在青春期前大脑中表达病毒载体的能力对于研究脑发育的细胞和环路机制至关重要。本文介绍了一种在出生后第11至12天(P11-P12)的幼鼠中进行立体定位病毒注射手术的方案,并提供了术后护理的指导建议。
在青春期前大脑中表达病毒载体的能力对于研究脑发育的细胞和环路机制至关重要。本文介绍了一种在出生后第11至12天(P11-P12)的幼鼠中进行立体定位病毒注射手术的方案,并提供了术后护理的指导建议。
理解出生后阶段的发育、细胞和神经环路过程,对于阐明大脑发育的复杂性及其对行为与社会成熟的影响至关重要。从婴儿期到成年期的过渡伴随着显著的神经生物学变化,包括突触修剪和髓鞘化,这些过程对认知能力、情绪调节和社会互动具有基础性作用。通过研究青春期前小鼠的大脑发育,研究人员能够识别支持大脑健康生长的关键时期,并为神经发育障碍建立及时的干预策略。为了精确解析脑功能,立体定位手术已成为神经科学研究中的关键技术,能够以前所未有的精度靶向特定脑区,并实现病毒载体的递送。尽管立体定位手术在成年小鼠中已被神经生物学实验室广泛采用,但针对青春期前小鼠的立体定位手术操作指南极为有限,尤其缺乏确保幼鼠术后成功回归母鼠和同窝幼崽的关键护理措施。本文介绍了一种针对幼龄小鼠(P11-P12)的立体定位手术及病毒注射方案,重点阐述麻醉与镇痛给药、术后护理注意事项,以及与成年小鼠手术操作的差异。通过更新目标脑区的坐标参数,该方案可应用于任意感兴趣的脑区,并可调整用于出生后发育更晚阶段(如幼年期,P15-P30)的脑区靶向研究。总体而言,本方案为研究出生后大脑发育与功能提供了一个可行的起点。
婴儿期和青春期是大脑发育的关键产后阶段,其特征是髓鞘形成、突触生成和突触修剪,这些过程有助于神经环路的精细化1,2。社会行为(包括求偶、攻击性和社交游戏)的出现发生在围青春期(P28–40)3,并受到循环类固醇激素的严格调控4,5。尽管在解析成年个体社会行为细胞基础的工具方面已取得显著进展,但关于社会行为在产后发育过程中出现背后的神经机制仍知之甚少。导致对发育中社会环路理解不足的原因包括:1)在幼鼠中实施手术存在挑战,例如立体定位装置未针对更小龄小鼠进行优化;2)手术期间镇痛与麻醉的安全性和有效性难以平衡6;以及3)母鼠在术后对幼鼠的接受程度。此外,目前用于在早期产后时间点递送遗传载体的方法,例如胚胎内电穿孔7、新生小鼠脑内脑室病毒注射(P0–P10)8,或重组酶驱动系与响应系的遗传杂交9,均不够理想,因其缺乏精确靶向性,且主要聚焦于胚胎期或P0阶段的靶向操作。
本文提供了一种针对幼年小鼠(P11-P12)的立体定位手术简易方案及术后护理措施,以支持其术后顺利与母鼠及同窝幼鼠重新融合。本方案基于现有的成年小鼠立体定位手术流程10,仅需对立体定位装置进行微小调整。我们还详细介绍了幼年小鼠的术后护理、麻醉与镇痛操作的具体指导。选择P11-P12作为手术时间点,是因为病毒表达需要约两周的孵育期,因此可在P24开始进行in vivo检测,早于围青春期(P28-P40)3。然而,该方案同样适用于更晚时间点的立体定位手术。本研究聚焦于发育中的内侧杏仁核(MeA),这是杏仁核的一个亚区,以其在多种社会行为中的作用为特征11,12。我们特别关注表达Foxp2的MeA神经元亚群(MeAFoxp2)13,Foxp2是一种叉头框转录因子。我们先前的研究发现,在雄性小鼠出生后发育过程中,这些细胞在in vivo水平上对雄性感觉信号的处理具有独特的神经连接特性14。此外,MeAFoxp2神经元亚群在双向调控雄性领地攻击行为中起必需作用14。总体而言,本方案使神经科学家能够在脑发育的关键出生后阶段,将病毒载体精确递送至目标脑区,从而研究青春期及成年期社会行为与亲和行为的细胞与神经环路基础。
