くも膜下ウイルスの注入を使用するアデノ随伴ウイルスの広範な送達のための新しい技術が記載されています。この方法は、マウス新皮質ニューロンの表層への広範な形質導入を保証するだけでなく、非選択的プロモーターを使用した場合でも、第5層錐体ニューロンにおける導入遺伝子の選択的発現をもたらします。
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くも膜下ウイルスの注入を使用するアデノ随伴ウイルスの広範な送達のための新しい技術が記載されています。この方法は、マウス新皮質ニューロンの表層への広範な形質導入を保証するだけでなく、非選択的プロモーターを使用した場合でも、第5層錐体ニューロンにおける導入遺伝子の選択的発現をもたらします。
組換えアデノ随伴ウイルスは、実験生物学の多くの分野、特に神経科学において、関心のあるさまざまな遺伝子の送達と発現のための柔軟で強力なツールです。特定の脳領域で目的の導入遺伝子の発現を促進する最も一般的な方法は、AAVベクターを脳実質に直接注入することです。しかし、この方法では、一部の in vivo 実験に必要な広範なニューロン形質導入は可能ではありません。この記事では、脳のくも膜下腔へのウイルス注入に基づいて、マウス新皮質で広範囲に遺伝子発現を行う新しい技術を紹介します。このニューロン標識法は、成体マウス表在性新皮質層におけるニューロンの広範な形質導入を保証するだけでなく、CAGのような強力な非選択的プロモーターを使用する場合でも、高い特異性を持つ第5層錐体ニューロンの大規模な集団における導入遺伝子の発現をもたらします。さらに、細胞形質導入は注射部位からかなり離れた場所で行われるため、この方法は、その後のニューロン活動の光学的または電気生理学的記録のために脳組織を保存するのに役立ちます。
哺乳類の脳は、数兆のシナプス1によって回路に相互接続された多くの抑制性、興奮性、および調節性の細胞で構成されています1。神経科学の中心的な課題の1つは、脳の回路と行動の組織と機能における異なる細胞タイプの役割を解読することです。脳内の遺伝的に定義された細胞を操作するには、導入遺伝子を導入して発現させる方法が必要です。ウイルスベースの遺伝子導入システムは、中枢神経系への遺伝子導入のための最も効果的で簡単な方法です2。ウイルス送達システムは、遺伝情報を宿主細胞に送達する能力を持つ複製ウイルス(アデノウイルス、アデノ随伴ウイルス(AAV)、レンチウイルス、レトロウイルス)に基づいています2,3。
AAVベースのベクターは、現在、基礎神経科学研究と神経疾患の遺伝子治療開発の両方を目的として、脳内の細胞に目的の導入遺伝子を送達するための最も広く使用されているツールの1つになっています。他のウイルスと比較すると、複製欠損AAVは、これらの目的に理想的なベクターとなる多くの特徴を備えています。最も注目すべきは、AAVベクターがニューロンやグリア細胞などの非分裂性(末端分化型)細胞を効率的に形質導入し、in vivo2で高レベルの導入遺伝子発現をもたらすことです。ベクターは、in vivoでの使用に適した高機能力価で容易に作製できます3,4,5。重要なことに、in vivoでのアデノ随伴ウイルス媒介遺伝子導入は、病理組織学的変化やベクター関連毒性を引き起こさない6。アデノウイルスベクターとは異なり、動物モデルにAAVベクターをin vivoで投与しても、通常、形質導入細胞に対する宿主免疫応答は引き起こされず、脳実質内で長期間にわたって安定した導入遺伝子発現が可能になります2,7,8。
AAVベクターが人気のもう一つの理由は、独自の組織および細胞型指向性9,10,11,12,13,14を有する広範なAAV血清型である。異なるAAV血清型によって発現される異なるカプシドタンパク質は、細胞侵入のための異なる細胞表面受容体の使用をもたらし、したがって、特異的な指向性10,14をもたらす。
AAVの親和性は、カプシドタンパク質だけでなく、他の多くの因子によっても決定される14。AAV血清型1、2、6、7、8、および9は、初代培養15,16でニューロンとアストロサイトの両方を形質導入したが、実質内脳注射17,18後には強いニューロン親和性を示したことが示されている。AAVベクターの調製に使用される方法は、同じ血清型であっても、神経細胞の親和性にも影響を与える可能性があります。例えば、CsCl精製されたAAV8は、実質内脳注射後に強い天球膠学的親和性を有していたが、同じ条件下で注射されたイオジキサノール精製AAV8は、ニューロンのみを形質導入した19。AAV向性は、注射された用量とボリューム14によっても影響を受ける可能性があります。.例えば、高力価のrAAV2/1は、皮質興奮性ニューロンと抑制性ニューロンの両方を効率的に形質導入したが、低力価の使用は、皮質抑制性ニューロンの形質導入に対する強い選好性を明らかにした20。
