Chociaż SCI jest stosunkowo rzadkim zjawiskiem w populacji pediatrycznej, jest szczególnie traumatyczne i powoduje trwałe niepełnosprawność, wymagającą ogromnej logistycznej dalekowzroczności. Co więcej, większy odsetek dziecięcych SCI jest klasyfikowany jako szyjki macicy i kompletny w porównaniu z populacją dorosłych1,2. Cechą charakterystyczną wszystkich gatunków ssaków jest to, że noworodki znacznie lepiej wracają do zdrowia po SCI niż dorosłe, co daje możliwość oceny mechanizmów napędzających powrót do zdrowia w młodszych populacjach3,4,5. Mimo to istnieje mniej badań multimodalnych zajmujących się badaniami nad noworodkami i niemowlętami gryzoniami, częściowo ze względu na dodatkową trudność w dokładnym celowaniu w wybrane populacje neuronów w znacznie ciaśniejszych anatomicznych punktach orientacyjnych młodszych zwierząt6. Niniejszy artykuł koncentruje się na bezpośrednim wstrzyknięciu wysoce wydajnych następczych i wstecznych wektorów związanych z adenowirusem do rdzenia kręgowego szczura w celu modulacji głównych szlaków motorycznych za pomocą DREADDów zależnych od Cre, rozszerzając zasięg badań nad regeneracją multimodalną.
Wektory wirusowe są ważnymi narzędziami biologicznymi o szerokim zastosowaniu, w tym wprowadzaniu materiału genetycznego w celu zastąpienia docelowych genów, zwiększenia wzrostu białek i śledzenia anatomicznego krajobrazu CNS7,8,9. Wiele szczegółów anatomicznych ścieżek motorycznych kręgosłupa zostało zbadanych przy użyciu klasycznych znaczników, tj. biotynylowanej aminy dekstranu. Podczas gdy tradycyjne znaczniki odegrały zasadniczą rolę w odkrywaniu neuroanatomii, nie są pozbawione wad: bezkrytycznie oznaczają ścieżki, nawet jeśli zostaną prawidłowo wstrzyknięte, a badania wykazały, że są one pobierane przez uszkodzone aksony10,11,12. W konsekwencji może to prowadzić do błędnych interpretacji w badaniach nad regeneracją, w których odcięte aksony mogą być mylone z regenerującymi się włóknami.
Poniższa metoda wykorzystuje system dwóch wektorów wirusowych, ostatnio spopularyzowany w badaniach modulacji, z dwoma różnymi wektorami wirusowymi w dwóch oddzielnych obszarach tego samego neuronu13,14. Pierwszym z nich jest wektor, który miejscowo infekuje ciała komórkowe neuronów projekcyjnych. Drugi to wektor wsteczny transportowany z zakończeń aksonów neuronów projekcyjnych (Rysunek 1). Wektor wsteczny przenosi rekombinazę Cre, a wektor lokalny zawiera sekwencję podwójnie floksowaną "Cre-On", w której kodowane jest białko fluorescencyjne (mCherry). Natywny transgen wyrażający zarówno hM3Dq, jak i mCherry jest odwrócony względem promotora i otoczony dwoma miejscami LoxP (Rysunek 2). Tak więc mCherry ulega ekspresji tylko w podwójnie transdukowanych neuronach projekcyjnych, w których rekombinaza Cre indukuje zdarzenie rekombinacji między miejscami LoxP, zmieniając orientację transgenu w odpowiednią ramkę odczytu i umożliwiając ekspresję zarówno białka DREADD, jak i fluorescencyjnego. Gdy transgen wirusa znajdzie się we właściwej orientacji i, w stosownych przypadkach, DREADD mogą przejściowo indukować neuromodulację poprzez oddzielnie wstrzykiwany ligand, tj. N-tlenek klozapiny. Protokół został opracowany w celu uwierzytelnienia badań nad indukowalną neuromodulacją u noworodków, w których DREADDS są wstrzykiwane w celu selektywnego modulowania CST. System dwóch wirusów działa jak polisa ubezpieczeniowa, zapewniając, że każda komórka DREADD-dodatnia jest identyfikowalna pod wpływem fluorescencji z wysoką wiernością w celu walidacji wstrzyknięć.
Ta metoda pomaga również wypełnić lukę w badaniach nad noworodkami. Uraz kręgosłupa u dzieci wiąże się z wyzwaniami, a badania analizujące regenerację, kiełkowanie lub plastyczność powinny podkreślić różnice między noworodkami a dorosłymi3,15,16,17. Optymalizując procedurę chirurgiczną i przeprowadzając wcześniejsze badania anatomiczne z barwieniem Nissl, zwalidowano współrzędne zarówno dla iniekcji czaszkowych, jak i rdzeniowych. Celem było opracowanie metody podwójnych wstrzyknięć nowonarodzonemu szczurowi z większą wiernością i szansą na przeżycie.
