W tym protokole opisujemy, jak wstrzyknąć lentiwirusowi do mysiej jamy owodniowej w E7.5, prowadząc do jednolitej transdukcji całej płytki nerwowej, przy minimalnym szkodliwym wpływie na przeżycie lub rozwój embrionalny.
Artykuł metodologiczny
W tym protokole opisujemy, jak wstrzyknąć lentiwirusowi do mysiej jamy owodniowej w E7.5, prowadząc do jednolitej transdukcji całej płytki nerwowej, przy minimalnym szkodliwym wpływie na przeżycie lub rozwój embrionalny.
Manipulowanie ekspresją genów w rozwijającym się mózgu myszy w macicy ma ogromny potencjał do badań genetyki funkcjonalnej. Jednak wcześniej było to w dużej mierze ograniczone do manipulacji etapami embrionalnymi po neurulacji. Opracowano protokół wstrzykiwania do jamy owodniowej w dniu embrionalnym (E)7.5 i dostarczania lentiwirusa, kodującego cDNA lub shRNA, celującego w >95% płytki nerwowej i komórek grzebienia nerwowego, przyczyniając się do przyszłego mózgu, rdzenia kręgowego i obwodowego układu nerwowego. Protokół ten opisuje kroki niezbędne do osiągnięcia udanej transdukcji, w tym mielenie szklanych igieł kapilarnych, weryfikację ciąży, ocenę stopnia zaawansowania za pomocą obrazowania ultradźwiękowego oraz optymalne objętości wstrzyknięć dopasowane do stadiów embrionalnych.
Podążając za tym protokołem, możliwe jest osiągnięcie transdukcji >95% rozwijającego się mózgu za pomocą lentiwirusa o wysokim mianie, a tym samym przeprowadzenie manipulacji genetycznej całego mózgu. W przeciwieństwie do tego, możliwe jest osiągnięcie transdukcji mozaikowej przy użyciu niższych mian wirusa, co pozwala na genetyczne badania przesiewowe lub śledzenie linii. Wstrzyknięcie E7,5 jest również ukierunkowane na ektodermę i grzebień nerwowy, przyczyniając się do powstania odrębnych przedziałów oka, języka i obwodowego układu nerwowego. Technika ta daje zatem możliwość manipulowania ekspresją genów w tkankach pochodzących z płytek nerwowych i ektodermy myszy od etapów preneurulacji, z korzyścią dla zmniejszenia liczby myszy wykorzystywanych w eksperymentach.
Mózg i rdzeń kręgowy są jednymi z pierwszych organów, które inicjują formowanie się podczas embriogenezy1,2. Chociaż geny związane z zaburzeniami neurorozwojowymi są identyfikowane, funkcjonalne badanie wariantów genetycznych pozostaje w tyle3,4. Ponieważ generowanie myszy z warunkowym nokautem może trwać miesiące lub lata, interesująca jest alternatywna technika szybkiego badania funkcji genów w rozwijającym się mózgu. W zarodkach myszy neurulacja - proces morfogenetyczny, w którym płytka nerwowa przekształca się w cewę nerwową, dając początek ośrodkowemu układowi nerwowemu (OUN) - występuje między 8 a 10 dniem po zapłodnieniu5. Przed rozpoczęciem neurulacji płytka nerwowa, jako część ektodermy, składa się z pojedynczej warstwy komórek kolumnowych, które będą się namnażać i różnicować w liczne typy komórek neuronalnych i glejowych w CNS6,7. Dlatego, aby eksperymentalnie wywołać długotrwałe zmiany w ekspresji genów w OUN, celowanie w płytkę nerwową oferuje oczywiste korzyści, w tym dostępność wszystkich komórek progenitorowych.
W neurobiologii, w elektroporacji ovo8,9 i transdukcja wirusowa embrionalnych zarodków myszy zostały wykorzystane do manipulowania embrionalną ekspresją genów OUN. Rozwijający się zarodek pisklęcia jest modelem z wyboru do badania funkcji genów podczas rozwoju rdzenia kręgowego ze względu na dostępność zarodka pisklęcia w jaju i wynikającą z tego łatwość manipulowania ekspresją genów. W szczególności elektroporacja plazmidu in ovo generuje warunki eksperymentalne i kontrolne w każdym rdzeniu kręgowym pisklęcia. Elektroporacja powoduje przenikanie błony komórkowej i kieruje ujemnie naładowane DNA z (ujemnej) katody w kierunku (dodatniej) anody poprzez przyłożenie impulsu elektrycznego za pośrednictwem dwóch elektrod do zarodka. U myszy elektroporacja in utero była na ogół ograniczona do etapów embrionalnych, w których zakończyła się neurulacja, a mózg lub rdzeń kręgowy składa się już z kilku warstw komórek, co skutkuje niską wydajnością elektroporacji10. Elektroporacja plazmidu powoduje przejściową ekspresję genów i zazwyczaj celuje w kilka komórek.
