Name: 立体定向显微注射病毒载体表达Cre重组酶研究的靶基因的作用在可卡因条件性位置偏爱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-30T12:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: 学习利用立体定向显微注射技术在小鼠脑内注射表达Cre重组酶的病毒载体，研究靶基因在可卡因条件性位置偏爱行为获得、消退和重建阶段的作用机制。该方法为成瘾神经科学研究提供了精确的基因操作工具。

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作者谨此感谢 Anni Lee 和 Maureen Byrne 在建立扩展的条件性位置偏爱实验方案过程中提供的帮助。

所有操作均按照威尔康奈尔医学院机构动物护理和使用委员会的规定进行。
1. 病毒载体立体定位注射的准备与设置
<ol>
	<li>若器械、无菌棉签或戴无菌手套的手因接触非无菌表面而受到污染，应丢弃该器械或使用高温珠灭菌器重新灭菌，丢弃棉签或更换新的无菌手套。</li>
	<li>将带有垫料的小鼠笼置于加热块上，用于术后恢复时保温。</li>
	<li>准备电动剃刀以剃除头部毛发，并准备好乙醇和碘液用于头皮消毒。</li>
	<li>用70%乙醇擦拭立体定位仪的耳杆和口部固定装置。</li>
	<li>使用5 μl Hamilton注射器抽取5 μl病毒载体（1 × 106 病毒颗粒/μl），并将注射器安装至立体定位仪的注射器架上。</li>
	<li>开启微波加热垫或电热垫并放置于立体定位仪上，表面覆盖清洁的吸水垫以降低烫伤风险。在整个操作过程中频繁监测小鼠体温（维持在97–99.5 °F之间）。</li>
	<li>对体重在22–35 g之间的小鼠注射氯胺酮（100 mg/kg）和赛拉嗪（20 mg/kg）的混合物。麻醉后，轻捏尾尖以检查小鼠反射，观察是否有任何运动或反应，以确认小鼠已充分麻醉。</li>
	<li>剃除两耳之间及眼睛之间的头部毛发。</li>
	<li>使用乙醇和碘液浸湿的无菌棉签交替擦拭已剃净的头部进行清洁。</li>
	<li>将小鼠转移至立体定位仪上的加热垫上。</li>
</ol>
2. 病毒载体的立体定位微量注射
<ol>
	<li>手术全程佩戴无菌手套。若手套因接触非无菌表面而受到污染，应立即更换手套。</li>
	<li>将门齿杆和耳杆刻度归零。</li>
	<li>将动物门齿固定于门齿杆中。</li>
	<li>旋紧吻部固定装置。若发现动物出现抖动或胡须运动，应腹腔注射追加剂量（约 0.05 cc）的氯胺酮（100 mg/kg）与赛拉嗪（20 mg/kg）混合液。</li>
	<li>旋紧耳杆。</li>
	<li>使用 PuraLube 润滑眼睛。</li>
	<li>使用手术刀切开头皮至耳后。</li>
	<li>在头皮四角放置鳄鱼夹，将皮肤从颅骨上剥离。前囟（bregma）和后囟（lambda）应清晰可见。</li>
	<li>确保从前囟到后囟的矢状缝呈直线对齐。若缝线偏斜，需重新调整头部位置。</li>
	<li>检查立体定位仪的所有设置是否均已归零。</li>
	<li>将针尖置于前囟位置。</li>
	<li>测量前囟和后囟的全部坐标，包括背腹向、内外侧向和前后向坐标。</li>
	<li>调整头部位置，直至前囟和后囟的背腹向坐标相差在 0.02 mm 以内。</li>
	<li>对齐后，从前囟向内侧移动至目标内外侧（M/L）坐标。确保左右两侧对称，误差在 0.02 mm 以内。</li>
	<li>将针尖重新定位至前囟，然后沿前后向（A/P）移动至目标前后向坐标。</li>