Dla obecnego modelu, wektor następczy został wstrzyknięty do ciał komórkowych kory somatomotorycznej przy użyciu bregma jako odniesienia18,19. Jeśli chodzi o zastrzyki rdzeniowe, wektor wsteczny został wstrzyknięty do blaszek V-VII, gdzie znajdują się zakończenia aksonów CST20,21. Istnieje wiele fundamentalnych pytań dotyczących tego, w jaki sposób niektóre modele zmian wpływają na młodsze zwierzęta w różny sposób i w jaki sposób późniejsza rekonwalescencja różni się od starszej hodowli. Badanie to demonstruje solidny sposób badania urazów szyjki macicy i możliwości odzyskania funkcji kończyn przednich u noworodków gryzoni. Natomiast większość wcześniejszych badań dotyczyła odzyskiwania lokomocji po urazach odcinka lędźwiowego lub klatki piersiowej5,22,23,24. Łącząc podwójny wektor wirusowy z nową techniką wstrzykiwania opisaną tutaj, protokół ten pomaga złagodzić pewne problemy (tj. przeżywalność), które mogą nękać badania noworodków na gryzoniach. Ta metoda jest solidna, praktyczna i wszechstronna: niewielkie różnice w technice pozwolą na celowanie w różne ścieżki, tj. CST brzuszne, CST grzbietowe i wznoszące się ścieżki grzbietowe.
Dla tego systemu, jeden lokalnie działający wirus (np. AAV2) jest wstrzykiwany w obszar komórek nerwowych będących przedmiotem zainteresowania. Drugi wirus transportowany wstecznie, który kontroluje ekspresję lokalnego wirusa, jest wstrzykiwany na zakończenia aksonów dla tej populacji neuronów. Tak więc, z definicji, tylko neurony korowo-rdzeniowe są znakowane. Wirus retroAAV-Cre został wybrany z konstytutywnie aktywnym promotorem CMV, ponieważ plazmid wahadłowy jest używany do generowania kilku serotypów AAV dla ekspresji zależnej od Cre w kilku typach komórek. Do iniekcji korowych wybrano AAV2 z transgenem napędzanym przez promotor synapsyny-1, aby ograniczyć ekspresję do neuronów. Ponieważ układ 2-wirusowy opiera się bardziej na pochodzeniu i zakończeniu populacji neuronów będących przedmiotem zainteresowania, można zastosować kilka różnych promotorów, jeśli mogą one sterować ekspresją genów będących przedmiotem zainteresowania w populacji neuronów będących przedmiotem zainteresowania. Na przykład pobudzający promotor neuronalny, CamKII, może zostać zastąpiony synapsyną-1. Oprócz zastosowania tych serotypów AAV, transport wsteczny do niedojrzałych i w znacznie mniejszym stopniu dorosłych korowo-rdzeniowych neuronów ruchowych można również osiągnąć za pomocą wysoce wstecznie transportowalnego lentiwirusa (HiRet)25. lentiwirusy HiRet wykorzystują chimeryczną glikoproteinę wścieklizny/VSV do ukierunkowania na wychwyt w synapsie w celu transportu wstecznego. W połączeniu z promotorem Tet-On, ten 2-wirusowy system wspiera indukowaną ekspresję w sposób zależny od retrogradacji26,27.
Wsteczne wirusy wprowadzają wektory do przestrzeni synaptycznej docelowego neuronu, pozwalając na przejęcie ich przez akson komórki i przetransportowanie do ciała komórki. Podczas gdy wektory lentiwirusowe odniosły wcześniej ogromny sukces, zapewniając długoterminową ekspresję w badaniach nad terapią genową, ta metoda skierowała się w stronę wektorów wirusowych związanych z adenowirusem z kilku prostych powodów26,28: AAV jest bardziej ekonomiczny, podobnie skuteczny i stanowi mniejsze obciążenie logistyczne, biorąc pod uwagę, że ma niższy poziom bezpieczeństwa biologicznego oznaczenie29,30,31,32. Podczas gdy AAV2, najczęściej używany serotyp, wykazuje solidną transfekcję aksonów CST, przyszli badacze mogą zauważyć, że AAV1 oferuje pewną wszechstronność, ponieważ znakuje transynaptycznie, przedstawiając w ten sposób kilka możliwych iteracji w przyszłych badaniach33. Ostatnią adaptacją jest zakodowanie wstecznego wirusa za pomocą rekombinazy Cre, tak aby można było wprowadzić jednocześnie wiele wektorów następczych, zmniejszając w ten sposób niepotrzebne wewnętrzne odpady wirusowe i maksymalizując prawdopodobieństwo ekspresji DREADD we właściwej orientacji.
Ostatecznie, ten protokół demonstruje jednoczesne wstrzykiwanie do kory mózgowej i odcinka szyjnego kręgosłupa, szczególnie celując odpowiednio w ciała komórkowe i zakończenia aksonów drogi korowo-rdzeniowej. Transfekcja o wysokiej wierności jest widoczna w korze mózgowej i rdzeniu kręgowym. Chociaż opisany protokół został udoskonalony dla szczurów Sprague Dawley w wieku 5 dni, nadaje się na 4-10 dni po porodzie z niewielkimi korektami znieczulenia i współrzędnych stereotaktycznych.