פרוטוקול זה מדגים שיטה חדשנית ליישום טיפולים גנטיים על תת-אוכלוסיות של תאים בחולדות ילודים בגילאים שלאחר הלידה 5-10 ימים על ידי הזרקת משנה כימוגנטית אנטרוגרדית לקליפת המוח הסומטומוטורית ורקומבינאז Cre הניתן להובלה רטרוגרדית לחוט השדרה הצווארי.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מדגים שיטה חדשנית ליישום טיפולים גנטיים על תת-אוכלוסיות של תאים בחולדות ילודים בגילאים שלאחר הלידה 5-10 ימים על ידי הזרקת משנה כימוגנטית אנטרוגרדית לקליפת המוח הסומטומוטורית ורקומבינאז Cre הניתן להובלה רטרוגרדית לחוט השדרה הצווארי.
התמודדות מוצלחת עם המכשולים המגבילים את המחקר על חולדות יילודים חשובה לחקר ההבדלים בתוצאות שנראו בפגיעות בחוט השדרה בילדים (SCIs) בהשוואה ל-SCIs של מבוגרים. בנוסף, החדרה אמינה של טיפולים לתאי המטרה של מערכת העצבים המרכזית (CNS) יכולה להיות מאתגרת, ואי דיוקים יכולים לפגוע ביעילות המחקר או הטיפול. פרוטוקול זה משלב טכנולוגיה וקטורית ויראלית עם טכניקה כירורגית חדשנית כדי להחדיר במדויק טיפולים גנטיים לחולדות ילודים ביום 5 שלאחר הלידה. כאן, וירוס שהונדס להובלה רטרוגרדית (retroAAV2) של Cre מוצג במסופי האקסון של נוירונים קורטיקוספינליים בחוט השדרה, שם הוא מועבר לאחר מכן לגופי התא. קולטן מעצבים בעל אוריינטציה הפוכה כפולה (DIO) המופעל באופן בלעדי על ידי נגיף תרופת המעצבים (DREADD) מוזרק לאחר מכן לקליפת המוח הסומטומוטורית של המוח. טכניקת זיהום כפול זו מקדמת את הביטוי של ה- DREADDs רק בתאי העצב של מערכת הקורטיקוספינל (CST) הנגועים במשותף. לפיכך, הזרקה משותפת סימולטנית של קליפת המוח הסומטומוטורית ומסופי CST צוואריים היא שיטה תקפה לחקר המודולציה הכימוגנית של ההחלמה בעקבות מודלים של SCI צווארי בחולדות ילודים.
אמנם מד"ב הוא תופעה נדירה יחסית באוכלוסיית הילדים, אך הוא טראומטי במיוחד וגורם לנכות קבועה הדורשת ראיית הנולד לוגיסטית עצומה. יתר על כן, שיעור גבוה יותר של SCIs ילדים מסווג צוואר הרחם ושלם בהשוואה לאוכלוסייה הבוגרת 1,2. סימן היכר של מיני יונקים הוא שיילודים מחלימים טוב יותר ממד"ב מאשר מבוגרים, וזה מציע הזדמנות להעריך את מנגנוני ההתאוששות באוכלוסיות צעירותיותר 3,4,5. למרות זאת, ישנם פחות מחקרים רב-מודאליים המתמודדים עם מחקר מכרסמים של ילודים ותינוקות, בין היתר בשל הקושי הנוסף למקד במדויק אוכלוסיות נבחרות של נוירונים בציוני הדרך האנטומיים ההדוקים בהרבה של בעלי חיים צעירים6. מאמר זה מתמקד בהזרקה ישירה של וקטורים אנטרוגרדיים ומדרדרים הקשורים לאדנו יעילים ביותר לתוך חוט השדרה של החולדות כדי לווסת מסלולים מוטוריים עיקריים עם יישום של Cre-dependent-DREADDs, ומרחיב את טווח ההגעה של מחקרי התחדשות רב-מודאליים.
וקטורים נגיפיים הם כלים ביולוגיים חשובים עם מגוון רחב של יישומים, כולל הכנסת חומר גנטי כתחליף לגני מטרה, לווסת חלבוני גדילה ולהתחקות אחר הנוף האנטומי של מערכת העצבים המרכזית 7,8,9. רבים מהפרטים האנטומיים של מסלולים מוטוריים בעמוד השדרה נחקרו באמצעות עוקבים קלאסיים, כלומר, דקסטרן אמין ביוטינילציה. בעוד שעוקבים מסורתיים סייעו בחשיפת נוירואנטומיה, הם אינם נטולי חסרונות: הם מתייגים מסלולים ללא הבחנה גם אם הם מוזרקים כהלכה, ומחקרים מצאו כי הם נלקחים על ידי אקסונים פגומים10,11,12. כתוצאה מכך, הדבר עלול להוביל לפרשנויות שגויות במחקרי התחדשות שבהם אקסונים מנותקים עלולים לטעות בחידוש סיבים.