Mikroiniekcja in utero pod kontrolą ultradźwięków została wykorzystana do manipulowania różnymi strukturami embrionalnymi, takimi jak skóra i mózg11,12,13,14. Jednak wstrzyknięcia ukierunkowane na rozwijający się mysi OUN wykazały niską skuteczność lub negatywnie wpłynęły na przeżycie zarodka12,13,14. W związku z tym opracowano ulepszony protokół dostarczania lentiwirusa o wysokim mianie do jamy owodniowej (AC) w E7.5, który został nazwany NEPTUNE dla neural plate targeting z in utero nano-injection15. Zastrzyki skutkowały długotrwałą skutecznością celowania wynoszącą >95% całego mózgu przy E13,5. Ponadto podczas ultradźwiękowej weryfikacji ciąży wprowadzono etap oceny stopnia zaawansowania, aby posortować samice i ciąże według etapu rozwoju, aby zminimalizować niepotrzebne procedury na zwierzętach badawczych i zmaksymalizować sukces wstrzyknięcia. Wydajność wtrysku i przeżywalność są ściśle związane ze wzrostem wielkości AC. Dlatego w tym artykule opisano, jak zmierzyć wielkość AC przed wstrzyknięciem, aby dostarczyć odpowiednią objętość AC, która nie spowoduje resorpcji zarodka. NEPTUNE jest solidną alternatywą dla obecnych podejść in utero i może być zaadaptowany do kilku zastosowań, w tym między innymi do badań nad zyskiem i utratą funkcji, śledzenia linii lub badań przesiewowych15,16.
Myszy CD1 typu dzikiego były utrzymywane zgodnie z europejskimi przepisami, w standardowym cyklu dnia i nocy, z dostępem do pożywienia i wody ad libitum. Samice CD1 były kojone z samcami CD1 przez noc, a rano sprawdzano obecność czopów pochwowych (E0.3). Do iniekcji wykorzystano wyłącznie samice w ciąży. Zgoda etyczna na wszystkie opisane tutaj eksperymenty została wydana przez Szwedzką Radę Rolnictwa (Jordbruksverket).
1. Przygotowanie szklanych mikroelektrod: wyciąganie i szlifowanie igieł
UWAGA: Chociaż można kupić igły wcześniej szlifowane, samodzielne przygotowanie igieł w laboratorium pozwala na łatwą regulację długości igły, średnicy otworu oraz kąta ścięcia.

Rysunek 1: Przygotowanie igieł do iniekcji do jam płucnych w stadium E7,5. (A) Reprezentatywne przykłady wyciągniętej, ale nieciętej szklanej igły kapilarnej (lewo), igły kapilarnej odciętej na optymalną długość do iniekcji E7,5 (środek) oraz kapilary odciętej zbyt krótko (prawo). (B) Szlifierz z równomierną warstwą wody, gotowy do szlifowania igieł. (C-F) Reprezentatywne przykłady różnych końcówek igieł. (C) Odcięta, ale nieszlifowana końcówka igły zamontowana w szlifierzu; (D) idealna pozycja szlifowania, w której końcówka igły ledwo dotyka szlifierza; (E) igła opuszczona zbyt nisko i wyginająca się podczas procesu szlifowania; (F) idealnie oszlifowana końcówka igły do iniekcji do jam płucnych (AC) w stadium E7,5. (G) Oszlifowana końcówka igły pokazująca światło o średnicy wewnętrznej ~15 µm i średnicy zewnętrznej ~35 µm, co jest odpowiednie do iniekcji AC E7,5. Światło igły zaznaczono liniami przerywanymi. Średnica zewnętrzna jest oznaczona czerwonymi grotami strzałek; średnica wewnętrzna jest oznaczona niebieskimi grotami strzałek. (H) Przechowywanie igieł: szalka Petriego wypełniona wyciągniętymi i oszlifowanymi igłami. Dwa rzędy plasteliny służą jako uchwyty. UWAGA: Dla mikrometru okularowego w punktach C, F, G, 1 cm jest podzielony na 100 kresek; obiektyw ma powiększenie 3x; zatem 1 kreska = 10 000 µm/(100 × 3) ≈ 33,4 µm. Skróty: AC = jama płucna; ID = średnica wewnętrzna; OD = średnica zewnętrzna. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
2. Dzień przed iniekcją: przygotowanie stanowiska do weryfikacji ciąży za pomocą USG
UWAGA: Wszystkie prace przy użyciu lentiwirusów powinny być wykonywane w wentylowanej komorze bezpieczeństwa biologicznego poziomu 2 (BSL 2). Weryfikacja ciąży za pomocą ultradźwięków może być przeprowadzona na wentylowanym blacie.
