Walidacja prawidłowego dostarczenia wektorów AAV do neuronów dopaminergicznych szlaku nigrostriatalnego
W celu zbadania procesów neuroinflamacji, neurodegeneracji i zaburzeń ruchowych wywołanych patologią synukleiny, zastosowano model mysi choroby Parkinsona indukowany jednostronnym stereotaksycznym wprowadzeniem do SN wektora AAV kodującego hαSyn16,17,30,31 (patrz schemat doświadczalny na Rysunku uzupełniającym 1). Aby potwierdzić prawidłowe dostarczenie wektorów AAV do neuronów dopaminergicznych szlaku nigrostriatalnego, do SN wstrzyknięto AAV kodujący GFP (AAV-GFP), a po 12 tygodniach przeanalizowano fluorescencję GFP oraz immunoreaktywność tyrozynowej hydroksylazy (TH) w SN i prążkowiu za pomocą immunofluorescencji. Fluorescencja związana z GFP była obserwowana wyłącznie po stronie ipsilateralnej i stwierdzono znaczną kolokalizację z immunoreaktywnością TH zarówno w SN, jak i w prążkowiu, co wskazuje na prawidłowe dostarczenie wektorów AAV do neuronów dopaminergicznych szlaku nigrostriatalnego (Rysunek 1).

Rysunek 1: Analiza dostarczenia AAV-GFP do szlaku nigrostriatalnego. Myszy otrzymały AAV-GFP (1 x 1010 vg/mysz), a po 12 tygodniach zostały uśpione, po czym wykonano immunostaining TH w (A) istocie czarnej (paski skali: 118 µm) oraz (B) prążkowiu (paski skali: 100 µm). Fluorescencję związaną z TH i GFP analizowano za pomocą mikroskopii epifluorescencyjnej. Jądra komórkowe barwiono DAPI. Przedstawiono reprezentatywne obrazy barwień pojedynczych lub nałożonych TH (czerwony), GFP (zielony) i DAPI (niebieski). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Ustalenie dawki wektora wirusowego podawanego w celu wywołania neurodegeneracji i zaburzeń motorycznych w mysim modelu choroby Parkinsona indukowanej AAV-hαSyn
Aby przetestować dawkę AAV-hαSyn niezbędną do wywołania istotnej nadekspresji hαSyn promującej neurodegenerację dopaminergicznych neuronów istoty czarnej, wstrzyknięto różne dawki AAV-hαSyn (1 x 108 genomów wirusowych [vg]/mysz, 1 x 109 vg/mysz lub 1 x 1010 vg/mysz), a po 12 tygodniach oceniono immunoreaktywność hαSyn oraz zakres immunoreaktywności TH w drodze nigrostriatalnej. Chociaż immunoreaktywność hαSyn była widoczna w SN przy wszystkich testowanych dawkach (Rycina 2), tylko myszy otrzymujące 1 x 1010 vg/mysz wykazały wyraźną immunoreaktywność hαSyn w prążkowiu (Rycina 3). Co więcej, myszy otrzymujące 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn wykazały znaczną utratę neuronów dopaminergicznych w SN (Rycina 4A,B). Podczas gdy myszy otrzymujące 1 x 1010 vg/mysz AAV-GFP wykazały niski stopień utraty neuronów (~20%) (Rycina 4A,B), myszy otrzymujące taką samą dawkę AAV-hαSyn zaprezentowały znacznie wyższy stopień neurodegeneracji dopaminergicznych neuronów istoty czarnej (Rycina 4C). W związku z tym dalsze eksperymenty przeprowadzono z użyciem dawki 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn. Dodatkowo, zakres zaburzeń motorycznych u myszy otrzymujących różne dawki AAV-hαSyn określono za pomocą testu belkowania (Rycina 5A), zgodnie z wcześniejszym opisem25. Znaczną redukcję sprawności motorycznej w teście belkowania wykryto wyłącznie przy dawce 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn, zarówno przy porównywaniu liczby błędów popełnionych prawą i lewą łapą (Rycina 5B), jak i przy porównywaniu całkowitej liczby błędów myszy otrzymujących AAV-hαSyn w stosunku do myszy otrzymujących wektor kontrolny AAV-GFP (Rycina 5C). W konsekwencji dalsze eksperymenty przeprowadzono z użyciem 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn.

