本方案描述了在皮层缺血性脑卒中后通过病毒介导的方式异位表达 Neurod1 的方法。Neurod1 的递送分为两种情况:(1)在脑卒中后亚急性期(7 天)利用 Cre-Flex AAV 系统在野生型小鼠中进行;(2)在脑卒中后慢性期(21 天)利用单个 AAV 载体在条件型报告小鼠中进行。
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本方案描述了在皮层缺血性脑卒中后通过病毒介导的方式异位表达 Neurod1 的方法。Neurod1 的递送分为两种情况:(1)在脑卒中后亚急性期(7 天)利用 Cre-Flex AAV 系统在野生型小鼠中进行;(2)在脑卒中后慢性期(21 天)利用单个 AAV 载体在条件型报告小鼠中进行。
异位表达神经发生因子 体内 已成为在疾病模型中替代丢失神经元的一种有前景的策略。利用神经基本螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子 通过 非复制型病毒样颗粒系统,包括逆转录病毒、慢病毒和腺相关病毒(AAV),已有大量报道。对于 体内 实验, 腺相关病毒(AAVs)因其低致病性及潜在的可转化性而被日益广泛应用。本方案描述了两种AAV系统,用于研究缺血性脑卒中后转导细胞中转录因子的异位表达。在这两种系统中,Neurod1的表达由短片段GFAP(gfaABC(1)D)启动子驱动,该启动子在脑卒中后反应性星形胶质细胞中上调,当与神经发生因子共表达时,也可在内源性神经元中激活。在所述的缺血性脑卒中模型中,通过向小鼠运动皮层注射内皮素-1(ET-1)诱导局灶性缺血,形成一个周围环绕着表达GFAP的反应性星形胶质细胞和存活神经元的病灶。在脑卒中后的亚急性期(7天)和慢性期(21天)进行脑内注射AAV,以在病灶区域异位诱导Neurod1的表达。AAV注射后数周内,与接受对照AAV病毒的小鼠相比,异位表达Neurod1的小鼠在转导细胞中检测到显著更多的神经元。所采用的基于AAV的策略成功复制了在轻度至中度皮层脑卒中模型中,表达报告基因的神经元数量增加的现象。本方案建立了一个标准化平台,可用于探索通过AAV系统递送的转录因子异位表达的影响,有助于深入理解脑卒中背景下神经发生因子的表达机制。 关键词:实验, 腺相关病毒, 缺血性脑卒中, Neurod1, GFAP启动子, 内皮素-1, 转录因子, 异位表达, 神经发生, 反应性星形胶质细胞, 脑内注射, 报告基因
脑卒中是全球范围内导致残疾的主要原因之一1。当脑部血液供应中断时,就会发生脑卒中。这种情况可能由出血性脑卒中(约占病例的15%)引起,即脑内血管破裂;也可能由缺血性脑卒中引起,即脑部血流受阻1。其中缺血性脑卒中最为常见,约占所有脑卒中病例的85%1。脑卒中会减少葡萄糖和氧气向脑组织的输送,导致神经元迅速死亡以及神经功能受损。
缺血性脑卒中通过兴奋性毒性、氧化和亚硝基化应激、钙稳态失调、皮层扩散性去极化、水肿、血脑屏障(BBB)破坏以及炎症等机制,在数分钟内导致病灶核心区域的细胞死亡2,3。梗死周围区域的细胞在卒中后数小时内开始发生凋亡性细胞死亡,并可持续数天4。梗死周围微环境暴露于促炎和抗炎信号之中,从而激活小胶质细胞和星形胶质细胞("反应性"星形胶质细胞),这些细胞在损伤后发挥多种作用5,6,7,8。反应性星形胶质细胞经历多种表型改变,包括胶质纤维酸性蛋白(GFAP)表达上调,并在卒中后数天内于病灶周围形成边界,这有助于限制病灶扩展,同时也影响受损组织内的神经可塑性8,9,10。
直接细胞重编程可将一种成熟细胞类型转化为另一种成熟细胞类型,而无需经过多能性状态11将脑内常驻细胞转化为新的神经元以替代因损伤而丢失的神经元,为脑功能修复提供了一条颇具吸引力的途径。鉴于中风治疗迫切需要能够替代丢失神经元、拓展治疗时间窗并最终促进功能恢复的治疗手段,因此成为基于细胞治疗的理想靶点。为此,已有大量研究论文证实了星形胶质细胞向神经元转分化的可行性 体外 和 体内 使用多种碱性-螺旋-环-螺旋(bHLH)神经发生转录因子,包括 Ascl1, Neurog2, Neurod1 以及最近出现的突变版本 Ascl1 (Ascl1-SA6) 其表现出更高的重编程效率11,12,13,14需要考虑的是,许多实验设计因素可能影响研究结果、解释以及不同研究之间的比较。