3. Badanie ultrasonograficzne w celu potwierdzenia ciąży
UWAGA: Ten etap można przeprowadzić dzień przed wstrzyknięciami w dniu E7.5, czyli w dniu E6.5. Szczegóły dotyczące weryfikacji wieku ciążowego znajdują się w sekcji dyskusji.
4. Badanie ultrasonograficzne w celu określenia stadium rozwoju zarodka
UWAGA: Ten krok jest wykonywany przed operacją i służy do stratyfikacji ciężarnych samic według wielkości ich AC. Krok ten jest kluczowy w dniu E7.5, gdy celem jest celowanie w rozwijający się OUN. Na tym wczesnym etapie rozwoju różnica zaledwie kilku godzin w rozwoju znacząco wpływa na wielkość AC oraz postęp neurulacji.

Rysunek 2: Inspekcja i ocena stopnia rozwoju jam owodniowych podczas kontroli ultradźwiękowej. (A) Przegląd systemu szynowego z przymocowaną głowicą ultradźwiękową, nanowtryskiwaczem i stołem grzewczym. Głowicę ultradźwiękową można przesuwać w płaszczyznach x, y i z, aby uzyskać optymalne ustawienie względem brzucha samicy lub jam owodniowych (AC). (B) Stół grzewczy można przesuwać za pomocą dwóch kół w płaszczyznach x i/lub y, co pozwala na precyzyjne skanowanie i ocenę jam owodniowych, podczas gdy głowica ultradźwiękowa może pozostać nieruchoma. (C) Reprezentatywne obrazy ultradźwiękowe decidua w dniu E6.5 wewnątrz brzucha samicy podczas kontroli ultradźwiękowej w celu potwierdzenia ciąży (białe przerywane kontury). Na tym etapie jamy nie są jeszcze uformowane; jednak czasami widoczny jest stożek ektoplacentalny (białe gwiazdki). Decidua można rozpoznać po kulistym kształcie i odróżnić od jelita, które wygląda jak jedna ciągła rurka. (D) Reprezentatywna sekwencja obrazów jelita cienkiego (białe przerywane kontury), które jest ciągłe podczas skanowania dolnej części brzucha. (E-G) Reprezentatywne obrazy ultradźwiękowe podczas oceny stadiów jam przed wstrzyknięciami w dniu E7.5. Jama owodniowa i jama egzocelomiczna są już uformowane i oddzielone przez błonę owodniową (amnion). Stożek ektoplacentalny służy jako główne źródło dopływu krwi i pojawia się jako jasny punkt w obrazie ultradźwiękowym. Jama owodniowa znajduje się najdalej od stożka ektoplacentalnego. (E) Jamy owodniowe o idealnym rozmiarze wydają się większe od jamy egzocelomicznej, podczas gdy jamy o średnim rozmiarze wydają się mniejsze (F). Jeśli żadne jamy nie są widoczne (G), oznacza to, że zarodek został resorbowany lub nie osiągnął jeszcze stadium E7.5. Paski skali = 1 mm. Skróty: A = amnion; AC = jama owodniowa; ExC = jama egzocelomiczna; EC = stożek ektoplacentalny. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
5. Dzień wstrzyknięcia: przygotowanie stanowiska BSL2 do operacji
6. Napełnianie igły

Rysunek 3: Mocowanie igły do nanowtryskiwacza i pobieranie roztworu. (A) Pozycja początkowa przed zamontowaniem igły na nanowtryskiwaczu: metalowy tłok całkowicie cofnięty, tuleja zaciskowa zamocowana. (B) Pod tuleją zaciskową pokazano wszystkie trzy komponenty do trzymania i zabezpieczania igły w prawidłowej kolejności (od lewej do prawej): uszczelniający O-ring (cienki i czarny), podkładka (biała), O-ring (czarny) z dużym otworem (przez który musi przejść igła). Aby zapewnić szczelne połączenie, szklana igła jest nasuwana na metalowy tłok (C) i wpychana przez otwór przedniego O-ringu, aż dotrze do podkładki (D). (E-H) Pobieranie roztworu do igły. (E) Jedną kroplę roztworu umieszcza się na kawałku parafilmu na pokrywce płytki. (F) Przed pobraniem roztworu należy utworzyć pęcherzyk powietrza, naciskając Fill, a następnie zanurzyć końcówkę igły w roztworze. (G) Roztwór jest pobierany do igły. (H) Roztwór został pobrany do igły. UWAGA: Tuleja zaciskowa została usunięta w punktach (B-D) w celu wizualizacji, ale powinna pozostać zamocowana podczas eksperymentów. Ostatnim krokiem zabezpieczenia igły jest dokręcenie tulei zaciskowej. Do wizualizacji w punktach E-H użyto barwnika błękitu Evansa. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
7. Iniekcje
UWAGA: Wszystkie instrumenty użyte w tej procedurze są sterylizowane przed operacją oraz pomiędzy kolejnymi myszami.