Rysunek 2: Analiza ekspresji ludzkiej α-synukleiny w SN myszy traktowanych różnymi dawkami AAV-hαSyn. Myszy otrzymały AAV-hαSyn w dawkach (A) 1 x 1010 vg/mouse, (B) 1 x 109 vg/mouse lub (C) 1 x 108 vg/mouse i zostały uśpione po 12 tygodniach, a ekspresję hαSyn przeanalizowano za pomocą immunofluorescencji w SN przy użyciu mikroskopii epifluorescencyjnej. Jądra komórkowe barwiono DAPI. Przedstawiono reprezentatywne obrazy z nałożeniem lub pojedynczym barwieniem hαSyn (czerwony) lub DAPI (niebieski). Paski skali wynoszą 118 µm. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 3: Analiza ekspresji ludzkiej α-synukleiny w prążkowiu myszy traktowanych różnymi dawkami AAV-hαSyn. Myszy otrzymały AAV-hαSyn w dawkach (A) 1 x 1010 vg/mouse, (B) 1 x 109 vg/mouse lub (C) 1 x 108 vg/mouse), a po 12 tygodniach zostały uśpione, po czym przeanalizowano ekspresję hαSyn w prążkowiu metodą immunofluorescencji przy użyciu mikroskopii epifluorescencyjnej. Jądra komórkowe zabarwiono DAPI. Przedstawiono reprezentatywne obrazy barwień łączonych lub pojedynczych dla hαSyn (czerwony) lub DAPI (niebieski). Paski skali odpowiadają 100 µm. Wstawka w prawym górnym rogu obrazów łączonych przedstawia obszar zainteresowania w większym powiększeniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Utrata neuronów dopaminergicznych SN u myszy leczonych różnymi dawkami AAV-hαSyn lub wektorem kontrolnym. Myszy otrzymały AAV-hαSyn (1 x 1010 vg/mouse, 1 x 109 vg/mouse lub 1 x 108 vg/mouse) lub AAV-GFP (1 x 1010 vg/mouse), a po 12 tygodniach zostały uśpione i przeanalizowano obecność TH w SNpc za pomocą immunohistochemii. (A) Obrazy reprezentatywne. Paski skali, 100 µm. (B,C) Gęstość neuronów określono jako liczbę neuronów TH+/mm2. Dane przedstawiają średnią ± SEM. n = 3–8 myszy na grupę. (B) Porównanie stron ipsilateralnej i kontralateralnej przeprowadzono za pomocą dwustronnego sparowanego testu t Student’a. (C) Przeprowadzono porównanie stron ipsilateralnych u myszy otrzymujących 1 x 1010 vg/mouse AAV-hαSyn lub AAV-GFP. (B,C) Białe słupki wskazują ilościowe oznaczenie neuronów TH+ po stronie ipsilateralnej u myszy otrzymujących AAV-hαSyn, natomiast zielone słupki wskazują ilościowe oznaczenie neuronów TH+ po stronie ipsilateralnej u myszy otrzymujących AAV-GFP. Szare słupki wskazują ilościowe oznaczenie neuronów TH+ po stronie kontralateralnej w odpowiedniej grupie. Porównania wykonano za pomocą dwustronnego niesparowanego testu t Student’a. *p < 0,05; **p < 0,01. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Analiza sprawności motorycznej u myszy traktowanych różnymi dawkami AAV-hαSyn. Myszy otrzymały różne dawki (1 x 1010 vg/mysz, 1 x 109 vg/mysz lub 1 x 108 vg/mysz) AAV-hαSyn lub AAV-GFP, a 12 tygodni później oceniono sprawność motoryczną za pomocą próby przejścia po belce. (A) Zdjęcie myszy idącej po belce. (B) Ilość błędów popełnionych przez kończyny lewe (przeciwstronne) w porównaniu do kończyn prawych (ipsilateralnych) została ilościowo określona w grupach myszy otrzymujących AAV-hαSyn. (C) Całkowita liczba błędów została porównana pomiędzy różnymi grupami eksperymentalnymi otrzymującymi tę samą dawkę AAV-hαSyn lub AAV-GFP. Dane przedstawiają średnią ± SEM. n = 3–5 myszy na grupę. Porównania wykonano za pomocą (B) sparowanego dwustronnego testu t Studenta lub (C) niesparowanego dwustronnego testu t Studenta. *p < 0,05; **p < 0,01. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Ustalenie kinetyki modelu choroby Parkinsona indukowanego AAV-αSyn
Po określeniu odpowiedniej dawki AAV-hαSyn niezbędnej do wywołania znaczącego poziomu neurodegeneracji i zaburzeń motorycznych, przeprowadzono eksperymenty w celu zdefiniowania czasu rozpoczęcia nadekspresji hαSyn. W tym celu myszy poddano leczeniu dawką 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn lub wykonano operację pozorowaną. Stopień ekspresji hαSyn analizowano w SN raz w tygodniu w tygodniach 2–5 po zabiegu stereotaktycznym (patrz: projekt eksperymentalny na Ryc. uzupełniającej 2). Wyniki pokazują, że mimo wykrycia niskich poziomów ekspresji hαSyn już w 2. tygodniu po operacji, agregaty hαSyn pojawiły się w 5. tygodniu po zabiegu stereotaktycznym (Ryc. 6).