השיטה הבאה משתמשת במערכת הווקטורים הדו-ויראליים שזכתה לפופולריות לאחרונה במחקרי אפנון, עם שני וקטורים נגיפיים שונים בשני אזורים נפרדים של אותו נוירון13,14. הראשון הוא וקטור שמדביק באופן מקומי את גופי התאים של נוירוני ההקרנה. השני הוא וקטור מדרדר שמועבר מקצות האקסון של נוירוני ההקרנה (איור 1). הווקטור המדרדר נושא את Cre recombinase, והווקטור המקומי משלב את הרצף הכפול "Cre-On" שבו מקודד חלבון פלואורסצנטי (mCherry). הטרנסג'ן המקומי שמבטא גם את ה-hM3Dq וגם את ה-mCherry הוא הפוך יחסית למקדם ומוקף בשני אתרי LoxP (איור 2). לפיכך, mCherry מתבטא רק בנוירוני ההקרנה המותמרים כפליים שבהם Cre recombinase משרה אירוע רקומבינציה בין אתרי LoxP, הופך את האוריינטציה של הטרנסגן למסגרת הקריאה המתאימה ומאפשר ביטוי הן של ה-DREADD והן של החלבון הפלואורסצנטי. ברגע שהטרנסגן הנגיפי נמצא בכיוון הנכון, וכאשר הדבר ישים, ה-DREADDs יכולים לגרום באופן ארעי לנוירומודולציה באמצעות ליגנד מוזרק בנפרד, כלומר קלוזאפין-N-אוקסיד. הפרוטוקול נועד לאמת מחקר נוירומודולציה אינדוקטיבי בילודים, שבו DREADDS מוזרקים כדי לווסת את ה- CSTs באופן סלקטיבי. המערכת הדו-ויראלית פועלת כפוליסת ביטוח, ומבטיחה שכל תא חיובי ל-DREADD ניתן למעקב תחת פלואורסצנטיות בנאמנות גבוהה כדי לאמת את הזריקות.
שיטה זו מסייעת גם לגשר על הפער בחקר היילודים. מד"ב ילדים מציב את האתגרים שלו, ומחקרים המנתחים התחדשות, הנבטה או פלסטיות צריכים להדגיש את ההבדלים בין ילודים למבוגרים 3,15,16,17. על ידי אופטימיזציה של ההליך הכירורגי וביצוע מחקרים אנטומיים קודמים עם צביעת ניסל, אומתו הקואורדינטות הן של זריקות הגולגולת והן של עמוד השדרה. המטרה הייתה לספק שיטה להזרקות כפולות לתוך חולדה ילודים עם נאמנות ושרידות מוגברות.
עבור המודל הנוכחי, וקטור האנטרוגרד הוזרק לתוך גופי התאים של קליפת המוח הסומטומוטורית באמצעות ברגמה כהפניה18,19. מבחינת זריקות עמוד השדרה, הווקטור המדרדר הוזרק ל-laminae V-VII, שם שוכנים20,21 מסופי האקסון CST. ישנן שאלות בסיסיות רבות העומדות בבסיס האופן שבו מודלים מסוימים של נגעים משפיעים על בעלי חיים צעירים באופן שונה, וכיצד ההחלמה שלאחר מכן מתפצלת מבעל חיים מבוגר יותר. מחקר זה מדגים אמצעי איתן לחקר פגיעות צוואר הרחם ויכולת ההשבה של תפקוד הרחם במכרסמים ילודים. לעומת זאת, רוב המחקרים הקודמים התייחסו לתנועת ההחלמה בעקבות פגיעות במותניים או בבית החזה 5,22,23,24. על ידי התאמת הווקטור הנגיפי הכפול עם טכניקת ההזרקה החדשנית המתוארת כאן, פרוטוקול זה מסייע למתן בעיות מסוימות (כלומר, שרידות) שעלולות לפגוע בחקירות מכרסמים ילודים. שיטה זו היא חזקה, מעשית ורב-תכליתית: שינויים קלים בטכניקה יאפשרו מיקוד במסלולים שונים, כלומר CST גחוני, CST גב והמסלולים הגביים העולים.
