们也会非特异性地标记通路,且已有研究发现它们可被受损轴突摄取10,11,12。因此,在再生研究中,这可能导致错误解释,例如将断裂的轴突误认为是再生的纤维。
以下方法采用近期在调控研究中广泛使用的双病毒载体系统,将两种不同的病毒载体分别导入同一神经元的两个不同区域13,14一种是可局部感染投射神经元胞体的载体;另一种是可从投射神经元的轴突末梢逆向运输的逆向载体图1)。逆向病毒载体携带Cre重组酶,局部载体则包含 "Cre-On" 双flox序列,其中编码一种荧光蛋白(mCherry)。该天然转基因序列相对于启动子呈反向排列,并在其两侧各有一个LoxP位点图2)。因此,mCherry 仅在双重转导的投射神经元中表达,其中 Cre 重组酶介导 LoxP 位点之间的重组事件,使转基因方向翻转至正确的读码框,从而允许 DREADD 和荧光蛋白同时表达。一旦病毒转基因处于正确方向,在需要时即可通过另行注射的配体(即氯氮平-N-氧化物)短暂诱导神经调节。该方案旨在验证在新生儿中进行可诱导性神经调节的研究,其中通过注射 DREADD 以选择性调控皮质脊髓束(CSTs)。双病毒系统起到保险作用,确保所有 DREADD 阳性神经元 细胞在荧光下可被追踪,且具有高保真性,可用于验证注射效果。
该方法还有助于弥补新生儿研究领域的空白。小儿脊髓损伤(SCI)具有其独特挑战,针对再生、 sprouting(出芽)或可塑性的研究应强调新生儿与成体之间的差异3,15,16,17。通过优化手术操作,并结合尼氏染色进行前期解剖学研究,验证了颅内和脊髓注射的定位坐标。本研究旨在提供一种可对新生大鼠进行双侧注射、且具有更高准确性和存活率的方法。
在本模型中,以颅骨前囟为参考定位,将顺行性病毒载体注射至躯体运动皮层的细胞体中18,19。对于脊髓注射,则将逆行性病毒载体注射至脊髓V–VII层,该区域是皮质脊髓束(CST)轴突终末的所在位置20,21。目前仍有许多基础性问题尚待阐明,例如不同损伤模型对幼年动物的影响有何特异性,以及其后续功能恢复过程与成年动物相比存在哪些差异。本研究展示了一种可靠的方法,可用于研究新生啮齿类动物颈段脊髓损伤及其前肢功能的恢复能力。相比之下,以往大多数研究主要关注腰段或胸段脊髓损伤后的运动功能恢复5,22,23,24。通过将双病毒载体系统与本文所述的新型注射技术相结合,该实验方案有助于缓解新生啮齿类动物研究中可能遇到的某些难题(例如存活率问题)。该方法具有可靠性高、操作性强和适用范围广的特点:通过对该技术进行细微调整,即可实现对不同神经通路的靶向标记,例如腹侧皮质脊髓束、背侧皮质脊髓束以及上行性背侧通路。
对于该系统,首先在目标神经元胞体所在区域注射一种局部作用的病毒(例如 AAV2)。随后,在该神经元群体的轴突末梢处注射第二种可逆向运输并调控局部病毒表达的病毒。因此,根据定义,只有皮质脊髓神经元会被标记。选择带有组成型活性 CMV 启动子的 retroAAV-Cre 病毒,因为该穿梭质粒可用于产生多种 AAV 血清型,以实现多种细胞类型中 Cre 依赖性的基因表达。对于皮层注射,选用 AAV2,并由 synapsin-1 启动子驱动转基因表达,以将表达限制在神经元中。由于这种双病毒系统更依赖于目标神经元群体的起源和投射终点,因此只要启动子能够在目标神经元群体内驱动目的基因表达,便可使用多种不同的启动子。例如,兴奋性神经元特异性启动子 CamKII 可替代 synapsin-1 启动子。除了使用这些 AAV 血清型外,还可利用高效逆向转运的慢病毒(HiRet)25 实现对未成熟神经元以及(程度较轻的)成年皮质脊髓运动神经元的逆向转运。HiRet 慢病毒采用嵌合型狂犬病病毒/VSV 糖蛋白,以靶向突触部位的摄取并实现逆向运输。结合 Tet-On 启动子,该双病毒系统可实现依赖于逆向运输的诱导型基因表达26,27。
逆向病毒可将载体插入目标神经元的突触间隙,使其被该细胞的轴突摄取并运输至胞体。尽管慢病毒载体在基因治疗研究中已取得巨大成功,并能实现长期表达,但本研究转向使用腺相关病毒(AAV)载体,主要基于以下几个简单原因26,28:AAV更具经济性,效果相当,且由于其生物安全等级较低,操作上的后勤负担更小29,30,31,32。虽然最常用的血清型AAV2在皮质脊髓束(CST)轴突的转染中表现出较强的效率,但未来研究者应注意,AAV1具有一定灵活性,因其可实现跨突触标记,从而为后续研究提供多种可能的应用方式33。最后的一项改进是将Cre重组酶编码于逆向病毒中,以便同时引入多种顺向病毒载体,从而减少不必要的实验室病毒浪费,并最大化DREADDs以正确方向表达的可能性。