Rysunek 6Analiza przebiegu czasowego ekspresji ludzkiej α-synukleiny w istocie czarnej myszy traktowanych AAV-hαSyn. Myszy otrzymały AAV-hαSyn (1 x 1010 vg/mysz) lub tylko pozorną operację stereotaktyczną, a następnie przeanalizowano ekspresję hαSyn w SN (A) 2 tygodnie, (B) 3 tygodnie, (C) 4 tygodnie, lub (D) 5 tygodni później za pomocą immunofluorescencji z wykorzystaniem mikroskopii epifluorescencyjnej. Jądra komórkowe barwiono DAPI. Przedstawiono reprezentatywne obrazy z nałożonymi lub pojedynczymi barwieniami hαSyn (czerwony) lub DAPI (niebieski). Paski skali, 100 µmWstawka w prawym górnym rogu złączonych obrazów przedstawia obszar zainteresowania w większym powiększeniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Następnie przeprowadzono eksperymenty w celu wyznaczenia odpowiednich punktów czasowych do analizy neurostanu zapalnego i infiltracji limfocytów T w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) po stereotaktycznym podaniu AAV-hαSyn. Aby określić szczyt aktywacji mikrogleju po podaniu myszom AAV-hαSyn, raz w tygodniu w okresie od 2. do 15. tygodnia po zabiegu stereotaktycznym oceniano liczbę komórek wykazujących wysoką ekspresję Iba1 w prążkowiu. Wyniki wskazują na istotny wzrost aktywacji mikrogleju po stronie ipsilateralnej w porównaniu ze stroną kontralateralną u myszy 15 tygodni po podaniu AAV-hαSyn (Rysunek 7). Za pomocą immunofluorescencji i następującej po niej obserwacji mikroskopowej konfokalnej oceniano również liczbę komórek Treg (CD4+ Foxp3+) infiltrujących SNpc w różnych punktach czasowych po stereotaktycznym podaniu AAV-hαSyn. Wyniki pokazują, że szczyt infiltracji komórek Treg do SNpc wystąpił w 11. tygodniu po zabiegu, natomiast stopień infiltracji komórek Treg do tego obszaru mózgu był niższy w 8. i 13. tygodniu po zabiegu (Rysunek 8). Nie stwierdzono infiltracji limfocytów T CD4+ do prążkowia (dane nie przedstawiono). Podsumowując, wyniki te wskazują, że przy zastosowaniu dawki 1 x 1010 vg/mysz AAV-hαSyn, najodpowiedniejszym momentem do analizy stanu zapalnego w układzie nerwowym jest 15. tydzień po zabiegu stereotaktycznym, natomiast właściwym momentem do analizy infiltracji limfocytów T do OUN wydaje się być 11. tydzień po podaniu AAV-hαSyn.