	<li>如有必要，将针尖向一侧倾斜，并确保立体定位仪已锁定。移动至左侧 M/L 坐标（+/- 1.52）。</li>
	<li>测量颅骨顶部的腹侧位置，作为钻孔后参考位置。</li>
	<li>在目标坐标处使用无菌钻头钻孔。检查针尖能否无障碍穿过颅骨。</li>
	<li>将针尖下降至目标腹侧坐标。</li>
	<li>到达目标坐标后，再向下深入 0.015 mm 并保持约 10 秒，以形成容纳病毒载体的小腔隙。</li>
	<li>以约 0.1 μl/min 的速度注射目标体积的病毒载体。注射后等待 3 分钟，使病毒载体充分扩散。然后将针尖上提 0.015 mm，再等待 2 分钟。</li>
	<li>若进行斜向注射，将针尖向相反方向倾斜。再次记录颅骨顶部的腹侧位置作为参考。</li>
	<li>重复上述步骤，在对侧注射病毒载体（如进行双侧注射）。</li>
	<li>使用无菌棉签的木质端将骨蜡涂抹于两个孔洞，以封闭创口。</li>
	<li>缝合头皮。</li>
	<li>对伤口区域实施神经阻滞。</li>
	<li>将小鼠从立体定位仪中取出，放入预热的笼子中，在加热板上恢复 45 分钟。</li>
	<li>监测疼痛迹象，包括：整体活动减少或躁动不安、摄食和饮水减少、发声增加等。如有必要，可给予布托啡诺（0.05 - 0.2 mg/kg）每日两次，持续一周。可接受的替代药物包括：哌替啶（20-60 mg/kg）、喷他佐辛（10 mg/kg）、纳布啡（4-8 mg/kg）。</li>
</ol>
3. 条件性位置偏爱：获得、消退与复现
<ol>
	<li>将小鼠放入三室位置偏爱实验装置（Med Associates Inc., St. Albans, VT, USA）的中央室，关闭闸门，进行60秒的适应期。</li>
	<li>适应期结束后，打开闸门，允许小鼠自由探索所有三个房间，持续1,200秒，使用MedPC IV软件（Med Associates, Inc.）记录小鼠在每个房间所花费的时间。</li>
	<li>根据小鼠在预测试阶段的表现，将其分配至条件化房间。采用偏置设计，在随后的3天中，将药物注射与预测试阶段最不偏爱的房间配对。</li>
	<li>在接下来的3天条件化阶段，每天上午给予小鼠可卡因注射（10 mg/kg；腹腔注射），注射后立即将其限制在指定房间内1,200秒。该阶段结束后将小鼠放回饲养笼。4小时后，给予小鼠生理盐水注射（0.01 ml/g 体重），并在下午阶段将其限制在相对的房间内进行1,200秒的实验。</li>
	<li>为检测条件化获得情况，将小鼠再次放入中央室，关闭闸门，进行60秒的适应期。随后打开闸门，允许其自由探索1,200秒，使用MedPC IV软件（Med Associates, Inc.）记录在各房间停留的时间。通过从与可卡因配对房间所花费的时间中减去与生理盐水配对房间所花费的时间，计算偏好值。</li>
	<li>为消除位置偏爱，从获得测试后24小时开始，在同一装置中每天进行两次20分钟的自由探索实验，每次间隔至少2小时。再次记录各房间停留时间，并将每次消退实验的偏爱程度与初始条件化偏爱程度进行比较。</li>
	<li>通过评估连续两天消退实验中对特定房间的偏好是否显著低于获得阶段的偏好得分，判断小鼠是否已消除药物诱导的偏爱。</li>
	<li>使用可卡因引发剂量（5或10 mg/kg；腹腔注射）进行复燃处理，随后将小鼠重新放入装置中进行自由探索，并记录其在各分区停留的时间。</li>
	<li>注射Euthasol安乐死溶液（150 mg/kg）。经心脏灌注4%多聚甲醛（PFA），并进行组织学检查以验证微注射位点的准确性。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