本实验程序已获得国家环境卫生科学研究所动物护理和使用委员会的批准,并符合美国国立卫生研究院关于动物使用与护理的指南。在手术过程中以及接触动物时,全程穿戴适当的人体防护装备,包括手套、口罩、一次性防护服、发网和鞋套。
1. 小鼠立体定位仪的准备与调整(图1)
2. 小鼠手术准备、立体定位放置、调平及开颅术
3. 病毒注射
4. 术后护理
异氟烷、布比卡因和美洛昔康联合用药在幼鼠手术中的安全性
在幼鼠中使用麻醉和镇痛药物的安全性仍不明确6。因此,我们测试了在幼鼠中联合使用麻醉和镇痛药物的方案,以评估其存活率。P11阶段的幼鼠(体重 = 6.09 ± 0.90 g,最低体重为3.9 g;n=13)被放入诱导室,接受3%异氟烷(氧气流速0.9 L/min)进行初始麻醉。当幼鼠失去意识且对足底回缩反射无反应时,将其转移至立体定位仪,并将异氟烷浓度降低至1.5–2%(氧气流速0.9 L/min),同时使用加热垫维持体温(41.23 ± 2.28 °C)。将幼鼠固定于立体定位仪后,皮下注射肩胛间区给予镇痛药物(5 mg/kg 美洛昔康),并在头部皮肤下方皮下注射局部麻醉药物(0.05 mg/mL 布比卡因)。30分钟后,将幼鼠从立体定位装置中取出并放入清洁笼具中。在给予镇痛药物30分钟后,观察到100%的存活率(13/13)。此外,在术后24小时和72小时以及成年期均未观察到任何并发症。这些结果表明,将局部麻醉药与非甾体抗炎药联合使用对幼鼠是安全的,并可有效减轻疼痛和应激反应。
精确且准确地将病毒递送至内侧杏仁核后部
为验证婴儿期立体定位手术中病毒递送的准确性和精确性,我们在出生后第11天(P11)将AAV2-hSyn-DIO-mCherry双侧注入Foxp2cre+/-雄性小鼠的MeApd区域(图3A)。小鼠在P21断奶。在P45时,按照本课题组14及其他研究者16先前描述的方法采集小鼠脑组织进行免疫组织化学染色和图像分析(图3B、C)。小鼠经麻醉后,以10 mL/min的速度先后灌注30 mL 1× PBS和30 mL 4%多聚甲醛(PFA)。脑组织在4% PFA中4 °C下后固定过夜,随后在30%蔗糖中进行 cryoprotection(冷冻保护),包埋于O.C.T.中,并在恒冷切片机上切成50 µm厚的切片。每隔三个切片取一片进行免疫组织化学处理,方法如前所述14。游离切片在10%正常驴血清中封闭,与一抗在4 °C孵育过夜,洗涤后与二抗(Alexa Fluor 488 AffiniPure 驴抗兔IgG (H+L))在室温孵育4小时,再次洗涤,最后用含DAPI的封片剂封片。脑切片使用Foxp2抗体进行染色。
为验证靶向效率,我们检测了mCherry的共表达情况+ 和 Foxp2+ MeA 中的细胞,观察到不同细胞群之间有 90.2% ± 2.1 的重叠,表明 mCherry 的表达以依赖 cre 的方式特异性局限于 Foxp2+ 细胞图3D)。该结果凸显了采用本方案进行病毒注射的高效性。此外,我们通过分析MeApd中mCherry+细胞占所有区域mCherry阳性细胞总数的百分比,评估了病毒注射的准确性。结果显示,MeApd区域的mCherry+细胞占比为93.7% ± 1.4+ 细胞位于MeApd内,表明病毒的空间表达局限于我们的目标区域(图3E).