Ghazale 等人证明,在使用相同的 bHLH 转录因子时,AtN 重编程效率在不同小鼠品系、AAV 血清型和启动子之间存在差异。14其他因素,如损伤模型、脑区、病毒剂量、基因递送时间、重编程因子及递送方式,均会影响实验结果。近期研究报道显示,预先存在的转导神经元曾被误认为是重编程获得的神经元15,16尽管这些报告并非必然否定AtN转化的发生,但这些研究强调了严格对照实验的重要性,且多篇论文已为该领域下一步的研究方向提出了建议15,17,18,19文献中显而易见的是,bHLH 转录因子的异位表达可在多种神经退行性疾病/损伤的动物模型中改善功能结局13,20,21,22,23,24.
本方案中,通过在转导细胞中异位表达目的转录因子Neurod113,22。采用成熟的内皮素-1(ET-1)诱导成年小鼠感觉运动皮层缺血性脑卒中的模型。ET-1注射可引起局部血管收缩,模拟缺血性脑卒中的病理生理过程,包括功能障碍22,23,25。利用常用的短片段GFAP启动子(gfaABC(1)D)驱动在损伤部位及周边区域异位表达Neurod1,采用两种病毒策略:(1)在野生型小鼠中联合注射AAV5-CAG-Flex::GFP与AAV5-GFAP-Neurod1-Cre;(2)在tdTom-Cre报告小鼠中单独注射AAV5-GFAP-Neurod1-Cre。为进一步探究Neurod1在卒中损伤脑组织中异位表达的潜力,病毒分别在卒中后亚急性期(7天)或慢性期(21天)给予。在两种实验范式中,异位表达Neurod1数周后均观察到显著增多的标记神经元。
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本方案已获得多伦多大学动物护理委员会的批准,并遵循 实验动物护理与使用指南 (2nd 版本,加拿大动物护理委员会,2017)。本研究使用野生型(C57BL/6J)和转基因 tdTom-Cre 报告小鼠(B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J)22 使用了小鼠品系。小鼠年龄为7-9周,包括雄性和雌性。所用试剂与设备的详细信息列于下文 材料表.
1. 内皮素-1 脑卒中手术
注意:所有外科手术器械和材料均在手术前通过高压灭菌器进行灭菌。立体定位仪使用 PREempt 进行消毒。注射器在手术前用 PREempt 和 70% 酒精消毒,并用无菌 PBS 预冲洗。内皮素-1(ET-1)在整个手术过程中保持冰上保存。
2. 脑卒中后7天(亚急性模型)或21天(慢性模型)给予腺相关病毒(AAV)
警告:操作腺相关病毒(AAV)时,请参考所在机构的生物安全指南。根据多伦多大学的指南,该手术应在生物安全二级(Containment Level 2)生物安全柜中进行。
注意:所有外科手术器械和材料在手术前均通过高压灭菌器进行灭菌。立体定位仪使用PREempt进行消毒。注射器使用PREempt和70%酒精消毒,并用无菌PBS预冲洗。AAV在手术过程中始终置于冰上保存。
3. 组织制备与解剖
4. 冷冻脑组织切片
5. 免疫组织化学与定量分析
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为了研究在野生型(C57BL/6J)和转基因 tdTom-Cre 报告小鼠品系(具体为 B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J)22 中,由短片段 GFAP(gfaABC(1)D)启动子驱动的异位 Neurod1 表达对细胞的影响,在 ET-1 脑卒中损伤小鼠模型中使用了两种基于 AAV5 的系统(图 1A-C)。在脑卒中的亚急性模型中,将 Neurod1 包装于 Cre-Flex AAV 系统中,并于脑卒中后第 7 天注射至野生型小鼠体内(图 1B)。第二种 Flex 载体包含由 CAG 启动子驱动的反向 GFP 序列,该序列两侧为异型、反向排列的 loxP 类型重组位点(图 1B)。两种病毒载体在同一时间点(脑卒中后)同时注射。一旦在转导细...