Rycina 4: Optymalny rozmiar i orientacja jamniowej jamy dla pomyślnych wstrzyknięć. (A) Róg macicy z wieloma deciduami w stadium E7.5, ukształtowany jak sznur sfer (na dole) w porównaniu do jelita grubego (na górze). (B) Chwyć tkankę macicy (białe linie przerywane) pomiędzy deciduami. Unikaj bezpośredniego ściskania decidu (białe groty strzałek) pincetą, ponieważ decidu i rozwijające się zarodki są w tym wczesnym stadium delikatne i podatne na resorpcję pod wpływem nadmiernej siły zewnętrznej. (C) Samica w pozycji na plecach z odsłoniętymi deciduami w szalce Petriego wypełnionej PBS, zamocowanej na czterech nóżkach z gliny modelarskiej. Decidu są stabilizowane przez dodatkowy kawałek gliny modelarskiej w kształcie walca. (D, E) Orientacja AC zależy od tego, która strona rogu macicy jest odsłonięta. Jeśli użyte są decidu z lewego rogu macicy, AC będzie skierowana w stronę przeciwną do stabilizatora z gliny i będzie łatwo dostępna dla igły po lewej stronie (D). Jednak w przypadku użycia prawego rogu macicy, w stronę igły będzie skierowany stożek ektoplacentalny, co utrudni dostęp do AC (E). Dlatego przy wstrzykiwaniu do prawego rogu macicy stabilizator z gliny umieszcza się po stronie zwróconej ku igle (F), a cały stół grzewczy obraca się o 180° (G). (H) Zalecane objętości wstrzykiwania w zależności od rozmiaru AC. Generalnie, do jam o średnicy ≤ 0.2 mm można wstrzyknąć maksymalnie 69 nL. Średnice > 0.2 mm i ≤ 0.29 mm tolerują objętości do 2 x 69 nL (138 nL), a jamy > 0.29 mm mogą zostać wstrzyknięte ilością 3 x 69 nL (207 nL). Paski skali = 1 mm. (I, J) Nanowstrzykiwacz jest przymocowany do systemu szyn i może być przemieszczany w płaszczyznach x i/lub z. Kąt igły można regulować pokrętłem inject angle. (K, L) Końcówka igły (biały grot strzałki) jest wyrównana z AC, gdy wykazuje największą jasność w obrazie USG (L). (M) Obraz USG pokazujący proces wstrzykiwania, w którym końcówka igły znajduje się w AC i jest prawidłowo wyrównana (biały grot strzałki). Skróty: A = amnion; AC = jama amniotyczna; ExC = jama egzocelomiczna; EC = stożek ektoplacentalny. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Zarodki wstrzyknięte w E7.5 lentiwirusem hPGK-H2B-GFP11,12 zebrano w E13.5 i zbadano pod fluorescencyjnym mikroskopem sekcyjnym (Rysunek 5A). Pomyślna transdukcja płytki neuralnej skutkuje powstaniem zarodków z silną ekspresją reportera fluorescencyjnego głównie w mózgu oraz w innych tkankach pochodzenia ektodermalnego, np. skórze (Rysunek 5A,B). Wstrzyknięcie nadmiernie dużej objętości (większej niż zalecane tutaj objętości, np. ≥500 nL) zwiększa ciśnienie w AC i może prowadzić do całkowitej resorpcji (dane niepokazane) lub wad cewy nerwowej, takich jak exencephalia (Rysunek 5A). Pomyślne wstrzyknięcia w E7.5 skutkują jednorodną transdukcją od przedmózgu do rombencephalonu (Rysunek 5C-J).
Miana lentiwirusa na poziomie około 2 × 1010 jednostek zakaźnych (IFU) osiągają ponad 95% celowania, podczas gdy miana rzędu ~1 × 109 IFU osiągają 15% wydajności targetowania15Dodatkowo, struktury, które wcześniej były trudne do ukierunkowania przy użyciu elektroporacji, takie jak splot naczyniowy17,18, są również celem (Rycina 5 E,F). Skuteczność transdukcji można modyfikować poprzez dostosowanie miana wirusa podawanego do komory przedniej (AC). Wstrzyknięcie niskiego miana prowadzi do transdukcji pojedynczych klonów komórkowych (Rysunek 5C, Rysunek 5Ei Rysunek 5G,H) podczas gdy zastosowanie wirusa o wysokim mianie transdukuje niemal 100% całego mózgu (Rysunek 5D, Rycina 5F, Rycina 5Hi Rycina 5J). W związku z tym system NEPTUNE może być wykorzystywany zarówno w podejściach opartych na transdukcji klonalnej, śledzeniu linii komórkowych oraz screeningu genetycznym, jak i do badania ogólnego wpływu nadekspresji lub wyciszania genów w całym mózgu.
