O cérebro dos mamíferos consiste em muitas células inibitórias, excitatórias e modulatórias interconectadas em circuitos por trilhões de sinapses1. Um dos desafios centrais da neurociência é decodificar o papel de tipos de células distintas na organização e função dos circuitos cerebrais e do comportamento. A manipulação de células geneticamente definidas dentro do cérebro requer métodos para introduzir e expressar transgenes. Os sistemas de entrega de genes baseados em vírus são de longe o método mais eficaz e simples para a entrega de genes no sistema nervoso central2. Os sistemas de entrega viral são baseados em vírus replicantes (adenovírus, vírus adeno-associados (AAVs), lentivírus e retrovírus) que têm a capacidade de fornecer informações genéticas a uma célula hospedeira 2,3.
Os vetores baseados em AAV tornaram-se uma das ferramentas mais amplamente utilizadas para a entrega de transgenes desejados às células do cérebro, tanto para fins de pesquisa básica em neurociência quanto para desenvolver terapia genética para doenças neurológicas. Quando comparados com outros vírus, os AAVs com defeito de replicação possuem muitos recursos que os tornam vetores ideais para esses fins. Mais notavelmente, os vetores AAV transduzem eficientemente células não divididas (diferenciadas terminalmente), como neurônios e células gliais, resultando em altos níveis de expressão de transgene in vivo2. Os vetores podem ser facilmente produzidos com um alto título funcional adequado para uso in vivo 3,4,5. É importante ressaltar que a entrega gênica mediada por vírus adeno-associado in vivo não produz alterações histopatológicas e toxicidade relacionada ao vetor6. Ao contrário dos vetores adenovirais, a administração in vivo de vetores AAV em modelos animais geralmente não provoca respostas imunes do hospedeiro contra células transduzidas, permitindo a expressão estável do transgene dentro do parênquima cerebral por longos períodos de tempo 2,7,8.
Outra razão para a popularidade dos vetores AAV é a ampla gama de sorotipos de AAV com tropismos únicos de tecido e tipo celular 9,10,11,12,13,14. Proteínas distintas do capsídeo expressas por diferentes sorotipos de AAV resultam no uso de diferentes receptores de superfície celular para entrada celular e, portanto, tropismos específicos10,14.
O tropismo do AAV é determinado não apenas pelas proteínas do capsídeo, mas por muitos outros fatores14. Foi demonstrado que os sorotipos 1, 2, 6, 7, 8 e 9 do AAV transduzem neurônios e astrócitos em cultura primária15,16, mas exibem forte tropismo neuronal após injeção intraparenquimatosano cérebro 17,18. O método utilizado para a preparação do vetor AAV também pode influenciar o tropismo das células nervosas, mesmo para o mesmo sorotipo. Por exemplo, o AAV8 purificado com CsCl possuía forte tropismo astroglial após injeção intraparenquimatosa no cérebro, enquanto o AAV8 purificado com iodixanol, injetado em condições idênticas, transduzia apenas neurônios19. O tropismo do AAV também pode ser afetado pela dose e volume injetados14. Por exemplo, rAAV2 / 1 de alto título transduziu eficientemente neurônios excitatórios e inibitórios corticais, mas o uso de títulos mais baixos expôs uma forte preferência pela transdução de neurônios inibitórios corticais20.
Assim, não é possível alcançar uma especificidade robusta do tipo de célula com base apenas no sorotipo do capsídeo. Promotores específicos do tipo celular podem ser usados para superar o amplo tropismo natural do capsídeo AAV. Por exemplo, a sinapsina I humana é usada para direcionar neurônios21, o promotor CaMKII pode conduzir a expressão transgênica em neurônios excitatórios glutamatérgicos com alta especificidade20, o promotor ppHcrt tem como alvo os neurônios que expressam hipocretina (HCRT) no hipotálamo lateral22, o promotor PRSx8 tem como alvo os neurônios noradrenérgicos e adrenérgicos que expressam dopamina beta-hidroxilase23 e o promotor GFAP pode conduzir a expressão específica do astrócitos24. No entanto, alguns promotores específicos de células têm atividade transcricional fraca e não podem conduzir níveis suficientes de expressão transgênica25. Além disso, os promotores curtos que se encaixam nos vetores virais AAV muitas vezes não retêm a especificidade do tipo celular 1,26. Por exemplo, foi demonstrado que uma construção CaMKII também transduziu neurônios inibitórios12.
Além da especificidade do tipo de célula (tropismo), outra característica significativa dos AAVs é a eficiência da transdução. Os vários sorotipos de AAV têm diferentes propriedades difusionais. AAV2 e quatro vetores virais difundem-se menos facilmente através do parênquima cerebral e, portanto, medeiam a transdução em uma área menor17,27. A transdução neuronal mais difundida é observada com os sorotipos 1, 9 e rh.10 do AAV.11,17,18,19,28.
O método mais popular para impulsionar a expressão de um transgene desejado em uma área específica do cérebro é injetar o vetor AAV diretamente na região cerebral de interesse (parênquima)3. Após a injeção intraparenquimatosa, mesmo os sorotipos de AAV com difusão mais eficaz através do cérebro transduzem tipicamente apenas uma área local ao redor do local da injeção 12. Além disso, a injeção intraparenquimatosa é um procedimento invasivo e leva a danos teciduais adjacentes à região de interesse. Assim, este método de injeção de vírus é inadequado para algumas tarefas experimentais. Por exemplo, a marcação extensiva de células é altamente desejável em experimentos destinados a estudar as funções dos neurônios corticais em animais que se movem livremente, inclusive com o uso de microscopia de um ou dois fótons 29,30,31,32.
Aqui, descrevemos uma nova técnica de injeção de vírus adeno-associado que usa infusão de vírus subaracnóideo para fornecer transdução generalizada de neurônios neocorticais em camundongos adultos e preservar o tecido cerebral para registros ópticos ou eletrofisiológicos subsequentes da atividade neuronal. Este método não apenas garantiu a transdução generalizada de neurônios nas camadas neocorticais superficiais, mas resultou na expressão do transgene em uma grande população de neurônios piramidais da camada cinco com alta especificidade, mesmo quando se usava um forte promotor não seletivo como o CAG.