Diese Studie führt chemogenetische und auf violettes Licht basierende Strategien ein, um eine zuverlässige zirkadiane Phasenverschiebung am Tag zu ermöglichen.
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Methodenartikel
Diese Studie führt chemogenetische und auf violettes Licht basierende Strategien ein, um eine zuverlässige zirkadiane Phasenverschiebung am Tag zu ermöglichen.
Bei Säugetieren ist die zirkadiane Phasenverschiebung tagsüber durch eine verminderte photische Reaktion des suprachiasmatischen Kerns (SCN) begrenzt, was die Fähigkeit einschränkt, die circadiane Uhr experimentell zu manipulieren. Zuverlässige Methoden zur induzierten Tagesphasenverschiebung sind daher unerlässlich, um Mechanismen der circadianen Plastizität und der photischen Entrainment zu untersuchen. Komplementäre genetische und spektrale Strategien werden beschrieben, um eine robuste, zeitlich präzise Manipulation der zirkadianen Uhr tagsüber zu ermöglichen. Der erste Ansatz, der derzeit auf Mäuse beschränkt ist, verwendet eine chemogenetische Strategie, bei der intravitreale Abgabe von Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) selektiv intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglionzellen (ipRGCs) aktiviert werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine kontrollierte Aktivierung des retinohypothalamischen Wegs und induziert reproduzierbare Tagesphasenverschiebungen unabhängig von den Umgebungslichtverhältnissen. Der zweite Ansatz nutzt wellenlängenspezifische optische Stimulation als nicht-invasive Alternative. Die Exposition gegenüber violettem Licht nutzt die spektrale Empfindlichkeit von ipRGCs, um den Depolarisationsblock zu reduzieren und eine anhaltende Aktivierung zu fördern, was eine zuverlässige Phasenzurücksetzung während des subjektiven Tages ermöglicht. Diese Methode ist breit auf Säugetiersysteme anwendbar und erfordert keine genetische Manipulation oder pharmakologische Intervention. Detaillierte Protokolle für die experimentelle Vorbereitung, das Stimulationszeitpunkt, die Validierung von Phasenverschiebungen mittels lokomotorischer Aktivität und die Bewertung der neuronalen Aktivierung mittels c-Fos-Immunhistochemie werden bereitgestellt. Wichtige Überlegungen, darunter zirkadiane Zeit, Stimulusparameter und experimentelle Kontrollen, werden vorgestellt, um die Reproduzierbarkeit zu erleichtern. Zusammen bieten diese Ansätze vielseitige und experimentell handhabbare Werkzeuge zur Induzierung von tagsüber zirkadianen Phasenverschiebungen und ermöglichen eine direkte Untersuchung der Mechanismen der Tagesreaktion.
Der suprachiasmatische Kern (SCN), die Hauptzirkadianuhr des Säugehirns, koordiniert wesentliche tägliche Rhythmen in Physiologie und Verhalten, einschließlich Schlaf-Wach-Zyklen und Fressmuster. Um die Ausrichtung auf die äußere Umgebung aufrechtzuerhalten, erhält das SCN direkte photische Eingaben von intrinsisch lichtempfindlichen retinalen Ganglienzellen (ipRGCs), die Netzhautlichtinformationen übertragen, um interne zirkadiane Rhythmen mit dem Sonnentag 1,2 zu synchronisieren.
Ein definierendes Merkmal zirkadianer Systeme zwischen Organismen ist die phasenabhängige Reaktionsfähigkeit: Derselbe Reiz, der zu unterschiedlichen zirkadianen Zeiten abgegeben wird, kann deutlich unterschiedliche Effekte hervorrufen. Bei Säugetieren induziert nächtliches Licht zuverlässig Phasenverschiebungen der SCN-Uhr, während die Belichtung während des subjektiven Tages kaum oder keineZurücksetzung von 3,4 verursacht. Diese offensichtliche Tagesunempfindlichkeit wurde sowohl in vivo als auch in vitro konsistent beobachtet, bei denen Versuche, photische Eingaben zu imitieren, keine signifikanten Phasenverschiebungen hervorrufen 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 .
Die Tagesunempfindlichkeit wurde zumindest teilweise auf einen unzureichenden Netzhautantrieb zurückgeführt, um Phasenrücksetzungsmechanismen zu aktivieren, sowie auf zirkadiane Gating im SCN. Im Einklang mit dieser Idee reagieren ipRGCs unter photopischen Bedingungen nicht einheitlich; Eine Teilmenge tritt in den Depolarisationsblock ein, was das Dauerwirkungspotenzialbei 17,18,19 begrenzt. Diese physiologische Einschränkung kann die Wirksamkeit konventioneller Photikstimulation tagsüber verringern. Die Überwindung dieser Einschränkung würde eine direkte Abfrage der Plastizität der Tagesuhr ermöglichen, einer Phase, die traditionell als refraktär gegenüber der Fotografie gilt.
Zwei komplementäre Methoden werden beschrieben, um eine robuste Phasenverschiebung der circadianen Uhr während des subjektiven Tages zu ermöglichen. Der erste Ansatz verwendet eine chemogenetische Strategie, um ipRGCs selektiv unabhängig von den Umgebungslichtverhältnissen zu aktivieren. Konkret erhalten Opn4Cre/+ -Mäuse intravitreale Injektionen eines adenoassoziierten Virus (AAV), das den exzitatorischen Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADD), hM3Dq, in cre-abhängiger Weise codiert. Die Verabreichung von Clozapin-N-oxid (CNO) zur circadianen Zeit 4 (CT4) induziert eine burstartige Auslösung von ipRGCs, was eine anhaltende Aktivierung des retinohypothalamischen Pfades19 ermöglicht. Phasenverschiebungen werden mittels Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität quantifiziert, und die molekulare Aktivierung im SCN wird mittels c-Fos-Immunhistochemie bewertet.