最终,本方案展示了同时向大脑皮层和颈椎部位注射,分别特异性靶向皮质脊髓束的胞体和轴突末梢。在大脑皮层和脊髓中均可见高保真转染效果。尽管所述方案针对5日龄的Sprague Dawley大鼠优化而成,但经过对麻醉条件进行微调后,亦适用于出生后4至10日龄的幼鼠。 立体定位坐标
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以下所有外科手术和动物护理程序均已获得天普大学动物护理与使用委员会的批准。所述方案为可存活手术,动物在完成相应时间点后,通过腹腔注射100 mg/kg戊巴比妥钠实施安乐死。
1. 术前准备
2. 麻醉与手术部位准备
3. 手术区域与器械准备
4. 实施开颅手术并暴露躯体运动皮层

图3:相对于前囟的颅内注射坐标(毫米)示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。
5. 加载病毒并定位注射器
6. 向躯体运动皮层注射病毒
7. 创建脊柱窗以进行精确的脊髓注射
8. 靶向轴突末梢的脊髓内直接注射
9. 伤口闭合与术后护理
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成功注射并运输病毒载体后,应实现脊髓和运动皮层单侧神经元的转导。图4展示了在脑冠状切片的运动皮层中表达Cre依赖性DREADDs-mCherry的V层皮质脊髓束神经元,该切片同时接受了对侧脊柱注射rCre。切片经dsRed抗体染色。

图1:本方案所使用的双病毒注射方法示意图。
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使用可注射的化学遗传学修饰剂对脑活动进行可诱导的基因调控,是研究脊髓损伤(SCI)后恢复机制的有力工具。当结合荧光示踪技术在组织学上验证解剖学精度时,对可诱导G蛋白偶联受体(DREADD)的靶向准确性进一步提高。本文介绍了一种可靠的方法,用于探索抑制或激活特定神经通路(使用兴奋性或抑制性DREADD)是否能够促进轴突再生或 sprouting34,35。将一种可逆向运输的病毒载体注射至脊髓,可特异性标记特定神经元群体,无论是直接标记还是通过其突触连接进行标记,使该方法成为评估神经损伤后神经生物学反应的理想选择。
如上所述,通过新生动物模型研究脊髓损伤(SCI),以阐明儿科人群与成人人群之间此前未知的差异,只会使研究更加复杂。因此,研究设计范围更窄。新生动物研究领域的共识是,SCI 后观察到的改善效果依赖于轴突再生能力的增强和出芽增加,这种现象在啮齿类动物出生后约第 7 天之前存在3,
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由儿童烧伤医院(Shriners Hospitals for Children)提供的研究员资助项目 SHC-84706 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #11 手术刀片 | Roboz | RS-9801-11 | 用于手术刀。 |
| #10 手术刀片 | Roboz | RS-9801-10 | 用于手术刀。 |
| 1 mL 注射器 | Becton, Dickinson and Company | 309659 | 用于麻醉的皮下注射和液体推注 |
| 4.0 丝线缝合线 | Ethicon | 771-683G | 用于皮肤缝合 |
| 4.0 铬制羊肠线缝合线 | DemeTECH | NN374-16 | 在闭合过程中重新结合肌肉。 |
| 48000 微量移液器斜面打磨仪 | 世界精密仪器公司 | 32416 | 用于修整拉制后的玻璃毛细管尖端,以制备功能性玻璃针。 |
| 5% 碘溶液 | Purdue Products L.P. | L01020-08 | 用于手术部位的消毒。 |
| 70% 乙醇 | N/A | N/A | 用于新制备玻璃针的灭菌,以及手术准备过程中的动物模型 |
| 氯胺酮(Ketaset) | 硕腾 | 240048 | 用于在手术期间维持动物处于正确的意识状态。 |
| 珠式灭菌器 | CellPoint | 5-1450 | 对手术器械进行加热灭菌。 |
| 电子天平 | Okaus | REV.005 | 用于手术准备过程中称量动物体重。 |
