本プロトコルは、マウスを用いた坐骨神経切断および縫合モデルを用いて、成体の背根神経節ニューロンを用いて末梢神経再生を研究することを目的としています。神経損傷後の軸索再生、筋肉の再神経支配、機能回復の 生体内 解析を可能にします。
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本プロトコルは、マウスを用いた坐骨神経切断および縫合モデルを用いて、成体の背根神経節ニューロンを用いて末梢神経再生を研究することを目的としています。神経損傷後の軸索再生、筋肉の再神経支配、機能回復の 生体内 解析を可能にします。
神経修復は軸索損傷後の機能回復に不可欠です。しかし、中枢神経系(CNS)の成熟したニューロンは、内在的な成長能力の低下と過酷な環境により、損傷後に軸索の再生能力が限られています。対照的に、末梢神経系(PNS)のニューロンは強力な再生能力を示します。その中でも、成人の背根神経節(DRG)ニューロンは末梢神経損傷後に効果的に再生する能力で特に知られており、神経修復の細胞および分子メカニズムを研究する理想的なモデルとなっています。ここでは、「ループ前切断」と呼ばれる改良型微細縫合技術を説明し、マウスの坐骨神経切断および縫合モデルを作成し、その後軸索再生の解析を行います。行動評価や筋肉再神経化も機能回復の評価に役立っています。坐骨神経切断および縫合後、動物は最初行動障害を示しますが、通常は損傷から30日以内に完全な回復が見られます。損傷部位に軸索融合を促進する薬剤を投与することで、機能回復が大幅に加速します。このモデルシステムは、哺乳類の神経修復を支配するメカニズムを生 体内で調べる強力なツールを提供します。
軸索損傷は脳および脊髄損傷の一般的かつ重篤な結果であり、しばしば外傷、神経毒素、または神経結合を妨げ軸索再生を妨げる神経学的障害によって引き起こされます1,2。すべてのニューロンが再生能力を本質的に持っているわけではなく、切断された軸索の修復には不可欠です。軸索再生速度は、ニューロンの内在成長ポテンシャル、タンパク質合成効率、細胞骨格の動態、ミエリン残骸の除去、成長因子の利用可能性など複数の要因によって影響されます3,4。
成体の哺乳類の中枢神経系(CNS)では、軸索損傷により再生能力が低下し、主に成長促進因子の欠如と抑制性の外因性手がかりの存在が原因となります1,5。対照的に、末梢神経系(PNS)の軸索は、末梢神経の内在的な自己修復機構と再生促進的成長プログラムの急速な再活性化により、損傷後も強固な再生能力を持っています。損傷後、軸索の遠位節は神経体質から切り離され、軸索の崩壊と断片化を特徴とするウォーラー変性を経験します 6,7。グリア細胞による軸索およびミエリンの破片の効率的な除去は、軸索成長を妨げる瘢痕の形成を防ぐため、再生成功に不可欠です3,8。この過程は、損傷した軸索の細胞骨格再構築と相まって、近位切断部の再生を支援し、標的神経支配を促進します。これらのイベントは部分的に重なる段階で起こり、ATF3やc-Junなどの転写因子の損傷による活性化が再生促進遺伝子発現プログラムを促進します。
再生軸索融合は、軸索損傷後の神経結合を回復させる効率的なメカニズムです。この過程は1967年にザリガニ(Procambarus clarkii)で初めて記載され、その後Caenorhabditis elegans17を含む複数の種13、14、15、16で記録されています。哺乳類における軸索融合の直接的な証拠は限られていますが、融合誘導戦略は神経修復の促進に成功裏に用いられています11。特に、フューソーゲンポリエチレングリコール(PEG)という化学物質は膜の再封閉を促進し、哺乳類モデル18,19,20,21,22,23,24において末梢神経および脊髄損傷後の機能回復を促進することが示されています。最近の研究では、グルタチオンペルオキシダーゼ(GPX)の枯渇がC. elegans25における軸索融合を促進するのに十分であることが示されています。同様に、Gpx4条件付きノックアウトマウスやGPX阻害剤ML162で処理されたマウスは、坐骨神経切断後に機能回復が加速し、軸索融合の強化による可能性があります。
坐骨神経は感覚神経、体性運動神経、自律神経運動軸索から成る混合神経です。ラットではL4およびL5の脊髄節から、マウスではL3およびL4節から発生します。そのアクセスの容易さと解剖学的な一貫性から、坐骨神経損傷は末梢神経再生の研究に広く使われるモデルの一つとなっています29,30。これらのモデルは、軸索の成長や機能回復に影響を与える内在的な神経機構と外在的な環境要因の両方を調査することを可能にします 3,4,9。神経科学における坐骨神経圧潰の実験的パラダイムとして用いられたのは19世紀後半にさかのぼります。神経圧迫モデルに加え、神経切断は軸索再生や機能回復の研究にも広く用いられています。しかし、マウスにおける古典的な坐骨神経切断の後に縫合を行う方法は、神経の小ささと脆弱な組織のため、ラットに比べて再現性や信頼性が低いことが多い31。
「ループ・ビフォア・トランセクション」と呼ばれる修正された坐骨神経切断および縫合モデルを用いて、再現可能な坐骨神経切断および縫合モデルを成功裏に生成しました25。この方法は、切断前に縫合糸を挿入し、切断後の神経操作を不要にし、機械的ストレスを軽減し、手術技術による変動を最小限に抑えます。中等度のGPX調節は、マウス坐骨神経の完全切断後の機能回復に寄与することが示されました。坐骨神経切断(SNT)/縫合病変に対する低濃度ML162(0.25μM)32、GPX阻害剤およびポリエチレングリコール(PEG、500 mM)18,19,20,21,22,23,24の共同治療により、針穴検査、足の欠陥非対称性、足の開きテスト25,33で評価された行動スコアが成功裏に向上しました。34. 哺乳類背根神経節(DRG)ニューロンの切断された遠位軸索断片は3日以内に退化し、神経筋接合部(NMJ)6,35が破壊され、再生型DRGニューロンが筋肉を再神経支配して機能を回復させます。SNT/resuture-ML162/PEG共治療群は、術後3日の早期時点で神経支配NMJと行動スコアの改善を示し、神経筋機能の早期回復を示しました。