Rozwój oka ssaków jest wynikiem ściśle zorganizowanej komunikacji między trzema pochodnymi embrionalnej ektodermy: siatkówka neuronowa (NR) i nabłonek barwnikowy siatkówki (RPE) wywodzą się z neuroepithelium brzusznej części przedmózgowia, natomiast ektoderma powierzchniowa daje początek przyszłej soczewce i nabłonkowi rogówki. Jednakże centralna tkankazrębowa oraz tylny śródbłonek, dwie pozostałe warstwy rogówki, pochodzą z komórek grzebienia neuronalnego mezenchymy okołogałębnej19,20. Przekroje wieńcowe embrionów w stadium E13.5, którym w stadium E7.5 wstrzyknięto lentiwirus o wysokim mianie, wykazały – podobnie jak w przypadku mózgu – wysoką i jednorodną transdukcję tkanki neuronalnej oka, a także soczewki, rogówki i mezenchymy (Rycina 5K). W miarę postępu neurulacji iniekcje w stadiach E8.5 i E9.5 skutkują dalszym celowaniem w soczewkę i nabłonek rogówki (Rycina 5L i Rycina 5N), podczas gdy transdukcja tkanek oka pochodzenia neuroektodermalnego jest mniej wydajna w stadium E8.5 (Rycina 5L,M) lub nie zachodzi w stadium E9.5 (Rycina 5N).
Podczas gdy większość cząsteczek wirusowych infekuje tkanki odsłonięte w momencie wstrzyknięcia, niektóre cząsteczki transdukują tkanki niepochodzące z ektodermy, które rozwijają się później (Rysunek 6A). Ślinianki i przewody ślinowe rozwijają się około E11.5 z nabłonka jamy ustnej21 i są celem NEPTUNE (Rysunek 6B). Po wstrzyknięciach w E9.5 nabłonek językowy języka jest dobrze transdukowany; jednakże leżąca pod nim mezenchyma jest negatywna (Rysunek 6C; nawiasy oznaczają komórki transdukowane; gwiazdki oznaczają sygnał autofluorescencji, a nie komórki transdukowane). Dodatkowo w obrębie nabłonka językowego występują klastry dodatnie, oddzielone sekcjami negatywnymi (Rysunek 6C, białe groty strzałek), co sugeruje transdukcję powierzchni brodawek. Komórki grzebienia neuronalnego opisano w leżącej pod spodem mezenchymie języka oraz w obrębie nabłonka językowego, gdzie uczestniczą one w rozwoju brodawek smakowych i pączków smakowych22. Rzeczywiście, wstrzyknięcia w E7.5 skutkują rozległą transdukcją mezenchymy języka w E13.5 (Rysunek 6D), co sugeruje, że wczesne wstrzyknięcia celują w komórki grzebienia neuronalnego, przyczyniając się do tworzenia mezenchymy w języku.
U kręgowców zwoje rdzeni grzbietowych (DRG) stanowią kluczowy element obwodowego układu nerwowego (OUN), ponieważ wszystkie sygnały somatosensoryczne z obwodu ciała (temperatura, ból, nacisk) są przekazywane do mózgu poprzez aktywację neuronów DRG23. Zarówno neurony, jak i komórki glejowe DRG pochodzą z komórek grzbietu neuronalnego tułowia24. Iniekcja lentiwirusowa, w której uniwersalny promotor hPGK kontroluje ekspresję fluorescencyjnego reportera, prowadzi do rozległego celowania w ośrodkowy i obwodowy układ nerwowy (Rysunek 7A), transdukując zarówno neurony, jak i progenitorów w rdzeniu kręgowym (Rysunek 7B), jak również w DRG (Rysunek 7C). Zastosowanie MiniPromotora dla doublecortin25 pozwala ograniczyć ekspresję GFP wyłącznie do neuronów (15 oraz Rysunek 7D,E).