| 柔性针头连接装置 | World Precision Instruments | MF34G-5 | 用于清洗玻璃针并装填红色油染料至玻璃针中。 |
| 玻璃毛细管 | World Precision Instruments | 4878 | 对于拉制的玻璃针,应设计用于纳升注射器。 |
| 止血钳 | Roboz | RS-7231 | 适用于外科手术的常规使用。 |
| 中弯钳 | Roboz | RS-5136 | 用于外科手术的常规用途。 |
| 带游标刻度的显微操作器 | Kanetec | N/A | 用于手术中的精确定位。 |
| 显微剪 | Roboz | RS-5621 | 用于切割新拉制的玻璃毛细管上的玻璃丝。 |
| 标准实验室立体定位仪 | 斯托尔廷 | 51600 | 固定新生儿立体定位仪支架 |
| 带小鼠的实验室标准 &和新生儿适配器 | 51615 | 用于颅脑手术和脊髓注射期间的新生儿颅骨固定 | |
| 带有光度计和游标尺目镜的显微镜 | Leitz Wetzlar | N/A | 用于观察和测量拉制玻璃毛细管形成功能性玻璃针时的斜面情况。 |
| 微注射泵控制器 | World Precision Instruments | 62403 | 控制注射速率。 |
| 纳升级2000泵头注射器 | 世界精密仪器公司 | 500150 | 以受控方式加载并注射病毒。 |
| 针头拉拔器 | Narishige | PC-100 | 将玻璃毛细管加热并拉伸,以制成玻璃针。 |
| pAAV-CMV-scCre | 吴实验室 | Cre 质粒 | |
| pAAV-hSyn-DIO-hM3Dq-mCherry(质粒 #44361) | Bryan Roth’通过Addgene获取实验室的s基因 | DREADD 质粒 | |
| Parafilm | 贝米斯 | PM-996 | 为协助将病毒装入纳米注射器。 |
| PrecisionGlide 针头(25G × 5/8) | Becton, Dickinson and Company | 305122 | 用于1 mL和10 mL注射器,以便对动物模型进行注射。 |
| 大鼠牙齿镊 | Roboz | RS-5152 | 用于抓握棘突。 |
| 红油 | N/A | N/A | 为观察病毒在注射过程中进入组织提供可视化条件。 |
| 牵开器 | Roboz | RS-6510 | 用于撑开手术切口。 |
| 咬骨钳 | Roboz | RS-8300 | 在手术过程中去除脊柱上的肌肉。 |
| 手术刀片刀柄 | Roboz | RS-9843 | 用于手术过程中切开动物模型的皮肤和脂肪垫。 |
| 剪刀 | Roboz | RS-5980 | 适用于外科手术的常规使用。 |
| 移除订书钉镊子 | Kent Scientific | INS750347 | 若订书钉安装不当,需将其拆除。 |
| 无菌布 | Phenix Research Products | BP-989 | 为手术提供无菌操作表面。 |
| 无菌棉签 | 普尔itan | 806-WC | 在保持无菌的同时吸收手术伤口中的血液。 |
| 无菌纱布 | Covidien | 2146 | 在保持无菌的条件下清洁手术区域和手术器械。 |
| 无菌生理盐水 | Baxter Healthcare Corporation | 281324 | 用于血液净化及术后体液替代。 |
| 外科手套 | N/A | N/A | 供外科医生在手术过程中维持无菌区域使用。 |
| 手术加热垫 | N/A | N/A | 用于维持动物模型在手术期间的体温。 |
| 手术显微镜 | N/A | N/A | 为了更清晰地观察手术切口。 |
| 外科吻合器 | Kent Scientific | INS750546 | 应用缝合钉。 |
| 水循环加温垫 | Baxter Healthcare Corporation | L1K018 | 用于术后恢复区,以维持无意识动物的体温。 |
| 加权钩 | N/A | N/A | 用于撑开手术切口。 |
| 液体创可贴 | NewSkin | 985838 | 术后沿缝线涂抹以促进伤口愈合 |
| 金属丝笼灯 | ZooMed | LF10EC | 帮助动物从麻醉中恢复并自然维持体温 |
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