עבור מערכת זו, וירוס אחד הפועל באופן מקומי (למשל, AAV2) מוזרק באזור של גופי התאים העצביים המעניינים. נגיף שני המועבר בנסיגה ושולט בביטוי הנגיף המקומי מוזרק במסופי האקסון עבור אותה אוכלוסייה עצבית. לכן, מעצם הגדרתם, רק נוירונים קורטיקוספינליים מסומנים. נגיף ה-retroAAV-Cre נבחר עם מקדם CMV פעיל באופן מכונן, שכן פלסמיד המעבורת משמש ליצירת מספר סרוטיפים של AAV לביטוי תלוי Cre במספר סוגי תאים. עבור זריקות קליפת המוח, AAV2 נבחר עם הטרנסגן המונע על ידי מקדם סינפסין-1 כדי להגביל כל ביטוי לנוירונים. מכיוון שהמערכת הדו-ויראלית מסתמכת יותר על המקור והסיום של האוכלוסייה העצבית המעניינת, ניתן להשתמש במספר מקדמים שונים, אם הם יכולים להניע את הביטוי של הגנים המעניינים בתוך האוכלוסייה העצבית המעניינת. לדוגמה, מקדם העצבים המעורר, CamKII, יכול להיות מוחלף בסינפסין-1. בנוסף לשימוש בסרוטיפים אלה של AAV, הובלה מדרדרת לתוך לא בשלה, ובמידה פחותה בהרבה, נוירונים מוטוריים קורטיקוספינליים בוגרים יכולים להיות מושגים גם באמצעות lentivirus גבוה retrograde הובלה (HiRet)25. HiRet lentiviruses משתמשים בגליקופרוטאין כימרי של כלבת/VSV כדי למקד את הקליטה בסינפסה להובלה מדרדרת. בשילוב עם מקדם Tet-On, מערכת 2-ויראלית זו תומכת בביטוי אינדוקטיבי באופן תלוי רטרוגרד26,27.
וירוסים מדרדרים מכניסים וקטורים לחלל הסינפטי של נוירון מטרה, ומאפשרים לו להיקלט על ידי האקסון של התא ולהעביר אותו לגוף התא. בעוד שווקטורים לנטי-ויראליים זכו בעבר להצלחה אדירה, וסיפקו ביטוי ארוך טווח במחקרי ריפוי גנטי, שיטה זו פנתה לכיוון וקטורים נגיפיים הקשורים לאדנו מכמה סיבות פשוטות26,28: AAV חסכוני יותר, יעיל באופן דומה, ומהווה פחות נטל לוגיסטי, בהתחשב בכך שיש לו רמת בטיחות ביולוגית נמוכה יותר29,30,31,32 . בעוד ש-AAV2, הסרוטיפ הנפוץ ביותר, מדגים טרנספקציה חזקה של אקסונים של CST, חוקרים עתידיים עשויים לציין כי AAV1 מציע רב-תכליתיות מסוימת מכיוון שהוא מתייג באופן טרנסינטי, ובכך מציג מספר איטרציות אפשריות במחקרים עתידיים33. ההסתגלות הסופית היא לקודד את הנגיף המדרדר עם Cre-recombinase כך שניתן יהיה להכניס מספר וקטורים אנטרוגרדיים בו זמנית, ובכך להפחית פסולת וירוסים פנימית מיותרת ולמקסם את הסבירות שה- DREADDs יתבטאו בכיוון הנכון.
בסופו של דבר, פרוטוקול זה מדגים הזרקה סימולטנית לתוך קליפת המוח ועמוד השדרה הצווארי, המכוונת במיוחד לגופי התאים ולקצות האקסון של מערכת הקורטיקוצפינל, בהתאמה. העברה בנאמנות גבוהה נראית בקליפת המוח ובחוט השדרה. בעוד שהפרוטוקול המתואר שוכלל עבור חולדות ספראג דאולי בנות 5 ימים, הוא מתאים לימים שלאחר הלידה 4-10 עם התאמות קלות להרדמה וקואורדינטות סטריאוטקטיות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל ההליכים הכירורגיים והטיפול בבעלי חיים הבאים אושרו על ידי ועדת הטיפול והשימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת טמפל. הפרוטוקול המתואר הוא ניתוח הישרדותי, ובעלי החיים הומתו בסופו של דבר על ידי הזרקה תוך-צפקית של 100 מ"ג/ק"ג נתרן פנטוברביטל בסיום נקודות הזמן שלהם.