Rysunek 5: Wysoka wydajność lub transdukcja klonalna za pomocą metody NEPTUNE. (A) Zarodki w stadium E13.5 pod mikroskopem sekcyjnym oświetlone standardowym oświetleniem (panel lewy) oraz te same zarodki oświetlone pod kątem GFP (panel prawy). Zarodek nieiniekcyjny po skrajnej lewej stronie, pomyślnie zainiekcyjny zarodek po skrajnej prawej stronie, wykazujący sygnał pozytywny w mózgu (zarodek najdalej po prawej). Zarodek z ekscencefalią z powodu wstrzyknięcia zbyt dużej objętości (zarodek środkowy). (B) Celowanie w skórę i mózg po iniekcji w stadium E7.5. Pasek skali = 50 µm. (C, D) Konfokalne obrazy przedmózgowia w stadium E13.5 z niską transdukcją klonalną (C) lub wysoką wydajnością transdukcji (D). (C, E, G, I) Transdukcja klonalna różnych regionów mózgu. (D, F, H, J) Wysokowydajna transdukcja różnych regionów mózgu. Paski skali = 200 µm. Różne wydajności transdukcji są reprezentatywne dla innych obszarów OUN. (E, F) Celowanie w splot naczyniowy, klonalnie (E) lub z wysoką wydajnością (F). Paski skali = 200 µm. (G, H) Celowanie klonalne (G) i wysokowydajne (H) w obrębie rombencefalonu, powiększone na (I, J). Paski skali = 200 µm. (K) Ekspresja reportera GFP w oku w stadium E13.5 po iniekcji in utero w stadium E7.5 (L, M) ekspresja reportera GFP w oku w stadium E15.5 po iniekcji in utero w stadium E8.5 (L), obszar w ramce powiększony na (M), lub w stadium E9.5 (N). Autofluorescencyjne naczynia krwionośne oznaczone są białymi gwiazdkami. Paski skali = 100 µm. Skróty: NEPTUNE = neural plate targeting with in utero nano-injection; C = rogówka; LE = nabłonek soczewki; LF = włókna soczewki; M = mezenchyma; NR = siatkówka nerwowa; ON = nerw wzrokowy; RPE = nabłonek pigmentowy siatkówki; GFP = zielone białko fluorescencyjne; CNS = ośrodkowy układ nerwowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Transdukcja tkanek poznerwowych in utero. (A) Obraz konfokalny jamy ustnej w stadium E15.5. Zarodek został wstrzyknięty z lentiwirusowym reporterem fluorescencyjnym w stadium E9.5. Pasek skali = 200 µm. (B, C) (B) Powiększenie panelu wstawkowego; nabłonek przewodu ślinowego transdukowany wirusem. (C) Powiększenie panelu wstawkowego; grzbietowy nabłonek języka transdukowany wirusem z reporterem GFP (biały nawias). Podlegający mu mezenchym pochodzący z komórek grzebienia neuronalnego jest negatywny. Białe groty strzałek wskazują brodawki z negatywnymi komórkami grzebienia neuronalnego otoczonymi przez transdukowane wirusem komórki nabłonkowe (autofluorescencyjne komórki krwi/naczynia są oznaczone białymi gwiazdkami). Paski skali = 50 µm. (D) Schemat i obraz konfokalny mezenchymu języka w stadium E13.5 po wstrzyknięciu fluorescencyjnego wirusa reporterowego w stadium E7.5. Pasek skali = 50 µm. Skróty: D = grzbietowy (Dorsal); M = mezenchym (Mesenchyme); N = nosogardziel (Nasopharynx); SLD = przewód podjęzykowy (Sublingual Duct); SMD = przewód podżuchwowy (Submandibular Duct); T = język (Tongue); V = brzuszny (Ventral); GFP = zielone białko fluorescencyjne. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Transdukcja komórek zwojów korzeni grzbietowych pochodzących z grzebienia neuronalnego. (A) Celowanie metodą NEPTUNE w stadium E7.5 pozwala na celowanie zarówno w OUN, jak i OUNW. (B) Obraz konfokalny rdzenia kręgowego i zwojów korzeni grzbietowych (DRG) w stadium E13.5, do których w stadium E7.5 wstrzyknięto lentiwirusowy reporter hPGK-H2B-GFP, wykazuje transdukcję zarówno progenitorów neuronalnych SOX2+, jak i neuronów NeuN+. Pasek skali = 100 µm. (C) Powiększenie zaznaczonego obszaru z rysunku B, pokazujące DRG z ekspresją GFP w populacjach komórek SOX2+ (białe strzałki) i NeuN+ (białe groty strzałek). Pasek skali = 20 µm. (D) Obraz konfokalny rdzenia kręgowego i DRG w stadium E13.5, do których w stadium E7.5 wstrzyknięto lentiwirus DCX-H2B-GFP, celujący wyłącznie w komórki DCX+. Pasek skali = 100 µm. (E) Powiększenie zaznaczonego obszaru z rysunku D, pokazujące DRG z ekspresją GFP ograniczoną do neuronów DCX+ (białe groty strzałek). Komórki DCX- są negatywne pod kątem GFP (białe strzałki). Pasek skali = 20 µm. Skróty: NEPTUNE = neural plate targeting with in utero nano-injection; OUN = ośrodkowy układ nerwowy; OUNW = obwodowy układ nerwowy; DRGs = zwoje korzeni grzbietowych; GFP = zielone białko fluorescencyjne. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
W tym protokole jest kilka etapów, które wpływają na przeżycie zarodka, jakość zastrzyków i odczyt. Wiek ciążowy zarodków określa się jako E0,5 w południe w dniu czopa pochwowego po nocnym kryciu. Wykonanie badania ultrasonograficznego ciąży w E6.5 późnym popołudniem/wieczorem zapewnia, że zarodki są wystarczająco rozwinięte, aby można je było zidentyfikować za pomocą ultradźwięków. Kontrola (1) pozwala na wstępne badanie przesiewowe, ile myszy z zatyczkami jest faktycznie w ciąży, (2) zapewnia, że żaden wirus nie jest niepotrzebnie rozmrażany i marnowany w przypadku, gdy myszy z zatyczkami dodatnimi nie są w ciąży, oraz (3) zmniejsza niepotrzebne interwencje na myszach (unika operacji u samic niebędących w ciąży).