Der zweite Ansatz verwendet wellenlängenspezifische optische Stimulation als nicht-invasive Strategie für eine breitere Anwendbarkeit. Wildtyp-Mäuse sind violettem Licht (385 nm) zur circadianen Zeit 6 (CT6) während der subjektiven Tagesmitte ausgesetzt. Violettes Licht erzeugt einen reduzierten Depolarisationsblock und unterstützt eine anhaltende ipRGC-Aktivierung im Vergleich zu blauem oder weißemLicht 19. Phasenverschiebungen werden wie oben beschrieben quantifiziert.
Beide Ansätze zielen darauf ab, die ipRGC-gesteuerte Signalübertragung zum SCN zu verbessern und so die reduzierte Photo-Responsivität des subjektiven Tages zu überwinden. Zusammen bieten diese Methoden robuste, experimentell handhabbare Strategien zur Manipulation der circadianen Uhr während einer Phase, die traditionell widerstandsfähig gegen eine photische Zurücksetzung ist.
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Alle Tierverfahren wurden von den Richtlinien des National Institute of Mental Health (NIMH) Animal Care and Use Committee (ASP-SLCR-01) genehmigt und durchgeführt. Alle Anstrengungen wurden unternommen, um Schmerzen zu minimieren und die Anzahl der eingesetzten Tiere zu reduzieren. Die verwendeten Forschungswerkzeuge sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Chemogenetische Strategie
2. Spektrale Strategie
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Opn4Cre/+ -Mäuse, die AAV-DREADD ausdrückten und bei CT4 Kochsalzlösung erhielten, zeigten keine signifikante Phasenverschiebung in der Radbewegung (n = 5; Abbildung 1B). Im Gegensatz dazu führte die Verabreichung des CNO bei CT4 zu einer signifikanten Phasenverzögerung beim Aktivitätsbeginn (Mittelwert ± SEM: 5,03 ± 0,48 H; n = 5; Abbildung 1C, D), was zeigt, dass die DREADD-Aktivierung in dieser zir...
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Die Ergebnisse zeigen, dass die Aktivierung von ipRGCs während des subjektiven Tages zirkadiane Phasenverschiebungen bei Mäusen auslösen kann, eine Zeit, die typischerweise durch eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber photischer Stimulation gekennzeichnet ist. Ein chemogenetischer Ansatz ermöglichte eine selektive Aktivierung von ipRGCs unabhängig von externem Licht und erzeugte robuste Phasenverzögerungen im Radlaufverhalten. Diese Aktivierung induzierte auch eine akute c-Fos-Expres...
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Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| AAV2-hSyn-DIO-hM3D(Gq)-mCherry | Addgene | 44361 | Cre-abhängiger viraler Vektor, der den exzitatorischen DREADD (hM3Dq) codiert, der mit mCherry für die selektive ipRGC-Aktivierung verschmolzen ist |
| Anti-c-Fos-Antikörper (kaninchenmonoklonal) | Cell Signaling Technology | 2250S | Primärantikörper zur Detektion von c-Fos als Marker für neuronale Aktivierung |
| Anti-tdTomato-Antikörper (Ziege) | LSBio | LS-C340696 | Primärantikörper zur Detektion der mCherry/tdTomato-Reporterexpression |
| Blue LED driver | Thorlabs | LEDD1B | Stromversorgung zur Kontrolle der Intensität und Ausgabe des blauen LED |
| Blue LED light source | Thorlabs | M470L5 | LED-Quelle, die blaues Licht (λmax ≈ 470 nm) für photische Stimulation emittiert |
| ClockLab software | Actimetrics | Version 6.0.53 | Software für die Erfassung und Analyse zirkadianer Lokomotoraktivitätsdaten |
| Clozapine-N-oxid (CNO) | Sigma-Aldrich | C0832-5MG | Ligand zur Aktivierung von hM3Dq DREADD-Rezeptoren in vivo |
| DAPI | Invitrogen | 62248 | Fluoreszierende nukleäre Färbung zur Markierung von Zellkernen |
| Donkey anti-goat Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A21432 | Fluoreszierende Sekundärantikörper zur Detektion von Ziegen-Primärantikörpern |
| Donkey anti-rabbit Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21206 | Fluoreszierende Sekundärantikörper zur Detektion von Kaninchen-Primärantikörpern |
| Fluoromount-G | Invitrogen | 00-4958-02 | Einbettmedium zur Erhaltung der Fluoreszenz in Gewebeschnitten |
| ImageJ (Fiji) software | NIH | Version 2.16.0/1.54g | Open-Source-Software zur Bildverarbeitung und quantitativen Analyse |
| Opn4cre Mäuse | The Jackson Laboratry | RRID:IMSR_JAX:035925 | Mäuse, die für chemogenetische Aktivierung verwendet werden |
| Violet LED driver | Mightex | SLA-1000-2 | Stromversorgung zur Steuerung der violetten LED-Ausgabe |
| Violet LED light source | Mightex | BLS-LCS-0385-04-22 | LED-Quelle, die violettes Licht (λmax ≈ 385 nm) für wellenlängenspezifische Stimulation emittiert |
| Wild-Typ-Mäuse | The Jackson Laboratry | Jackson strain #101043 | Mäuse, die für das violette Licht-Experiment verwendet werden |
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