したがって、カプシド血清型のみに基づいて堅牢な細胞型特異性を達成することはできません。細胞型特異的プロモーターは、AAVキャプシドの広範な自然親和性を克服するために使用できます。例えば、ヒトシナプシンIはニューロンを標的とするために使用され21、CaMKIIプロモーターはグルタミン酸作動性興奮性ニューロンにおける導入遺伝子発現を高い特異性で駆動することができ20、ppHcrtプロモーターは視床下部外側のヒポクレチン(HCRT)発現ニューロンを標的とし22、PRSx8プロモーターはドーパミンβ-ヒドロキシラーゼを発現するノルアドレナリン作動性およびアドレナリン作動性ニューロンを標的とし23、GFAPプロモーターはアストロサイト特異的発現を駆動することができる24。しかし、一部の細胞特異的プロモーターは転写活性が弱く、十分なレベルの導入遺伝子発現を駆動することができません25。さらに、AAVウイルスベクターに適合する短いプロモーターは、多くの場合、細胞タイプの特異性を保持しません1,26。例えば、CaMKIIコンストラクトは、抑制性ニューロン12も形質導入することが示されている。
細胞型の特異性(親和性)に加えて、AAVのもう一つの重要な特徴は形質導入効率です。さまざまなAAV血清型は、異なる拡散特性を持っています。AAV2および4つのウイルスベクターは、脳実質を通じて拡散しにくく、したがって、より小さな領域17,27で形質導入を媒介する。最も広範なニューロン伝達は、AAV血清型1、9、およびrh.10 11,17,18,19,28で観察されます。
特定の脳領域における所望の導入遺伝子の発現を促進する最も一般的な方法は、AAVベクターを関心のある脳領域(実質)に直接注入することです3。実質内注射後、脳を通じてより効果的な拡散を有するAAV血清型でさえも、典型的には注射部位の周囲の局所領域のみを形質導入する12。さらに、実質内注射は侵襲的な手順であり、関心領域に隣接する組織損傷を引き起こします。したがって、このウイルス注入方法は、一部の実験タスクには適していません。例えば、細胞の広範な標識は、1光子顕微鏡または2光子顕微鏡29,30,31,32の使用を含む、自由に動く動物の皮質ニューロン機能を研究することを目的とした実験において非常に望ましい。
ここでは、くも膜下ウイルス注入を使用して成体マウスの新皮質ニューロンの広範な形質導入を提供し、その後のニューロン活動の光学的または電気生理学的記録のために脳組織を保存する新しいアデノ随伴ウイルス注入技術について説明します。この方法は、表在性新皮質層におけるニューロンの広範な形質導入を確保しただけでなく、CAGのような強力な非選択的プロモーターを使用した場合でも、高い特異性を持つ第5層錐体ニューロンの大規模な集団における導入遺伝子の発現をもたらした。
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実験は、雌雄ともに生後2〜4ヶ月の成体C57Black/6マウス(Pushchino Breeding Center, Branch of the Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of RAS)で行いました。マウスは、温度制御されたビバリウム(22°C±2°C、12時間の明暗サイクル、08.00時間に点灯)に収容され、餌と水が 自由自在に行われました。すべての実験手順は、動物実験に関するARRIVEガイドラインおよび指令2010/63/EUに従って実施されました。研究プロトコルは、IHNA RAS の倫理委員会によって承認されました (2022 年 2 月 1 日からのプロトコル N1)。動物の苦痛を最小限に抑え、結果の信頼性を確保するために、あらゆる努力が払われました。
1. 手術の準備
2. シリンジの準備
3.手術用マウスの準備
4. ウイルスインジェクション
5. 術後のケア
6.組織学
7. 免疫染色
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パイロットシリーズの実験では、従来の皮質内注射法を使用して、CaMKIIプロモーターの下でEGFP蛍光タンパク質と融合した 高速チャネルロドプシン(oChIEF) 遺伝子を運ぶAAV2によって、マウス新皮質の5層目錐体ニューロンを形質導入しました。AAV212の特徴と一致して、幅が1mmを超えない比較的小さな感染領域が得られました(図1A)。しかし、いくつかの実験では、AAV2が異常に大きく広がり、場合によっては脳半球の半分以上の新皮質を覆っていることが観察されました(図1B)。私たちは、ウイルスがくも膜下腔に侵入し、脳脊髄液(CSF)の流れがウイルスベクターを脳表面全体に広げると、このような広範なウイルス分布が発生する可能性があるという仮説を立てました。これは、注射針の挿入深さが小さく(<200μm)、硬膜の穴のサイズが針の直径と正確に一致している場合に発生し、ウイルス粒子の懸濁液が逆流するのを防ぐことに注目しました。このプロセスを可視化するため...