图1:幼鼠立体定位手术装置示意图。(A)立体定位仪。(B)非穿刺式耳杆。(C)用于出生后12天(P12)幼鼠的气体麻醉头固定器及腭杆。(D)珠式灭菌器。(E)加热垫控制器。(F)立体定位臂。(G)纳升级注射器。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:P11 小鼠颅骨的主要解剖标志。(A) 婴儿期小鼠颅骨主要解剖标志的示意图。(B) 婴儿期小鼠头部通过特制的立体定位附件固定,包括无损伤耳杆、改良的气体头夹以及适用于 P12 小鼠的颗粒固定杆。缩写:RCS = 静脉窦前汇合点,SSS = 上矢状窦,RRV = 前嗅静脉,SOS = 上嗅窦。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:婴儿期立体定位手术后MeApd中的靶向双侧病毒表达。(A)MeApd的示意图(冠状面视图)。(B)Foxp2cre+/-成年雄性小鼠中Foxp2抗体(绿色)和mCherry+细胞(品红色)双侧表达的代表性组织学图像。(C)MeA区域合并通道及单独通道的放大视图。白色箭头表示共标记的Foxp2抗体和mCherry+细胞。(D)注射效率。(E)注射准确性。(D, E)n=3只小鼠,每只小鼠的左右半球。缩写:MeApd = 内侧杏仁核后背侧部;MeApv = 内侧杏仁核后腹侧部。请点击此处查看该图的放大版本。
| 方法 | 优点 | 缺点 | 参考文献 |
| 子宫内电穿孔 | 可转染较大质粒 | 缺乏精确定位、存在毒性、需要高操作技能 | Wang, et al., Methods Mol Biol. (2013). |
| 脑室内病毒注射 | 快速、简便、经济 | 缺乏精确定位、存在杀婴风险 | Kim, et al., J Vis Exp. (2014). |
| P0期立体定位微量注射 | 精确定位、母体排斥风险较低 | 病毒导致的细胞毒性、不适用于研究青春期后时间点 | Chen, et al., J Vis Exp. (2018). |
| 重组酶品系遗传杂交 | 非侵入性 | 缺乏精确定位、成本高 | Robertson et al., Nat Neurosci. (2013). |
表1:以往用于研究啮齿类动物细胞和环路胚胎及出生后发育的方法概述。
研究出生后发育过程中社会行为背后的神经机制,对于理解这些行为的产生方式以及环境因素或神经发育障碍如何破坏这些机制至关重要。本研究描述了一种详细的立体定位手术方案,可将病毒精确且高效地递送至出生后11-12天(P11-12)幼鼠的大脑中。因此,该方案允许在青春期前后利用病毒策略对分子定义的神经元亚群进行操控、记录和环路研究。我们重点介绍了术前和术后的改进措施与护理要点,以及一种对幼鼠耐受性良好的麻醉与镇痛药物组合方案。
婴儿期立体定位手术的一个关键且具有挑战性的环节是成功将幼鼠放回其原生笼子中,与母鼠及其同窝幼鼠团聚。为确保幼鼠在返回笼子后得到适当的照料,母鼠应将幼鼠叼回并进行理毛(但不应过度理毛),同时需密切监测任何可能的忽视迹象。由于幼鼠头部存在手术切口和缝线,母鼠可能会过度舔舐头部区域,从而导致缝线撕裂或脱落。这种情况将对幼鼠造成严重伤害,因此术后密切观察母鼠对幼鼠的行为对于确保其存活至关重要。为了提高母鼠在术后对幼鼠的接受程度,我们建议在缝合后使用过氧化氢和生理盐水清洁皮肤及毛发上残留的血迹,并使用比成年鼠更细的缝线(7-0,而成年鼠通常使用5-0)。采用这两种策略后,母鼠均能接受术后幼鼠。
