このプロトコルでは、EcoHIV感染と Tmem119-EGFP マウスの組み合わせが、HIV関連神経認知障害のげっ歯類モデルにおけるミクログリアの変化とウイルスリザーバーを調査するための貴重な生物学的システムを提供する方法について説明します。
このプロトコルでは、EcoHIV感染と Tmem119-EGFP マウスの組み合わせが、HIV関連神経認知障害のげっ歯類モデルにおけるミクログリアの変化とウイルスリザーバーを調査するための貴重な生物学的システムを提供する方法について説明します。
併用抗レトロウイルス療法(cART)は、HIV陽性者(PLWH)の生活の質を劇的に改善しました。しかし、400万人以上のPLWHが50歳以上で、HIV関連神経認知障害(HAND)を伴った経験があります。HIVが中枢神経系にどのような影響を与えるかを理解するためには、信頼性と実現可能性に優れたHIVのモデルが必要である。これまでに、神経認知障害やシナプス機能障害を調べるために、ラットモデルでキメラHIV(EcoHIV)接種を用いた新しい生体システムを開発しました。それにもかかわらず、EcoHIVの神経解剖学的分布、特に脳内のさまざまな細胞タイプでの発現差を明らかにするには、大きな課題が残っています。現在の研究では、mScarlet蛍光標識を施したEcoHIVを改変し、 Tmem119-EGFP ノックインマウス(主にミクログリアで増強された緑色蛍光タンパク質を発現する)に眼窩後注射して、ミクログリアが脳内のHIVのウイルス発現とリザーバーに関与する主要な細胞タイプであるかどうかを判断しました。現在のデータは、(1) in vitroで、EcoHIV-mScarlet蛍光シグナルは、主に一次げっ歯類の脳細胞の中のミクログリア様細胞に局在していたことを示しています。(2) in vivoでは、 Tmem119-EGFP マウスにEcoHIV-mScarletを注射すると、マウスの脳に有意なHIV発現が誘導されました。mScarletシグナルとEGFPシグナルの共局在は、ミクログリアが脳内にHIVを保有する主要な細胞タイプであることを示唆しています。全体として、げっ歯類のEcoHIVは、ミクログリアの変化、脳内のウイルス貯蔵庫、およびHIV関連神経認知障害の神経学的メカニズムを研究するための貴重な生物学的システムを提供します。
抗レトロウイルス療法には大きなメリットがあるにもかかわらず、HIV陽性者(PLWH)は依然として神経認知障害を経験しています。HIV関連神経認知障害(HAND)の神経メカニズムをよりよく理解するためには、神経HIVにおける特定の細胞タイプの関与をさらに解明するためのHIVモデルが不可欠です。
HIV-1ウイルスタンパク質への構成的曝露を有するHIV-1トランスジェニックラットは、HANDに関連する神経認知障害1,2,3,4および神経解剖学的変化5,6,7を調査するために使用される一般的なげっ歯類モデルである。gagドメインとpolドメインの機能的欠失はウイルスの複製を防ぎ、HIV-1トランスジェニックラットを非感染性にします8,9。最近、マウスにおけるキメラHIV(EcoHIV)感染モデルがPotashらによって最初に報告され10、後にラットにも拡大されました。これは、HANDおよび物質使用障害11に関するさらなる研究に有利になる可能性があります。この新しい生物学的システムでは、全身性HIV-1感染が観察され、リンパ球とマクロファージの関与、抗ウイルス免疫応答、神経侵襲性、脳の炎症など、ヒトにおけるHIV-1の多くの臨床的特徴が観察されました。
ミクログリアは、脳機能や恒常性の維持に重要な役割を果たしています。ミクログリアを近縁の細胞種(血液単球、血管周囲マクロファージ、髄膜マクロファージなど)と区別するために、本研究ではTmem119-EGFPノックインマウス系統を使用しました。これまでの研究では、膜貫通タンパク質119(Tmem119)は、げっ歯類およびヒトの脳組織12,13,14,15において、もっぱらミクログリア特異的な発現パターンを示すことが報告されている。Tmem119-EGFPノックインマウスのEGFPシグナルは、脳全体で観察され、ミクログリア細胞に特異的に局在していました。
本研究では、 Tmem119-EGFP ノックインマウスにEcoHIV-mScarletウイルスを接種し、中枢神経系でEcoHIV陽性の細胞を同定しました。ここでは、 Tmem119-EGFP ノックインマウスにおけるEcoHIV-mScarlet接種のプロトコルを提示し、HIVのミクログリア変化を治療的に標的とするための信頼性の高いモデルを提供します。