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私たちは、AAV2ウイルス粒子の懸濁液を脳のくも膜下腔に注入することにより、マウス新皮質ニューロンを形質導入する新しい方法を開発しました。これにより、ウイルスの分布が広範囲に広がり、同量のウイルスが脳実質に直接注入された場合に感染する組織の体積の約4倍になります。
ウイルスベクターをさまざまな経路(例えば、脳室内、髄腔内、または槽内)を介して脳脊髄液(CSF)に直接注入することは、CNS全体に広範な遺伝子送達のための一般的な戦略です33,34,35。しかし、成体の脳におけるAAV2ベクターの脳室内または髄腔内投与は、上衣細胞28,33,36,37に対するそれらの高い親和性のために、限定的な脳<...
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著者は、利益相反を宣言しません。
この作業は、ロシア科学財団(助成金20-15-00398P)からの財政支援を受けて実施されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Equipment | |||
| 10 & マイクロ;L 気密シリンジ モデル 1701 RN (5 uL 75 RN ハミルトンマイクロシリンジ) | ハミルトンカンパニー | 部品/REF #7634-01、ハミルトンまたはキャット番号。HAM7634-01、メルク | |
| 33 G RN針、ポイントスタイル3 | ハミルトンカンパニー | 部品/REF #7803-05、ハミルトン | |
| 双眼顕微鏡 | ニコンまたはマイクロメッド | モデル MC-4 ZOOM | |
| Cernaベースのレーザー走査型共焦点顕微鏡 | ソーラボ | ||
| 冷光源 | RWDの | モデル 76312 | |
| ライカ VT1000 S 振動ブレードミクロトーム | ライカバイオシステムズ | 76001-014 | |
| スターターキット付き低流量麻酔システム | ケント・サイエンティフィック・コーポレーション | 13-005-111 (モデル SomnoSuite) | |
| メカニカルピペット0.1–2.5 & マイクロ;L エッペンドルフ・リサーチ・プラス | エッペンドルフ | 3123000012 | |
| メカニカルピペット10 –100 & マイクロ;L エッペンドルフ・リサーチ・プラス | エッペンドルフ | 3123000047 | |
| マウスシェーバー | RWDの | モデル CP-5200 | |
| ドリルビット付きマイクロドリル(0.5 mm、丸型) | RWDの | 78001, 78040 | |
| またはDesctopデジタル定位固定装置、マウス麻酔マスク、マウスイヤーバー(60度) | RWDの | モデル 68027、68665、68306 | |
| エアコンプレッサー | バンビ | BB8 | |
| シングルチャンネル手動ピペット 0.5-10 & micro;L | レーン | 17008649 | |
| 小動物用定位固定装置 | KOPFの | モデル 962 | |
| 定位固定インジェクター | ストールティング | 10-000-004 | |
| <ストロング>手術器具(ツール) | |||
| 30 G歯科用針(Ni-pro) | 株式会社バイオデント | 硬膜を切り裂くには | |
| 骨スクレーパー | ファインサイエンスツール | 10075-16 | |
| 骨ペンチ | ファインサイエンスツール | 16025-14 | 頭蓋骨を取り除くには |
| 湾曲したスパチュラ | モザイスク医療用品工場 | 頭蓋骨から脳を取り除くには | |
| 歯科用バー | ドレンデル + ツヴァイリン | 開頭術の場合;形状:洋ナシ型/丸端シリンダー/ラウンド;チップ直径:直径0.55-0.8 mm | |
| ニードルホルダー(Halsey Micro Needle Holder) | ファインサイエンスツール | 12500-12 | |