此外,本研究为婴儿手术中麻醉和镇痛的安全使用提供了指导。这一点至关重要,因为新生儿和幼鼠对镇痛药和麻醉药的耐受性不如成年个体,可能导致严重的呼吸和心脏不良反应6。我们观察到,经口给予的异氟烷麻醉,以及皮下注射(分别在门齿间和头部皮肤下)美洛昔康与布比卡因联合镇痛,在幼鼠中耐受良好,并实现了长期存活。此外,我们先前的研究表明,在幼鼠接受立体定位手术后两周,其对同种个体的探究时间与未接受手术的同龄对照组幼鼠相似14。因此,这些结果表明幼鼠术后恢复充分,且未出现明显的运动功能缺陷。需要注意的是,本研究未在手术过程中持续监测血氧水平。应使用脉搏血氧仪监测血氧饱和度,以防止发生低氧血症17。
该方案的另一个关键组成部分是基于矢状面中线上的λ点和RCS的立体定位坐标系统15。RCS是一个解剖标志,定义为矢状面中线上矢状窦与嗅束上窦交汇处的连接点。研究表明,在头部整体对齐后,与其他背侧标志相比,该标志的位置变异性始终更低。这是因为与bregma/λ相比,RCS/λ之间更大的间距能够提高动物间水平角度的稳定性和可重复性15。
以往研究神经元发育的方法主要集中在胚胎期和出生后第0天(P0)的病毒学策略,或通过遗传杂交对目标细胞进行命运图谱分析(表1)。诸如子宫内电穿孔和脑室内病毒注射等技术缺乏精确的靶向性。在P0时期进行靶向病毒注射18,可通过将病毒载体精确注射至目标区域来克服这一问题。然而,病毒载体在数周后可能产生细胞毒性,导致细胞死亡。因此,若在新生个体脑内注射病毒载体以开展可能延续至成年期的长期青春期研究,可能并非理想选择。因此,我们的方法将病毒注射时间设定在出生后一周半,从而降低了青春期期间细胞毒性的风险。
尽管本方法具有诸多优势,但仍需考虑若干问题。首先,用于幼鼠的脑立体定位坐标需对成年鼠所用坐标进行调整。例如,在P11幼鼠中,我们采用以下坐标定位MeApd:X = +2.03 mm,Y = -4.20 mm,Z = -5.08 mm;而成年鼠所用坐标为X = +2.15 mm,Y = -5.00 mm,Z = -5.10 mm。遗憾的是,目前针对青春期前小鼠的脑图谱参考资源相对较少。19 比成年小鼠的(艾伦小鼠脑图谱,mouse.brain-map.org 和 atlas.brain-map.org)20,21因此,为了在MeA以外的其他脑区成功实现准确的病毒靶向,研究人员需要获得坐标的合理估计值,并进行坐标验证。其次,需要考虑AAV的孵育时间。AAV表达的最佳孵育时间 体内 至少需要2-3周。考虑到本实验方案中立体定位手术是在出生后第11天(P11)的幼鼠中进行,研究人员只能在术后经过最佳AAV孵育期后,即出生后第25天(P25)开始对小鼠进行检测。
总体而言,本方案为研究人员利用病毒载体在幼鼠中高精度靶向特定脑区提供了详细的指导。该方法具有显著优势,灵活性极高:可注射任何商业或自行构建的AAV载体。因此,该方法可用于研究分子定义的特定细胞亚群及其解剖环路、神经元动态以及在青春期前后这一与社会行为出现相吻合的关键时间窗口内的细胞功能。此外,该方法不仅适用于靶向杏仁核(如此处所示),还可成功靶向其他皮层下结构(如下丘脑)以及皮层区域。
作者声明无任何利益冲突。
我们感谢美国国立环境卫生科学研究所(NIEHS/NIH)比较医学处(CMB)的 Andrew Gorman 博士、Donna Webb 博士和 David Goulding 在啮齿类动物手术麻醉与镇痛最佳实践方面的宝贵讨论。我们还感谢 NIEHS 比较医学处全体成员对实验动物的悉心照护,以及神经行为回路研究组所有成员的支持。本研究由美国国立环境卫生科学研究所国家卫生研究院(NIEHS/NIH)院内研究计划(ZIA ES103403)(J.E.L.)资助。NIH 作者的贡献被视为美国政府作品。本文所述的研究发现和结论仅代表作者观点,不一定反映 NIH 或美国卫生与公共服务部的立场。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #75 钻头 | 钻头城 | 10WS75-850FL | |