1. הכנה טרום ניתוחית
2. הרדמה והכנת אתר כירורגי
3. שדה כירורגי והכנת מכשירים
4. ביצוע craniotomy וחשיפת קליפת המוח הסומטומוטורית

איור 3: המחשה סכמטית של קואורדינטות הזרקת הגולגולת (מ"מ) ביחס לברגמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
5. טעינת הנגיף ומיקום המזרק
6. הזרקת וירוס לקליפת המוח הסומטומוטורית
7. יצירת חלון עמוד שדרה להזרקות מדויקות של חוט השדרה
8. הזרקות ישירות לתוך חוט השדרה המכוונות אל הדקים של האקסון
9. סגירת פצעים וטיפול לאחר הניתוח
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הזרקה מוצלחת והובלה של הווקטור הנגיפי אמורה לגרום להתמרה של נוירונים חד צדדיים בחוט השדרה ובקליפת המוח המוטורית. איור 4 מדגים את התיוג של נוירוני CST בשכבה V בקליפת המוח המוטורית של מקטע קורונל מוחי המבטא Cre-dependent-DREADDs-mCherry שהוזרק יחד עם הזרקת עמוד שדרה קונטרלטרלית של rCre. החלקים היו מוכתמים בנוגדן dsRed.

איור 1
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מודולציה גנטית בלתי ניתנת להשראה של פעילות המוח באמצעות משנים כימוגנטיים הניתנים להזרקה היא כלי רב עוצמה בחקר המנגנונים השונים העומדים בבסיס ההתאוששות מ- SCI. הדיוק של המיקוד עבור קולטנים מצומדים לחלבון G (DREADDs) מוגבר עוד יותר כאשר לוקחים בחשבון שמעקב פלואורסצנטי מאמת את הדיוק האנטומי בהיסטולוגיה. מאמר זה דן בשיטה אמינה לחקור אם עיכוב או גירוי של מסלולים עצביים נבחרים (עם DREADDS מעורר או מעכב) גורם להתחדשות אקסונים משופרת אולהנבטה של 34,35. הזרקה של וקטור הני...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
עבודה זו מומנה על ידי מענק מלגה מבתי החולים לילדים של Shriners SHC-84706.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| #11 להבי אזמל | Roboz | RS-9801-11 | לשימוש עם אזמל. |
| #10 להבי אזמל | Roboz | RS-9801-10 | לשימוש עם אזמל. |
| מזרקים 1 מ"ל | בקטון, דיקינסון ושות' | 309659 | להזרקת SC הרדמה ובולוס נוזלי |
| 4.0 תפר משי | Ethicon | 771-683G | לסגירת עור |
| 4.0 תפר כרום Catgut | DemeTECH | NN374-16 | לקשירת שריר מחדש במהלך הסגירה. |
| 48000 Micropipette Beveler | World Precision Instruments | 32416 | משמש לשיפוע קצות צינורות נימי הזכוכית הנמשכים ליצירת מחטי זכוכית פונקציונליות. |
| 5% תמיסת יוד | Purdue Products L.P. | L01020-08 | לשימוש בעיקור של אתר הניתוח. |
| 70% אתנול | N/A | N/A | לעיקור מחטי זכוכית שזה עתה הוכנו, מודלים של בעלי חיים במהלך ההכנה הניתוחית |
| קטמין (קטסט) | Zoetis | 240048 | לשמירה על בעל החיים במישור ההכרה הנכון במהלך הניתוח. |
| מעקר חרוזים | CellPoint | 5-1450 | לעיקור חום של מכשירים כירורגיים. |
| משקל דיגיטלי | Okaus | REV.005 | לשקילת החיה במהלך ההכנה הכירורגית. |
| חיבור מחט גמיש | World Precision Instruments | MF34G-5 | לניקוי מחטי זכוכית והעמסת שמן אדום למחטי זכוכית. |
| צינורות נימי זכוכית | World Precision Instruments | 4878 | למחטי זכוכית משוכות - יש לתכנן עבור מזרקי ננו-ליטר. |
| המוסטטים | Roboz | RS-7231 | לשימוש כללי בניתוחים. |
| מלקחיים מעוקלים בנקודה בינונית | Roboz | RS-5136 | לשימוש כללי בניתוחים. |