サウスカロライナ大学の動物管理および使用委員会は、すべての動物プロトコルを承認しました(連邦保証番号:D16-00028)。すべての実験は、国立衛生研究所が 「実験動物の世話と使用に関するガイド」で定めたガイドラインに厳密に従いました。 Tmem119-EGFP ノックインマウス(30日齢、雄、体重23-26g)を市販の供給源から入手し、AAALAC認定施設でグループ飼育しました。すべての動物は、食物と水への自由なアクセスで12/12時間の明暗サイクルの下で飼育されました。この研究で使用された動物、試薬、および機器の詳細は、 資料表に記載されています。
1. 293FTセルのEcoHIV-mScarletパッケージ
2. 初代ラット脳細胞におけるEcoHIV-mScarlet感染
3. 成体マウスの初代グリア細胞におけるEcoHIV-mScarletウイルス感染
4. Tmem119-EGFP マウスへのEcoHIV-mScarletウイルス眼窩後周窩注射
5. 脳組織切片の可視化
3'末端に「Cla1」、5'末端に「Not1」の酵素部位を含むmScarlet(1858 bp)の断片をpNL4-3-EcoHIVレンチウイルスベクターに挿入しました(図1)。EcoHIV-mScarletの発現を検証するために、ラットE18胚の皮質から単離された初代脳細胞をEcoHIV-mScarlet(60μL、1.26×106TU /mL)で6日間in vitroで処理しました。 図2 のデータは、mScarletの赤色蛍光シグナルが、異なる細胞形態に基づいて主にグリアタイプの細胞に局在していることを示しました。さらに、CD11b/cおよびIba1(ミクログリアの細胞マーカー)標識は、mScarletシグナルがCD11b/c+および/またはIba1+細胞と共局在していることを示した。データは、ミクログリアが in vitroでのEcoHIV-mScarlet分布の主要な細胞タイプであることを示しました。培養細胞には重大な神経感染はありませんでした(補足図1)。
次に、EcoHIV-mScarletの感染を成体マウス初代混合グリア細胞で試験しました。そのために、まず混合グリア細胞を成体マウスから単離および精製し(2か月)、EcoHIV-mScarlet(8μL、1.26×106 TU/mL)に2日間感染させました。 図3 の画像は、EcoHIV-mScarletが成体マウスグリアに感染することに成功したことを示しました。
マウス脳におけるEcoHIV-mScarletの分布パターンをさらに解明するために、特に感染細胞型を特定するために、EcoHIV-mScarletを Tmem119-EGFP ノックインマウス系統に眼窩後から注入し、ミクログリアはEGFPシグナルで特異的に標識され、他のマクロファージタイプの競合はありませんでした5。 図4 の結果( 補足図2にも記載)は、EGFP陽性細胞でmScarlet red蛍光シグナルが観察されたことを示しており、マウスの脳におけるEcoHIV発現の主要な細胞タイプとしてミクログリアが示唆されています。

図1:EcoHIV-NL-4-3-mScarletのベクトルマップ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:初代ラット脳細胞におけるEcoHIV-mScarlet感染 (A,E)初代脳細胞におけるCD11b/c染色の代表的な画像。脳細胞をE18ラット胚から単離し、EcoHIV-mScarletウイルスに6日間感染させました。(B,F) in vitro 脳細胞からのmScarlet蛍光シグナルの代表的な画像。(C,G)初代脳細胞におけるIba1染色の代表的な画像。(D,H)CD11b/c、mScarlet、Iba1のトリプルラベリングの画像を結合しました。スケールバー:50μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:初代マウス混合グリア細胞におけるEcoHIV-mScarlet感染 (A,B) in vitroでのmScarlet分布の代表的な共焦点画像。初代混合グリア細胞は、成体C57BL6マウス(生後2ヶ月)から単離し、ウイルス感染の2週間前に培養しました。EcoHIV-mScarletを培地に2日間加え、共焦点顕微鏡の60×対物レンズで画像を撮影しました。スケールバー:10μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4: Tmem119-EGFP ノックインマウス系統におけるEcoHIV-mScarletの分布。 (A,B)脳切片のmScarlet/EGFP/ToPro3シグナルの画像を統合しました。黄色枠部分が(B)の対象エリアを示しています。スケールバー:300μm.