通过立体定位微注射病毒载体并结合包含消退和复吸阶段的 CPP 范式，实现特定脑区和特定时间的基因敲除，从而能够研究基因在成瘾样行为三个不同阶段中的具体作用。虽然利用传统的 Cre-LoxP 系统实现的条件性基因敲除已可达到时空受限的基因失活，但通过立体定位技术将 Cre 重组酶微注射至特定脑区的 floxed 小鼠中，可实现对基因敲除时间和空间更为精确的控制。此外，该方法避免了发育过程中可能出现的代偿性改变，而这类代偿机制有时会导致基因敲除小鼠中表型变异不明显。更重要的是，通过对在行为学实验不同时间点接受微注射的小鼠队列进行研究，可建立基因表达变化与行为改变之间的因果关系。值得注意的是，该技术可应用于多种可卡因相关行为范式，包括自我给药和心理运动敏化。
手术后必须等待至少10-14天，以确保Cre重组酶达到最大程度的激活20。在此时间之前开始行为学测试，可能导致使用Cre表达未达最大水平的小鼠，从而使行为学结果难以解释。Cre的最大激活可实现基因的完全敲除，但这仅发生在实际被感染的细胞中。根据病毒载体的体积和滴度，特定脑区大约50-70%的细胞被感染，导致相应...

可卡因是一种具有高度强化效应的精神兴奋剂。反复暴露于可卡因后，与奖赏相关的脑环路会发生多种分子和细胞水平的适应性改变，这些改变被认为会导致强迫性觅药行为，从而引发高复发率，构成严重的临床问题1。可卡因通过调控基因表达来产生这些持久的行为效应。为了研究慢性使用可卡因所引发的适应性变化，研究人员广泛采用了临床前啮齿类动物模型。其中一种模型是条件性位置偏爱（conditioned place preference, CPP）范式。该模型涉及在先前中性的环境与可卡因的奖赏效应之间建立一种习得性关联。在将可卡因与特定环境多次配对后，允许动物自由探索与可卡因配对的环境和未与可卡因配对的环境；若动物更偏好与药物配对的区域，则认为其已形成可卡因诱导的位置偏爱。此外，在经过一段消退训练期后，该范式还可用于研究情境特异性的可卡因觅药行为的复现。
与其他成瘾样行为模型相比，如用于研究长期可卡因诱导的行为和分子可塑性的精神运动敏化模型2,3，以及被认为能更准确模拟人类成瘾样行为的自我给药（SA）模型，条件性位置偏爱（CPP）范式是一种研究可卡因情境学习的简单方法4。CPP实验方案可方便地扩展，加入消退和复燃阶段，类似于自我给药模型，从而可用于探究药物渴求和复吸的潜在机制5-7，并被认为能够重现人类觅药行为以及药物和线索诱发复吸过程中的某些特征8-10。
在条件性位置偏好（CPP）的不同阶段（包括获得、消退和复燃）中，可卡因诱导的行为可塑性背后的机制之一，是不同脑区内特定基因表达模式的激活。为了直接检验奖赏相关脑区中哪些基因介导了可卡因诱导的行为改变，有必要能够以脑区特异性的方式对这些基因进行选择性操控。实现这一目标的一种方法是：通过立体定位手术，将表达Cre重组酶的重组腺相关病毒（rAAV）载体微量注射到特定脑区，作用于那些目标基因两侧带有LoxP位点的小鼠（即floxed小鼠）。该方法可在分裂和非分裂的神经元中，实现对基因敲除的时间和空间位置的高度精确控制，且不会引发免疫反应11-13。相较于传统的Cre-LoxP技术——即通过将floxed小鼠与在内源基因启动子调控下表达Cre重组酶的小鼠杂交来实现基因敲除——该方法在基因删除的时间和分布调控方面具有更严格的优势。此外，病毒载体介导的基因敲除还可避免传统基因敲除策略中可能出现的发育代偿效应。
除了本文所述的可卡因条件性位置偏爱（CPP）外，将rAAV-Cre微量注射至基因floxed小鼠脑内以评估特定基因功能的方法，可广泛应用于包含不同阶段的行为范式，包括自我给药和精神运动敏化。例如，本实验室已利用rAAV-Cre技术研究Cav1.2 L型Ca2+通道在可卡因精神运动敏化中的作用14。具体而言，将rAAV-Cre微量注射至编码Cav1.2基因的floxed小鼠的伏隔核（NAc）中，证明了该区域的Cav1.2介导了精神运动敏化的表达阶段14,15。然而，若缺乏目标基因的floxed小鼠品系，则无法使用rAAV-Cre策略，这正是我们在评估Cav1.3 L型Ca2+通道在精神运动敏化中作用时所遇到的情况。因此，若缺乏针对特定目标基因的条件性小鼠模型，rAAV-Cre方法的应用将受到限制。然而，可使用表达siRNA的rAAV来实现目标基因的敲低，我们已采用该方法研究Cav1.3通道的作用14,15。
将rAAV-Cre微量注射到条件性基因敲除小鼠的特定脑区，随后在条件性位置偏爱（CPP）范式中进行测试，可研究介导成瘾样行为各个阶段的特定基因及其作用部位。该范式的应用有助于我们理解反复给予可卡因如何本质上劫持了大脑的奖赏环路，导致分子信号转导通路和基因表达发生适应不良性改变，从而引发成瘾状态1,16,17。