Rysunek 7: Analiza przebiegu czasowego aktywacji mikrogleju u myszy inokulowanych AAV-hαSyn. Myszy otrzymały AAV-hαSyn (1 x 1010 vg/mysz), a aktywację mikrogleju oceniono poprzez analizę immunohistochemiczną Iba1 w prążkowiu w różnych punktach czasowych po operacji. (A) Przedstawiono reprezentatywne obrazy przekrojowe analizy immunohistochemicznej Iba1 z myszy uśpionych 5, 10 lub 15 tygodni po inokulacji AAV-hαSyn. Paski skali, 110 µm. (B) Gęstość aktywowanego mikrogleju określono jako liczbę komórek wykazujących wysoki poziom Iba1 i kształt ameboidalny na jednostkę powierzchni. Dane przedstawiono jako średnia ± SEM. n = 3 myszy na grupę. Do wyznaczenia różnic statystycznych między poziomem Iba1 po stronie ipsylateralnej i przeciwległej w każdej grupie zastosowano dwustronny sparowany test t Student’a. *p < 0.05. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 8: Analiza przebiegu czasowego infiltracji limfocytów T CD4+ do SN u myszy inokulowanych AAV-hαSyn. Myszy reporterowe Foxp3gfp otrzymały AAV-hαSyn (1 x 1010 vg/mysz). Obecność limfocytów T CD4+ wykazujących ekspresję Foxp3 oraz obecność neuronów TH+ analizowano w różnych punktach czasowych (tydzień 8, tydzień 11 i tydzień 13 po operacji) w SN przy użyciu immunofluorescencji. (A) Przedstawiono reprezentatywne obrazy dla pojedynczego barwienia immunologicznego lub obrazów połączonych. Paski skali: 100 µm. (B) Ilościowo określono liczbę limfocytów T CD4+ Foxp3+ na obszar w SN. Dane przedstawiają średnią ± SEM dla 3 myszy na grupę. *p<0.05, limfocyty T CD4+ Foxp3+ po stronie ipsilateralnej w porównaniu do strony contralateralnej, test t Studenta dla dwóch stron. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina uzupełniająca 1: Projekt eksperymentalny służący do oceny wpływu różnych dawek wektorów AAV na patologię synukleiny, neurodegenerację i zaburzenia motoryczne. Samce myszy C57BL/6 typu dzikiego zostały poddane znieczuleniu i stereotaktycznemu wstrzyknięciu różnych dawek (1 x 1010 vg/mysz, 1 x 109 vg/mysz lub 1 x 108 vg/mysz) AAV kodującego ludzką α-synukleinę (AAV-hαSyn) lub eGFP (AAV-GFP) pod kontrolą promotora CBA do prawej istoty czarnej (SN). Po 12 tygodniach oceniono ekspresję GFP i hαSyn w SN i prążkowiu (Str) za pomocą immunofluorescencji (IF), określono liczbę komórek wykazujących obecność tyrozynowej hydroksylazy (TH+) metodą immunohistochemii (IHC) w SN, a sprawność motoryczną oceniono za pomocą testu przejścia po belce. Liczba myszy w każdej grupie eksperymentalnej jest podana w nawiasach. * oznacza grupy, w których jedna mysz padła przed przeprowadzeniem analiz. Przy każdej analizie w nawiasie podano numer ryciny z treści artykułu, na której przedstawiono odpowiadające jej wyniki. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 2: Projekt eksperymentalny w celu określenia kinetyki infiltracji limfocytów T, neurostanu zapalnego oraz ekspresji hαSyn. Myszy reporterowe Foxp3gfp poddano znieczuleniu i wykonano stereotaktyczną inokulację AAV (1 x 1010 vg/mysz) kodującego ludzką α-synukleinę (AAV-hαSyn) pod kontrolą promotora CBA do prawej istoty czarnej (SN) lub wykonano zabieg pozorowany (PBS). Myszy uśmiercono w różnych punktach czasowych; ekspresję hαSyn w SN i prążkowiu oceniono za pomocą immunofluorescencji (IF), natomiast liczbę komórek GFP (Foxp3), CD4 oraz komórek wykazujących obecność hydroksylazy tyrozynowej (TH+) określono za pomocą IF w SN, a ekspresję Iba1 przeanalizowano metodą immunohistochemii (IHC) w prążkowiu (Str). Podano liczbę myszy w każdej grupie eksperymentalnej. Wskazano zakres punktów czasowych objętych każdą analizą. Przy każdej analizie w nawiasie podano numer ryciny z treści artykułu, w której przedstawiono odpowiadające im wyniki. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.