| 27号针头 | Covetrus | 60757 | |
| 3% 过氧化氢 | 天鹅 | NDC 0809-0871-43 | |
| 32% 甲醛多聚物 | 电子显微镜科学公司 | 15714 | |
| AAV2-hSyn-DIO-mCherry | Addgene | 50459-AAV2 | |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure 驴抗兔IgG(H+L)(1:1000) | 杰克逊免疫研究公司 | 711-545-152 | |
| 分析天平 | 赛多利斯 | 1102--15 | |
| 聚维酮碘 | Avrio Pharmacy | NDC 67618-155-15 | |
| 布比卡因 | Hospira | NDC 0409-1163-18 | |
| 冷冻切片机 | Leica | CM1950 | |
| 体视显微镜 | 蔡司 | 2149-629 | |
| 眼膏 | 德克拉动物保健 | Puralube | |
| 含DAPI的Fluoromount封片剂 | 赛默飞世尔科技 | 00-4959-52 | |
| Foxp2 抗体(1:1000) | Atlas Antibody/Cosmo Bio | HPA000382 | |
| Foxp2cre+/- 小鼠 | 杰克逊实验室 | 30541 | |
| 用于P12幼鼠的气体麻醉头架和腭杆 | David Kopf Instruments | 1934-C | |
| 玻璃珠灭菌器 | Fisher Scientific | 10-000-632 | |
| 玻璃毛细管 | World Precision Instruments | 504949 | |
| 玻璃移液管夹持器 | David Kopf Instruments | 1975-1.2-A | |
| 加热垫 | Kent Scientific 公司 | RT-0520 | |
| 异氟烷 | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-10 | |
| 美洛昔康 | Pivetal 兽用供应公司 | NDC 46066-937-13 | |
| 微型钻机 | David Kopf Instruments | 1911型训练模型 | |
| Microfil 柔性针 | 世界精密仪器公司 | MF28G67-5 | |
| 显微镜载玻片 | 赛默飞世尔科技 | 12-550-15 | |
| 矿物油 | Sigma-Aldrich | M5904-500ML | |
| 纳升级注射器 | World Precision Instruments | NANOLITER2020 | |
| 不可吸收缝线 | AD手术 | S-N718SP13 | |
| 非穿透性耳杆 | David Kopf Instruments | 1921-A | |
| 正常驴血清 | 杰克逊免疫研究实验室 | 017-000-121 | |
| O.C.T. 包埋剂 | 樱花 | 4583 | |
| 立体定位仪 | David Kopf Instruments | 1900 | |
| 无菌棉签 | ULINE | S-21102 | |
| 无菌铺巾 | 布塞医院一次性用品 | 696 | |
| 无菌生理盐水 | Hospira | NDC 0409-1966-02 | |
| 无菌水 | Hospira | NDC 0409-4887-24 | |
| 蔗糖 | Fisher Chemical | S5-500 | |
| 注射器 | Fisher Scientific | 50-252-2568 |
本文已发表
视频即将推出