<table><tbody><tr><td>条件性位置偏爱实验活动箱</td><td>Med Associates, Inc., St. Albans, VT, USA</td><td>MED-CPP-MS</td><td></td></tr><tr><td>小鼠立体定位对准系统</td><td>David Kopf Instruments, Tujunga, CA, USA</td><td>model 900</td><td></td></tr><tr><td>Hamilton 注射器</td><td>Hamilton Company, Reno, Nevada, USA</td><td>7634-01</td><td></td></tr><tr><td>rAAV2-Cre-GFP</td><td>Vector BioLabs, Philadelphia, PA, USA</td><td>7016</td><td></td></tr><tr><td>rAAV2-GFP</td><td>Vector BioLabs, Philadelphia, PA, USA</td><td>7004</td><td></td></tr></tbody></table>

立体定位微量注射表达cre重组酶的病毒载体以研究靶基因在可卡因条件性位置偏爱中的作用

Stereotaxic Microinjection of Viral Vectors Expressing Cre Recombinase to Study the Role of Target Genes in Cocaine Conditioned Place Preference

将表达Cre重组酶的重组腺相关病毒（rAAV）载体微量注射至小鼠大脑的不同区域，可实现对目的基因的选择性敲除，相较于现有方法，该技术在时间特异性和区域特异性基因删除控制方面更具优势。虽然通过将特定基因启动子驱动Cre重组酶表达的小鼠与携带floxed基因的小鼠杂交，也可实现条件性基因删除，但立体定位微量注射技术能够使研究者根据实验需求，在特定时间点精准靶向大脑的特定区域。在可卡因条件性位置偏爱以及其他涉及戒断、消退和/或复吸阶段的可卡因行为范式（如自我给药或精神运动敏感化）研究背景下，该技术特别适用于探索靶基因在可卡因诱导的神经可塑性行为模型各个阶段中的独特作用。具体而言，该技术能够在行为的特定阶段选择性地敲除靶基因，从而检验这些基因在不同时间点对行为的贡献。最终，这种理解有助于开发更具靶向性的治疗策略，以更有效地应对成瘾行为各个阶段中出现的关键风险因素。