| ポリプロピレン外科用縫合糸または外科用縫合糸ビクリル(5-0、吸収性) | ウォルター製品 (Ethicon) | S139044 (W9442) | |
| メスの刃付きメスハンドル(#3)(#11) | ファインサイエンスツール | 10003-12, 10011-00 | |
| はさみ(極細はさみ) | ファインサイエンスツール | 14088-10 | 皮膚を切る |
| はさみ(細かいはさみ) | ファインサイエンスツール | 14094-11 | 縫合糸を切るには |
| 外科用縫合糸 PROLENE (ポリプロトレン) | エティコン(ジョンソン&ジョンソンジョンソン) | ||
| ピンセット(鉗子#5) | ファインサイエンスツール | 11252-20 | |
| ピンセット(研磨されたイノックス鉗子) | ファインサイエンスツール | 11210-20 | |
| 使い捨て | |||
| 1 mLインスリンシリンジ | サイトメッド | ワセリンオイルをマイクロシリンジにロードし、薬剤を投与する | |
| 細胞培養プレート | SPLライフサイエンス | ||
| 綿棒 | |||
| カバーグラス | フィッシャーサイエンティフィック | 12-545E | |
| インスリン注射器針(27 G) | サイトメッド | 穴から破片を取り除くには(開頭術) | |
| 糸くずの出ないワイプ CLEANWIPER | ネットリンク | ||
| 顕微鏡スライド | フィッシャーサイエンティフィック | 12-550-15 | |
| ペーパータオル | ルスカン | ||
| パラフィルム | スタットラボ | STLPM996 | |
| 滅菌手術用手袋 | ダーマグリップ | ||
| 滅菌シリンジフィルター(0.2 &m) | コーニング | 431229 | |
| <強力>医薬品・化学薬品(試薬) | |||
| 10%緩衝ホルマリンまたは4%パラホルムアルデヒド | サーモサイエンティフィックケミカルズ | J61899です。AKの | |
| ヨウ素のアルコール溶液(5%)) | 更新 | ||
| 抗生物質軟膏バネオシン(バシトラシン+ネオマイシン) | サンド | 外用抗菌剤 | |
| アクアポリマウント | ポリサイエンス | 18606-20 | |
| カルボマーアイジェルビディシック(眼科用ジェル) | BAUSCH+LOMB(参天) | ||
| カルボン酸修飾蛍光球マイクロスフェア(赤) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | F-8801型 | |
| デキサメタゾン(4 mg / mL) | エララ (KRKA) | 合成グルココルチコイド | |
| 蒸留H2O | |||
| エタノール(70%) | |||
| フレキソプロフェン 2.5% (ケトプロフェン) | ビクトリア 州 | 非ステロイド性抗炎症薬(NSAID) | |
| グルコース溶液5% | ソロファーム | ||
| ヤギ用抗ウサギIgG(H+L)交差吸着、Alexa Fluor 546 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A-11010 | |
| イソフルラン | カリズー | ||
| リドカイン溶液(2%/ 4%) | ソロファーム | ||
| ノーマルヤギ血清(NGS) | アブカム | アブ7481 | |
| リン酸緩衝生理食塩水(PBS) | エコサービス | ||
| ウサギ抗パルブアルブミン抗体 | メルク・ミリポア | AB15736 | |
| ウサギ組換えモノクローナル抗カルビンジン抗体 | アブカム | AB108404 | |
| 生理食塩水(H2O中の0.9%NaCl) | ソロファーム | ||
| トリトンX-100 | シグマ・アルドリッチ | 50-178-1844 | |
| ワセリンオイル | ジェネル |
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