(C) Tmem119-EGFP ノックインマウス系統の嗅覚領域の外部プレジカル層におけるmScarlet分布の代表的な画像。(D)EGFP分布の代表画像。蛍光シグナルは、 Tmem119-EGFP ノックインマウス系統のミクログリア細胞に局在しました。(E)TO-PRO-3核染色の代表画像。スケールバー:300μmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:EcoHIV-mScarletウイルスに感染した初代ラット脳細胞のMAP2およびMOG染色。 スケールバー:50μm. このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2: Tmem119-EGFP ノックインマウス系統におけるEcoHIV-mScarlet感染の共焦点画像。 スケールバー:75μmこの ファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:EcoHIV-mScarletプラスミドDNA配列。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
本研究では、(1)新規のEcoHIV-mScarletが in vitroで初代ラット脳細胞に感染することに成功しました。(2)mScarlet、CD11b / c、およびIba1のトリプルラベルにより、 in vitroでラット脳細胞におけるこのEcoHIV発現の主要な細胞タイプとしてミクログリアが特定されました。(3)in vitro で成体由来の初代マウス脳細胞は、EcoHIV-mScarlet感染をさらに証明しています。(4) Tmem119-EGFP ノックインマウス系統のEcoHIV-mScarlet分布は、EcoHIV感染のミクログリア特異的な分布パターンを示した。
新たな研究では、中枢神経系内で同定されたさまざまな種類の脳細胞(ニューロン、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイトなど)が、HIVおよびHIV関連神経認知障害の間に機能的およびトランスクリプトーム的変化を示すことが示唆されました18,19。例えば、アストロサイトは脳の30%〜70%を占めており、脳の恒常性を維持するための監視を行う20。また、アストロサイトは免疫機能を調節し、特にHIVの脳の炎症や神経変性の状況で、マルチサイトカインやケモカインの分泌を調節します21,22。ミクログリアのHIV感染は、ウイルスタンパク質、炎症誘発性サイトカイン、ケモカインの連続的な放出をもたらすだけでなく、HIVウイルスリザーバー23,24,25,26の主要な供給源も提供します。さらに、活性化されたミクログリアは、CNSにおける重要な免疫学的機能に寄与しています。しかし、活性化が長引くと、HIV進行の神経変性を悪化させる可能性もあります10,27。オリゴデンドロサイトは、いくつかのニューロトロフィン(神経成長因子、脳由来神経栄養因子など)を放出するなど、重要な機能も果たしています28.以前の研究では、エイズ患者の脳内でオリゴデンドロサイトの数が有意に減少したことがわかったが、これはHIVウイルスタンパク質によるオリゴデンドロサイトへの直接的な損傷を示している可能性がある29。したがって、特定の種類のHIVの細胞操作感染モデルは、感染後のさまざまな脳細胞の異なる機能を特定する基本的な手段を提供するはずです。本研究では、キメラHIV(EcoHIV)接種により、HIV-1の特徴を模倣する生物学的システムを開発しました。このHIV接種は、Tmem119-EGFPノックインマウスラインとも組み合わせて、HIVのミクログリア操作げっ歯類モデルを生成し、検証しました。
ただし、本研究の限界を認識する必要があります。 in vitroでmScarlet蛍光シグナルを示すIba1/CD11b/c陰性細胞がいくつかありました。脳マクロファージや周皮細胞などの他の種類の脳細胞がEcoHIV感染に関与している可能性があり、あるいは、細胞培養環境が in vivo 接種に比べて異常な感染パターンを促進する可能性があります。将来的には、全動物実験により、EcoHIV感染過程におけるmScarlet+ミクログリアの機能をさらに明らかにし、脳内のmScarlet+EcoHIVミクログリアの地域分布をさらに定義するはずです。さらに、ミクログリア感染の結果として生じる神経認知障害も、このげっ歯類モデルで対処できます。 全体として、Tmem119-EGFP ノックインマウスのEcoHIV-mScarlet接種は、HIV関連神経認知障害のミクログリア駆動メカニズムを調査するための新しいモデルと研究戦略を提供します。
著者のいずれも、宣言すべき利益相反を持っていません。