W E7.5 zarodki są wrażliwe na siły zewnętrzne i należy obchodzić się z nimi ostrożnie. Na przykład ciągnięcie za rogi macicy lub ściskanie decyduas może prowadzić do resorpcji zarodka. Tkanka macicy powinna być zawsze wilgotna, gdy znajduje się poza brzuchem kobiety, aby zapobiec wysuszeniu tkanki. Większość decyduów powinna pozostać w jamie brzusznej samicy, a tylko 3-4 powinny być wystawione na wstrzyknięcia. Ostrość igły jest kolejnym kluczowym czynnikiem decydującym o udanych iniekcjach. lub złamane końcówki igieł powodują wielokrotne nakłuwanie decyduami lub ściskanie plasteliny przed wejściem do AC, co może zwiększyć szybkość resorpcji. Dlatego dobrze zmielone i ostre igły należy zawsze bezpiecznie przechowywać i wymieniać po maksymalnie 2 samicach.
Protokół ten opisuje, w jaki sposób celować w płytkę nerwową za pomocą jednego wstrzyknięcia lentiwirusa. Co więcej, pokazuje, w jaki sposób skuteczność transdukcji można dostosować z klonów jednokomórkowych do całego mózgu. Jednak celem są również inne tkanki nienerwowe, w tym skóra i nabłonek jamy ustnej. Ponadto transdukowane są wszystkie typy komórek (komórki progenitorowe i zróżnicowane), co sprawia, że podejście to jest skuteczne, ale niespecyficzne. Zastosowanie MiniPromoterów w konstrukcie wirusowym prowadzi do specyficznej ekspresji transgenu w neuronach lub astrocytach15. Ma to tę zaletę, że pozwala uniknąć stosowania dedykowanych transgenicznych zwierząt Cre, a tym samym zmniejsza ilość pracy (utrzymanie szczepu i genotypowanie) oraz koszty.
Do ograniczeń NEPTUNA zalicza się jego trudności techniczne, trudności związane z pozyskiwaniem ciężarnych samic w przewidywalnym i stałym tempie oraz koszty pozyskania specjalistycznego oprzyrządowania. Co więcej, nieselektywne celowanie w komórki przez lentiwirusa może być postrzegane zarówno jako korzyść, jak i ograniczenie tej techniki. Wstrzyknięcie większych objętości do AC powoduje bezmózgowie13, chociaż w przypadku opisanych tutaj objętości unika się wad rozwojowych mózgu i egzencefalii15. Negatywny wpływ na rozwój mózgu ma zatem ryzyko związane z nanoiniekcjami in utero , którego należy ostrożnie unikać, wstrzykując odpowiednie objętości dostosowane do stadium embrionalnego i wielkości AC.
Przyszłe adaptacje tej techniki mogą koncentrować się na tropizmie wirusowym. Wirusy związane z adenowirusami (AAV) mają różne serotypy, które, jak wykazano, silnie atakują różne typy komórek w OUN 17,26. Jednak AAV nie integrują się z genomem komórki gospodarza i dlatego mogą zostać utracone w komórkach o wysokim współczynniku podziału. Chociaż istnieje kilka sposobów na zwiększenie swoistości NEPTUNA, zwierzęta transgeniczne są nadal złotym standardem, jeśli chodzi o manipulację genami in vivo. Myszy Cas9 i lentiwirus kodujący sgRNA zostały wykorzystane do genetycznych badań przesiewowych w naskórku embrionalnym27 i mogą być również przystosowane do rozwijającego się OUN.