ここでは、上記のマウス観察を可能にした「ループ・フォアトランセクチャー」の顕微縫合法と薬物投与について説明します。切断されたラットの神経を迅速に修復できる既存のPEG融合プロトコルが修正されました。ポリエチレングリコール(PEG)は、in vitro 36でカットザリガニ内側巨大軸索(MGA)の外因性再接続を促進すると最初に報告されました。PEG融合プロトコルは、ラット坐骨神経の圧迫切断損傷を含む試験の25%〜30%で行動転帰を改善しましたが、初期時点34では機能回復は認められませんでした。その後の改良では、内因性膜シーリングの概念が取り入れられました。神経損傷後、急速な形漿類修復は神経保護効果があり、神経変性を防ぎます。Ca2+による膜結合小胞の蓄積がこの密封プロセスを促進します。完全な神経切断は、病変部位の腋窩および内側、会尿、外膜の被膜を破壊します。外皮球鞘の微小縫合により、近位神経断肢と遠位神経断端が整列します。縫合段階では、Ca2+フリー低張性生理食塩水の使用により膜に縛られた小胞の形成が減少し、内側および会周の鞘が開いたまま、外膜縫合によって近似されることが可能になります。その後、Ca2+を含む生理食塩水の投与により、残存する形質体破壊を封じ込める小胞の蓄積が誘導されます。
このプロトコルでは、成体のFVBマウス(8〜10週齢)とC57BL/6マウスを用い、株特異的な差は認められませんでした。マウスの坐骨神経は大腿筋の中央あたり、約1〜2mm下にあり、ラットよりも明らかに細く脆弱であるため、解剖や縫合時により高い手術精度が必要です。神経の過剰伸展や過度な操作は機能回復を妨げる可能性があるため、注意が必要です。この方法は神経を完全に切断し、近位切断と遠位切断の間に物理的な隙間を作る方法です。この隙間は軸索の直接的な再生を妨げるため、回復成功には通常、顕微外科的介入や神経移植が必要です。
マウスの坐骨神経はラットよりも細く繊細であるため、より高い手術の精度が求められます。マイクロ縫合は一般的に使われますが、過度な操作や繰り返しの針の通過により、意図せずに追加の外傷を引き起こすことがあります。これらの制限はばらつきを生み、新しい治療戦略の評価を混乱させる可能性があります。したがって、縫合による神経損傷を最小限に抑えつつ、一貫した手術結果を達成することは、神経切断モデルにおける機能回復を確実に評価するために不可欠です。この「ループ・フォアトランセクチャー」法を用いて、再現可能な坐骨神経切断および縫合モデルが作成され、PEGおよびML162の二重治療が機能回復に与える効果が評価されました。全体として、マウスの坐骨神経切断モデルは広く使われているにもかかわらず、神経の小さと脆弱性のため技術的な課題を抱えています。ここで述べるこの修正された縫合法は、機械的損傷を最小限に抑える再現可能で標準化された顕微外科プロトコルの重要性に応えています。
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すべての動物処置は、テキサス大学サンアントニオ校健康科学センターの施設動物ケア・使用委員会(IACUC)のガイドラインに従って実施されました(プロトコル番号:20200082AR)。ここで述べたJoVE実験手順には成体のオスと雌のFVBマウス(生後8〜10週、体重20〜25g)が使用されました。C57BL/6マウス(生後8〜10週、体重20〜25g)は、取り扱いと縫合の精度を最適化するために、正式な実験前に行われた予備的な手術にのみ使用されました。これらの練習セッションでは、「ループ・フォアトランセクチャー」手法が両株で同等の結果が得られることが確認されました。したがって、本稿で提示されたすべての正式データはFVBマウスから取得されました。坐骨神経切断のために合計10匹のFVBマウス(オス5匹、メス5匹)を当初含め、その後ML162+PEG治療を行いました。1匹の動物は先天的な解剖学的変異を示し、坐骨神経が切断部位の前に2つの主要な枝に分岐し、手術が不完全で解析から除外されました。したがって、行動および組織学的分析は9頭の動物(n = 9)で行われました。男女ともに再生および行動回復が同等であり、性別特異的な差異は観察されませんでした。さらに、神経切断なしの二重縫合(偽対照)マウスが、縫合手術自体が行動結果に与える潜在的影響を評価するために実施されました。生殖反応に目立った差は性別間で観察されませんでした。動物は標準的な環境で12時間の明暗サイクル、75°F、相対湿度40%〜60%で飼育され、自由に食料と水を得られました。オスとメスのマウスの両方を使用し、オスとメスの動物間で目立った違いは観察されませんでした。手術はSomnoSuite低流量麻酔システムのイソフルラン麻酔下で実施されました。行動検査は術後2日目から開始され、対応する図の通り4日目、7日目、10日目、14日目、18日目、22日目、27日目に繰り返し実施されました。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
1. 坐骨神経切断/縫合および薬物治療
2. 行動テスト - ピンプリック
注:損傷後の高い閾値の機械的感受性反応を評価するため33.