この研究は、NIHの助成金DA059310、DA058586、AG082539、およびGM109091によって資金提供されました。マウントサイナイのアイカーン医科大学のカリ博士からのEcoHIV-NL4-3-EGFPの寛大な贈り物に感謝します。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 293FT細胞 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | R70007 | |
| 33 G、スモールハブRNニードル、(ポイントスタイル:3、針の長さ:19.25 mm) | ハミルトン | 7803-05 | |
| 抗生物質-抗真菌溶液 | Cellgro | 30004CI | 100x |
| C57BL / 6-TMEM119EM2Gfng / J | ジャクソン研究所 | 株#:031823 | |
| コーニングバイオコートゼラチン75cm²ベントキャップ付き長方形傾斜ネック細胞培養フラスコ | Life Technologies | 354488 | |
| Corning L-グルタミン、4.5 g/L グルコース、ピルビン酸ナトリウム | ライフテクノロジー | 10013CV | |
| カバーガラス | VWR | 637-137 | |
| デュモン #5 鉗子 | ワールド精密機器 | 14095 | |
| デュモン #7 鉗子 | ワールド精密機器 | 14097 | |
| エンドフリープラスミド マキシキット (10) | キアゲン | 12362 | |
| エッペンドルフ スナップキャップ マイクロ遠心分離機 バイオプール セーフロックチューブ | ライフテクノロジー | 22600028 | |
| フェザー ダブルエッジ 炭素鋼ブレード | テッド・ペラ社 | 121-9 | |
| フィッシャーバイオ試薬 微生物学培地:LBブロス、ミラー | フィッシャーサイエンティフィック | BP1426-500 | |
| ヒト組換え抗CD11b抗体 | Miltenyi Biotec | 130-120-214 | 1:50希釈眼 |
| 内注射器シリンジ(6.5&マイクロ;L)、取り外し可能な針ハ | ミルトン | 6609071-01 | |
| Invitrogen リポフェクタミン3000トランスフェクション試薬 | ライフテクノロジー | L3000015 | |
| Invitrogen ワンショット TOP10 エレクトロコンプ 大腸菌 | フィッシャー科学 | C404052 | |
| アイリス鉗子 | ワールド精密機器 | 15914 | |
| アイリスハサミ | ワールド精密機器 | 500216 | |
| レンチウイルス関連 p24 ELISAキット | Cell Biolabs, inc. | VPK-107-5 | |
| Lenti-X コンセントレーター | 宝 | PT4421-2 | |
| Opti-MEM I 還元血清中 | 寿命技術 | 11058021 | |
| パラホルムアルデヒド | Sigma-Aldrich | 158127-500G | |
| パラホルムアルデヒド | シグマ | P6148 | |
| PELCO easiSlicer 振動組織スライサー | Ted Pella, inc. | 11000 | |
| PELCO プロCA44ティッシュ接着剤 | テッド・ペラ社 | 10033 | |
| ペルコ プロ・プリマウント・レトリーバーズ | テッド・ペラ | 101-33 | |
| ProLong Gold | Fisher Scientific | P36930 | |
| ウサギモノクローナル抗 Iba1 抗体 | Abcam | ab178847 | 1:500 希釈 |
| RN 圧縮フィッティング 1 mm | ハミルトン | 55750-01 | |
| セボフルラン | メリット 獣医 供給 | 347075 | |
| スプレイグ ドーリー 妊娠中のラット | Inotiv | ||
| SuperFrost Plus スライド | フィッシャー・サイエンティフィック | 12-550-154% | |
| To-Pro-3 | ThermoFisher Scientific | T3605 | 核染色キット |
| トリプシン-EDTA (0.25%)、フェノールレッド | ThermoFisher Scientific | 25200-056 | |
| Vannas Scissors | World Precision Instruments | 500086 |