细胞穿膜肽
在对显微注射小鼠进行条件性位置偏爱（CPP）实验后，应验证对照组注射（rAAV-GFP）小鼠是否正常获得了对药物配对箱室的偏爱（图1A、1B）。当可卡因偏爱值（在可卡因配对箱室中停留的时间减去在生理盐水配对箱室中停留的时间）显著高于基线偏爱评分时，即认为小鼠已获得对特定箱室的偏爱（图1B，A与B比较）。如果作为群体的对照组注射小鼠未表现出对可卡因配对箱室的偏爱，甚至出现厌恶反应，应立即通过组织学方法验证病毒注射位点（参见rAAV注射部分），并对定位错误的小鼠予以剔除。
如果对照注射组小鼠已正常建立偏好，可随后通过启动消退阶段来扩展该实验范式（图1A；第6天及以后）。当小鼠在连续两个消退日对可卡因配对箱室的偏好得分显著低于获得阶段的偏好得分时，即认为其已消退了药物诱导的偏好（图1B，E3、E4、E5 与 A 比较）。此时，可给予药物激发以诱导复吸（图1A、1B</stron...

本文介绍了如何将病毒载体微量注射到小鼠脑内，随后在条件性位置偏爱范式中进行测试，该范式包括获得、消退和复燃三个阶段。

立体定位微量注射表达Cre重组酶的病毒载体以研究靶基因在可卡因条件性位置偏爱中的作用

将表达 Cre 重组酶的重组腺相关病毒（rAAV）载体微量注射到小鼠大脑的不同区域，以选择性敲除基因……

本实验的总体目标是，在条件性位置偏爱范式的不同阶段选择性地敲除目标基因，以检验这些基因在该行为随时间变化过程中的作用。首先通过立体定位微量注射表达Cre重组酶的重组腺相关病毒载体，随后让小鼠在各自的饲养笼中恢复10至14天，以实现Cre的充分激活。该实验的第三步是进行条件性位置偏爱测试，包括获得、消退和复燃阶段。实验的最后一步是对显微注射小鼠进行组织学检查，以验证显微注射位点的准确性。最终，可通过条件性位置偏爱行为学测试获得结果，显示基因敲除对获得、消退和/或复燃行为的影响。与现有的 CRE-loxP 交配系统等方法相比，该技术的主要优势在于能够更精确地控制基因敲除的时间和解剖学特异性，从而可分别研究基因缺失在行为各个阶段中的影响。该技术的应用前景涉及成瘾行为的治疗，因为它有助于深入理解潜在的遗传基础，即环境线索的暴露如何触发与可卡因相关的记忆，进而引发成瘾者的渴求和复吸。首先，将带有垫料的小鼠笼置于加热板上预热，以备术后恢复使用。准备电动剃须刀用于剃除头部毛发，并准备好乙醇和碘液以消毒头皮。使用70%乙醇擦拭立体定位仪的耳杆和咬合固定装置。用5微升Hamilton注射器吸取5微升病毒载体，并将其安装在立体定位仪的注射器固定架上。在小鼠腹腔注射氯胺酮-赛拉嗪混合物后，将微波加热的热敷垫或电热垫放置在立体定位仪上。根据文本方案，进行尾部夹捏以检查麻醉深度。随后，剃除耳朵和眼睛之间的头部毛发，并使用无菌棉签交替以乙醇和碘溶液擦拭清洁该区域。然后将小鼠转移至立体定位仪的加热垫上。调整齿条和耳杆刻度，将小鼠的门齿固定于齿条上，旋紧鼻部固定螺钉和耳杆。若观察到任何晃动或胡须运动，请重新调整。注射一剂氯胺酮-赛拉嗪混合物作为加强剂量。随后涂抹眼药膏以防止眼睛干燥。接着使用手术刀切开头皮，切口延伸至耳后。在头皮的四个角放置鳄鱼夹，以将皮肤从颅骨上剥离。确保前囟（Bgma）和后囟（Lambda）清晰可见。确认从前囟到后囟的缝线对齐，必要时重新调整头部位置。在确认立体定位仪的攻击参数已归零后，将针尖置于BMA位置。测量BMA和λ点的背腹、内外侧及前后坐标。然后调整头部位置，使BMA与λ点的腹侧坐标相差在0.02毫米以内。将针尖重新对准bgma，并从此点沿前后方向移动至目标坐标。接下来在目标坐标处钻一个孔。检查针尖能否无障碍地穿过颅骨，然后将针降低至目标腹侧坐标。到达目标坐标后，以大约每分钟 0.1 微升的速度将微量注射针头向下移动 0.015 毫米并维持约 10 秒，以形成容纳病毒载体的小腔隙；等待 3 分钟使病毒载体充分扩散后，注入所需体积的病毒载体；随后将针尖上提 0.015 毫米，并额外等待 2 分钟。注射完成后，使用骨蜡封闭两个钻孔，然后缝合头皮。最后，对伤口区域实施神经阻滞处理。将小鼠从立体定位仪上取出，放入预热的笼子中，并置于加热板上恢复 45 分钟至 1 小时。