3. 行動テスト - フットフォルト(FF)の非対称性
注:坐骨神経軸索がより近位筋にどれだけ神経支配するかを測定するために34。
4. 行動テスト - 足の指を広げる
注意:神経損傷後の運動回復を評価するためです。以前の研究によると、足の指拡大運動テストは、坐骨神経損傷後の運動機能回復を検出するために歩行分析よりも感度が高いとされています。
5. 組織学のための組織灌流および処理
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以前のPEG固定プロトコル18は、一貫した手術結果を維持し、25の縫合による神経損傷を最小限に抑えるよう修正されました。切断前に神経を貫通させるために縫合糸を置くことで、切断後にピンセットでつまんだり針で刺したりすることで引き起こす損傷を最小限に抑えられました。神経を貫通する縫合糸の結び目がその機能に与える影響を検証するため、縫合糸を無傷の神経に2回通し結び目をつけました(図2A、SNTなしの縫合糸)。神経を貫通した縫合糸は、術後30日で神経に瘢痕を残さなかったことが観察されました(図2A、SNTなしの縫合)。SNTなしの縫合のみを受けたマウスは、すべての行動検査で完璧なスコアを得ており、縫合による神経貫通が神経機能に影響を与えないことを示しました(図3B、...
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神経切断モデルを用いた神経再生研究はマウスの坐骨神経に対して広く行われています31,39。しかし、マウスの坐骨神経は小さいサイズで柔らかい質感のため、手術器具で優しく扱うのが難しく、縫合時に組織が裂けやすいです。過度な操作を伴う微細縫合の過程は、神経変形や外傷を引き起こすことがあります。不要な器具刺激を最小限に抑えても、縫合された神経の過度な動きは依然としてずれを引き起こし、初期の機能回復を妨げる可能性があります。これらの変数は切断モデルにおける実験結果の一貫性と信頼性を損なっており、再現性を確保し神経損傷を最小限に抑える外科的アプローチの必要性を強調しています。
この手術は、外科医の介入を最小限に抑えつつ変数を制御するよう設計されました。この手術を設計する際には、以下の点が考慮されました:(1) 神経への負担を最小限に抑えるために手術器具の使用を最小限に。ピンセットで神経をつまないようにしましょう...
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著者は利益相反を開示する義務はありません。
この作業はNIAからL.C.へのR01AG070214、NIAからL.C.へのR01AG071591、およびNIA 1R01AG085545からL.C.への支援を受けました。内容は著者の責任であり、必ずしもNIHの公式見解を代表するものではありません。
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| #55 鉗子 | デュモスター・生物学 | 11295-51 | 両手に一つずつ。10-0ナイロン縫合糸を掴むには2人必要です。 |
| 10-0ナイロン縫合糸 | デメテック | NL761000,4F0P | |
| 4-0ナイロン縫合糸 | マトリックス・ウィザード | 0197 | |
| 抗ベータチューブリン | R&Dシステムズ | MAB1195 | |
| 反NF-200 | ミリポール・シグマ | N4142 | |
| アウステルリッツサイズ000 | ピンプリックテストの場合 | ||
| CF488 共役α-バンガロトキシン | バイオティウム | 00005 | |
| 解剖はさみ | ケント・サイエンティフィック | ||
| 細縫合はさみ | ケント・サイエンティフィック | ||
| 虹彩鉗子 | ケント・サイエンティフィック | ||
| K&H 小動物用加熱パッド | K&Hペット製品 | ||
| ML162 | ミリポール・シグマ | SML2561 | |
| マウス手術キット | ケント・サイエンティフィック | ||
| ニードルホルダー | ケント・サイエンティフィック | ||
| ポリエチレングリコール(PEG) | ミリポール・シグマ | P5413 | |
| SCG10 | ノバス・バイオロジカルズ | NBP1-49461 | |
| ソムノスイート | ケント・サイエンティフィック | イソフルラン麻酔のために | |
| スプリッター鉗子 | 坐骨神経を露出させるために使われました。 |
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