Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

In Vivo Targeting of Neural Progenitor Cells in Ferret Neocortex by In Utero Electroporation

Published: May 6, 2020 doi: 10.3791/61171

Summary

Apresentado aqui é um protocolo para realizar manipulação genética no cérebro de furão embrionário usando na eletroporação uterónica. Este método permite o direcionamento de células progenitoras neurais no neocórtex in vivo.

Abstract

A manipulação da expressão genética in vivo durante o desenvolvimento embrionário é o método de escolha ao analisar o papel dos genes individuais durante o desenvolvimento dos mamíferos. No útero a eletroporação é uma técnica-chave para a manipulação da expressão genética no cérebro embrionário mamífero in vivo. Um protocolo para a eletroporação uterópica do neocórtex embrionário de furões, um pequeno carnívoro, é apresentado aqui. O furão está cada vez mais sendo usado como modelo para o desenvolvimento do neocórtex, pois seu neocórtex exibe uma série de características anatômicas, histológicas, celulares e moleculares que também estão presentes em primatas humanos e não humanos, mas ausentes em modelos de roedores, como rato ou rato. No útero a eletroporação foi realizada no dia embrionário (E) 33, um estágio de midneurogenesis no furão. No útero a eletroporação tem como alvo células progenitoras neurais que revestem os ventrículos laterais do cérebro. Durante a neurogênese, essas células progenitoras dão origem a todos os outros tipos de células neurais. Este trabalho mostra resultados e análises representativas no E37, no dia pós-natal (P) 1 e P16, correspondentes a 4, 9 e 24 dias após a eletroporação uterativa, respectivamente. Em estágios anteriores, a progênia das células-alvo consiste principalmente de vários subtipos progenitores neurais, enquanto em estágios posteriores a maioria das células rotuladas são neurônios pós-metóticos. Assim, na eletroporação uterópora permite o estudo do efeito da manipulação genética nas características celulares e moleculares de vários tipos de células neurais. Através de seu efeito em várias populações celulares, na eletroporação uterópica também pode ser usado para a manipulação de características histológicas e anatômicas do neocórtex furão. É importante ressaltar que todos esses efeitos são agudos e são realizados com uma especificidade espostetorial determinada pelo usuário.

Introduction

O neocórtex é a folha externa do cerebrum mamífero e a sede de funções cognitivas mais altas1,,2,3,4,5. Para alcançar uma manipulação genética aguda no neocórtex mamífero in vivo durante o desenvolvimento embrionário, dois métodos diferentes foram explorados: infecção viral6 e na eletroporaçãouterónica 7. Ambos os métodos permitem um direcionamento eficiente de células neocorticais, mas sofrem de algumas limitações. A maior vantagem da eletroporação uteiremida em relação à infecção viral é a capacidade de alcançar especificidade espacial dentro do neocórtex, que é alcançado pela regulação da direção do campo elétrico.

Desde que a eletroporação foi mostrada pela primeira vez para facilitar a entrada de DNA nas células in vitro8,ela foi aplicada para entregar DNA em vários vertebrados in vivo. Na neurociência do desenvolvimento, a eletroporação utero do neocórtex do camundongo foi relatada pela primeira vez em 20019,10. Este método consiste em uma injeção da mistura de DNA no ventrículo lateral do cérebro embrionário e posterior aplicação do campo elétrico usando eletrodos de pinça, o que permite precisão espacial7,,11. A eletroporação utero tem sido aplicada desde então para fornecer ácidos nucleicos a fim de manipular a expressão de genes endógenos ou emplacados no neocórtex do camundongo. Importantes progressos foram feitos recentemente, aplicando a metodologia de edição de genoma mediado por CRISPR/Cas9 via eletroporação utero no neocórtex do camundongo para realizar (1) interrupção genética nos neurônios pós-metóticos12,,13 e células progenitoras neurais14, e (2) genoma15 e edição epigenome16.