| מיקרומניפולטור עם סולם Vernier | Kanetec | N/A | למיקוד מדויק במהלך הניתוח. |
| מספריים מיקרו Roboz | RS-5621 | לחיתוך לחישות זכוכית מצינורות נימי זכוכית טריים שנמשכו. | |
| מכשיר סטריאוטקסי סטנדרטי מעבדה | Stoelting | 51600 | כדי להחזיק את מחזיק הסטרוטקסיק היילוד במקומו |
| מעבדה עם עכבר & מתאם יילודים | 51615 | לקיבוע גולגולת יילודים במהלך ניתוח גולגולת והזרקות | |
| מיקרוסקופ עם אור וסולם ורניר | Leitz Wetzlar | N / A | משמש להדמיה ומדידה של שיפוע של צינורות נימי זכוכית משוכים לתוך מחטי זכוכית פונקציונליות. |
| בקר משאבת MicroSyringe | World Precision Instruments | 62403 | לשליטה בקצב ההזרקה. |
| Nanoliter 2000 מזרק ראש משאבה | World Precision Instruments | 500150 | לטעינה והזרקת וירוס בצורה מבוקרת. |
| חולץ מחטים | Narishige | PC-100 | לחימום ופירוק צינורות נימי זכוכית ליצירת מחטי זכוכית. |
| pAAV-CMV-scCre | Wu lab | Cre פלסמיד | |
| pAAV-hSyn-DIO-hM3Dq-mדובדבן (פלסמיד #44361) | בריאן רות' s מעבדה באמצעות Addgene | DREADD פלסמיד | |
| פרפילם | Bemis | PM-996 | כדי לסייע בהעמסת הנגיף לתוך הננו-מזרק. |
| מחטי PrecisionGlide (25G x 5/8) | Becton, Dickinson and Company | 305122 | לשימוש עם מזרקי 1 מ"ל ו-10 מ"ל כדי לאפשר הזרקה של דגם החיה. |
| מלקחיים לשן חולדה | Roboz | RS-5152 | לאחיזה בתהליכים קוצניים. |
| שמן אדום | N/A | N/A | לספק חזית להדמיה של הנגיף הנכנס לרקמה במהלך ההזרקה. |
| מחזירים | Roboz | RS-6510 | כדי להחזיק את פצע הניתוח פתוח. |
| Rongeurs | Roboz | RS-8300 | להסרת שריר מעמוד השדרה במהלך הניתוח. |
| ידית להב אזמל | Roboz | RS-9843 | לפרוס עור פתוח וכרית שומן של דגם בעלי חיים במהלך הניתוח. |
| מספריים | Roboz | RS-5980 | לשימוש כללי בניתוחים. |
| מלקחיים להסרת סיכות | קנט סיינטיפיק | INS750347 | כדי להסיר את הסיכות, אם יש ליישם אותם בצורה לא נכונה. |
| בד סטרילי | Phoenix Research Products | BP-989 | כדי לספק משטח סטרילי לניתוח. |
| אפליקטורים סטריליים עם קצה כותנה | Puritan | 806-WC | לספיגת דם בפצע הניתוחי תוך שמירה על סטריליות. |
| גזה סטרילית | Covidien | 2146 | לניקוי אזור הניתוח וכלי הניתוח תוך שמירה על סטריליות. |
| תאגיד הבריאות בקסטר | סטרילי | 281324 | לשימוש בניקוי דם ולהחלפת נוזלים לאחר ניתוח. |
| כפפות כירורגיות | N/A | N/A | לשימוש על ידי המנתח לשמירה על שדה סטרילי במהלך הניתוח. |
| כרית חימום כירורגית | N/A | N/A | לשמירה על טמפרטורת הגוף של דגם החיה במהלך הניתוח. |
| מיקרוסקופ כירורגי | N/A | N/A | להדמיה משופרת של הפצע הניתוחי. |
| מהדק כירורגי | קנט סיינטיפיק | INS750546 | למרוח את הסיכות. |
| כרית חימום הסעת מים | Baxter Healthcare Corporation | L1K018 | לשימוש באזור ההתאוששות לאחר הניתוח לשמירה על טמפרטורת הגוף של החיה חסרת ההכרה. |
| ווים משוקללים | N/A | N/A כדי | להחזיק את פצע הניתוח פתוח. |
| תחבושת נוזלית | NewSkin | 985838 | למריחה לאורך תפרים לאחר ניתוח ולעידוד ריפוי פצעים |
| מנורת כלוב תיל | ZooMed | LF10EC | כדי לעזור לבעלי חיים להתאושש מהרדמה ולשמור על טמפרטורת גוף חמה באופן טבעי |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.