stereotaxic-microinjection-viral-vectors-expressing-cre-recombinase

Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

立体定向显微注射病毒载体表达Cre重组酶研究的靶基因的作用在可卡因条件性位置偏爱

来源： Chen, S., et al., 新生小鼠脑纹状体细胞遗传学操作的立体定位手术。J. Vis. Exp. (2018)本视频演示了将编码 Cre 重组酶和绿色荧光蛋白（GFP）的病毒载体通过立体定位注射至基因改造小鼠幼崽的纹状体，以切除两侧带有 loxP 位点的 STOP...

立体定向显微注射病毒载体用于小鼠幼崽纹状体的基因操作

来源：Pereira, M. et. al., 通过脑内注射病毒载体在体内直接重编程常驻胶质细胞为中间神经元。J. Vis. Exp.

小鼠模型中胶质细胞重编程的立体定位病毒载体注射

来源：Fricano-Kugler, C. J., et al. 通过立体定位注射设计、包装和递送高滴度 CRISPR 逆转录病毒和慢病毒。J. Vis. Exp.

小鼠脑内靶向神经元基因编辑的立体定位病毒注射

microRNA 在脑结构和功能中具有重要作用。本文介绍一种通过立体定位注射表达 microRNA 的慢病毒载体以实现海马区 microRNA 过表达的方法。该方法可作为相对快速评估 microRNA 功能的手段 体内...

向小鼠海马CA1区立体定位注射表达microRNA的慢病毒及其行为学结果评估

病毒载体可实现靶向基因操作。本文演示一种在小鼠脊髓中进行条件性基因表达或基因剔除的方法，通过立体定位注射将病毒载体注入脊髓背角，此处是初级躯体感觉传入神经与中枢神经系统神经元之间突触联系的重要部位。...

在小鼠脊髓中进行病毒载体的立体定位注射以实现条件性基因操作

通过立体定位注射表达 cDNA 或 shRNA...

应用立体定位注射技术研究基因对动物行为的影响

啮齿类动物是研究行为和复杂精神疾病分子基础的合适模型。通过在清醒啮齿类动物中进行脑部微量注射，可用于阐明疾病的神经生物学基础。本文介绍了一种高效且可定制的脑部微量注射方法，以及用于量化动机的工具性条件行为范式。...

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高滴度CRISPR逆转录病毒与慢病毒的设计、包装及通过立体定位注射递送

我们描述了一种使用自制固定装置进行立体定位手术的方案，用于将试剂微量注射到新生小鼠脑的纹状体中。该技术可实现对新生小鼠脑特定区域神经元细胞的遗传操作。...

新生小鼠脑纹状体细胞基因操作的立体定位手术

学习利用立体定向显微注射技术在小鼠脑内注射表达Cre重组酶的病毒载体，研究靶基因在可卡因条件性位置偏爱行为获得、消退和重建阶段的作用机制。该方法为成瘾神经科学研究提供了精确的基因操作工具。

立体定位微量注射表达Cre重组酶的病毒载体以研究靶基因在可卡因条件性位置偏爱中的作用

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