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本方案详细介绍了两种腺相关病毒(AAV)系统及小鼠模型,用于在轻度至中度内皮素-1(ET-1)诱导的皮层卒中模型背景下研究Neurod1的异位表达。关于ET-1卒中模型的多个关键步骤对于损伤的可重复性和一致性至关重要,需予以充分考虑。钻颅骨孔时必须小心操作,避免刺破硬脑膜,以防造成意外的手术损伤。应使用一致的解剖标志(本研究中为前囟点)以确保目标区域(本研究为感觉运动皮层)的一致性。这一点对于采用行为学评估的研究尤为重要,因为病灶的位置和大小将直接影响功能结果13,22,25,27。最为关键的是,ET-1的注射速率以及操作者在注射器上施加的压力必须保持一致,以获得可重复的结果。需要注意的是,注射器针头可能堵塞,因此在每只动物之间需进行清洁,以确保ET-1的准确递送。在进行组织细胞学分析时,若未观察到卒中病灶,则很可能在手术过程中针头 发生堵塞。如果问题持续...
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作者声明无竞争利益。
本工作得到了心脏与中风基金会、安大略再生医学研究所、加拿大卓越研究基金(卓越医学研究计划,Medicine by Design,MbD)以及康诺特创新奖(多伦多大学)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #77 钻头(.018)”) | David Kopf Instruments | 8177 | |
| AAV5-GFAP(0.7)-mNeurod1-2A-iCre | 载体 Biolabs | ||
| 可吸收缝合线(带针)Polysorb™ 聚酯线 CV-15 3/8 圆体锥形针 4-0号 编织线 | Covidien | GL-881 | |
| 抗NeuN抗体(兔) | Millipore Sigma | ABN78 | |
| C57BL/6 小鼠 | 查尔斯河实验室 | 027 | |
| 氯己定溶液 | Partnar | PCH-020 | |
| Contec™ PREempt™ 即用型消毒液 | Fisher Scientific | 29-636-6212 | |
| 冷冻切片机 | 赛默飞世尔科技 | HM525 NX | |
| 内皮素1 | Millipore Sigma | 05-23-3800-0.5MG | |
| 羽毛安全剃刀切片刀片 | 羽毛 | 12-631P | |
| Fisherbrand 盖玻片:矩形 | Fisher Scientific | 12-545M | |
| 荧光封片剂 | 安捷伦科技 | S3023 | |
| 汉密尔顿注射器 | Hamilton公司 | 7634-01 | |
| 高速立体定位钻机 | David Kopf Instruments | 1474 | |
| 美达佳溶液(美洛昔康) | 勃林格殷格翰 | ||
| O.C.T. 包埋剂 | Fisher Scientific | 23-730-571 | |
| pAAV2/5-GFAP-iCre | 载体构建 | P190924-1001suq | |
| Polyderm 软膏 USP | TARO | 2181908 | |
| SOMNI 科学™ 动物体温加热垫 | Fisher Scientific | 04-777-177 | |
| 立体定位仪 | David Kopf Instruments | Model 902 | |
| Superfrost Plus 显微镜载玻片,白色 | Fisherbrand | 12-550-15 | |
| tdTomato 报告基因小鼠 | 杰克逊实验室 | 007914 | |
| V-1 台式实验动物麻醉系统 | VetEquip | 901806 |
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