Wstrzyknięcia do AC przy E7,5 skutecznie celują w komórki neuroektodermy przed rozpoczęciem neurulacji i celują w rozwijający się mózg skuteczniej niż elektroporacja w macicy . Pozwala to na badanie sygnałów genetycznych ważnych dla rozwoju mózgu od wcześniejszego punktu czasowego. W przeciwieństwie do klasycznych mysich modeli genetycznych, NEPTUNE oferuje elastyczne podejście do przeprowadzania funkcjonalnej analizy genów. Fenotypy po nadekspresji lub delecji genu można badać w ciągu kilku dni lub tygodni, a nie miesięcy lub lat. Wstrzyknięcia wielu konstruktów wirusowych pozwalają na manipulację kilkoma genami w obrębie jednego zarodka i pozwalają uniknąć generowania zwierząt z podwójnym lub potrójnym nokautem. Dzięki temu NEPTUNE nie tylko oszczędza czas, ale także może zmniejszyć liczbę zwierząt wykorzystywanych w badaniach.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.
Dziękujemy Bettiny Semsch i Jia Sun (Infinigene) za fachową opiekę nad myszami; Florian Salomons i Göran Månsson z Biomedicum Imaging Core (BIC) za pomoc w pozyskiwaniu obrazów i konsultacje. Finansowanie: Dziękujemy następującym fundatorom za wsparcie tego projektu: Szwedzka Rada ds. Badań Naukowych, Karolinska Institutet (KI Foundations, Career Development Grant, doktorant KID funding oraz finansowanie SFO StratNeuro, Centrum Medycyny Innowacyjnej), The Ollie and Elof Ericssons Foundation, Tornspiran Foundation, Jeansssons Foundation, Sven and Ebba-Christina Hagbergs Prize and Research Grant, Grant dla Knuta i Alice Wallenbergów, Fundacja Fredrika i Ingrid Thurings, Lars Hiertas Minne, Fundacja Walki z Rakiem Dziecięcym (Barncancerfonden), Fundacja Åhlen, Fundacja Ake Wibergs, Fundacja Tore Nilssons oraz Stypendium dla Rozpoczęcia Nauki Szwedzkiej Fundacji dla ERA. Rysunek 4D,E zostały stworzone za pomocą BioRender.com.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Strzykawka 1 ml | BD Bioscience | 309628 | |
| 27 G Igła | BD Bioscience | 300635 | |
| 3,5 cala kapilary | Drummond Scientific | 3000203G/X | Były używane do wyciągania igieł domowych |
| Przetwornik serii MS 70 MHz | Visual Sonics | MS700 | |
| Aquasonic przezroczysty żel ultradźwiękowy | Parker Laboratories | Mar-50 | |
| Autoclip Applier 9 mm | Angthos | 12020-09 | |
| CD1 myszy | Charles River, Niemcy | Crl:CD1(ICR) | Kobiety: od 8 tygodnia życia Samce: od 12 tygodnia życia |
| Wacik bawełniany | OneMed Sverige AB | 120788 | |
| DPBS | Gibco | 14190094 | |
| Kleszczyki opatrunkowe delikatne proste 13 cm | Agnthos | 08-032-130 | |
| EG-400 Narishige Młynek do mikropipet | Narishige | NA | |
| EZ klipsy 9 mm | Angthos | 59027 | klipsy |
| Nożyczki do irysa, Super Cut, proste, 9 cm | Agnthos | 307-336-090 | |
| Isofluorane | Baxter Medical AB | EAN: 50085412586613 | Zakupione w szwedzkiej aptece |
| Kimwipes | Kimberly Clarke | 7557 | |
| Taśma membranowa | Visual Sonics | SA-11053 | |
| Ściągacz do mikropipet | Instrument Sutter | P-97 | |
| Modeling Clay | Sense AB | 10209 | |
| Stół do obsługi myszy | Visual Sonics | 50249 | |
| Zestaw automatycznego wtryskiwacza Nanoject II | Drummond | 3-000-205A | |
| Parafilm | Bemis | HS234526C | |
| szalka Petriego z centralnym otworem (niska ścianka) | Visual Sonics | SA-11620 | |
| szalka Petriego, (Ø xH): 92 x 16 mm | Sarstedt | 82.1472.001 | |
| Rely+On Virkon | DuPont | 130000132037 | środek dezynfekujący |
| Membrana silikonowa | Visual Sonics | SA-11054 | |
| Steri 250, sterylizator gorących kulek | Angthos | 31100 | |
| Taśma chirurgiczna (1,25 cm x 9,14 m) | Medicarrier | 67034 | |
| Vevo Compact Dual (Med. Air & O2) System anestezjologiczny | Visual Sonics | VS-12055 | |
| Vevo Imaging Station 2 | Visual Sonics | VS-11983 | |
| Vevo2100 | Visual Sonics | VS-20047 | |
| Vicryl 6-0; Igła C-3, 45 cm fioletowy filament | Agnthos | J384H |