Logo após o primeiro relato em camundongos, na eletroporação uterónica foi aplicado ao neocórtex de rato embrionário17,18. Os não roedores permaneceram um desafio até que a primeira eletroporação uterópica de furões, um pequeno carnívoro, foi relatada em 201219,20. Desde então, no útero a eletroporação de furões tem sido aplicada para estudar os mecanismos de desenvolvimento do neocórtex rotulando progenitores neurais e neurônios20,21,22,,23, manipulando a expressão de genes endógenos, incluindo o uso da tecnologia CRISPR/Cas924, e fornecendo genes ectópicos21,22,,25, incluindo genes humanos-específicos26. Além disso, a eletroporação utero de furões tem sido usada para abordar características do desenvolvimento do neocórtex humano em condições patológicas27,28.

No contexto do desenvolvimento do neocórtex, as vantagens de usar furões como organismo modelo em comparação com camundongos se devem ao fato de que os furões melhor recapitulam uma série de características humanas. No nível anatômico, os furões exibem um padrão característico de dobramento cortical, que também está presente no ser humano e na maioria dos outros primatas, mas está completamente ausente em camundongos ou ratos4,,29,,30,,31. No nível histológico, os furões têm duas zonas germinals subventriculares distintas, conhecidas como zonas subventriculares internas e externas (ISVZ e OSVZ,respectivamente) 32,33, separadas pela camada interna de fibra23. Essas características também são compartilhadas com primatas, incluindo humanos, mas não com camundongos34. O ISVZ e o OSVZ em furões e humanos são povoados com abundantes células progenitoras neurais, enquanto a zona subventricular (SVZ) de camundongos contém apenas progenitores neurais esparsos21,,32,,35,,36. A nível celular, os furões apresentam uma alta proporção de um subtipo de progenitores neurais referidos como glia radial basal ou externa (bRG ou oRG, respectivamente), que são considerados instrumentais para a expansão evolutiva do neocórtex mamífero34,,37,38. bRG são, portanto, altamente abundantes no neocórtex do furão humano e embrionário fetal, mas são muito raros no neocórtex do camundongo embrionário35,36. Além disso, o furão bRG apresenta heterogeneidade morfológica semelhante à do bRG humano, muito superior ao do mouse bRG21. Finalmente, em nível molecular, o desenvolvimento do neocórtex furão mostra padrões de expressão genética altamente semelhantes aos do neocórtex humano fetal, que presume-se controlar o desenvolvimento da dobra cortical, entre outras coisas39.

As características biológicas e moleculares das características biológicas e moleculares do furão bRG tornam-nas altamente proliferativas, semelhantes à bRG humana. Isso resulta em um aumento da produção de neurônios e desenvolvimento de um neocórtex expandido e altamente complexo34. Essas características tornam os furões excelentes organismos modelo para estudar características humanas do desenvolvimento de neocórtex que não podem ser modelados em camundongos26,40. Para aproveitar ao máximo o furão como organismo modelo, foi desenvolvido o método apresentado. Consiste na eletroporação uterópica de embriões furões furões E33 com um plasmídeo expressando GFP (pGFP) sob o controle de um promotor onipresente, CAG. Os embriões eletroporados podem então ser analisados embrionáriamente ou postalmente. Para reduzir o número de animais sacrificados, os furões fêmeas (jills) são esterilizados pela histerectomia e doados para adoção como animais de estimação. Se os embriões-alvo forem colhidos em estágios embrionários, uma segunda cirurgia é realizada e os embriões são removidos por cesariana, enquanto os jills são histerectomizados. Se os embriões-alvo forem analisados em estágios pós-natal, os jills são histerectomizados após os filhotes serem desmamados ou sacrificados. Por isso, também é apresentado um protocolo para a histerectomia dos jills.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Todos os procedimentos experimentais foram realizados de acordo com a Legislação Alemã de Bem-Estar Animal após aprovação da Landesdirektion Sachsen (licenças TVV 2/2015 e TVV 21/2017).

1. Preparação para eletroporação uterativa

  1. Prepare a mistura de DNA. Neste protocolo é utilizada uma concentração final de 1 μg/μL de pGFP. Dissolva o DNA em PBS e complemente com 0,1% Fast Green para facilitar a visualização. Uma vez preparado, misture a mistura de DNA por pipetting para cima e para baixo várias vezes ou por toques de dedos. Armazene em temperatura ambiente até usar.
    NOTA: Para coeletrões, a mistura de DNA é preparada para conter uma concentração final de 1 μg/μL de codificação plasmida de um gene de interesse juntamente com 0,5 μg/μL de pGFP diluído em PBS.
  2. Prepare a mesa de cirurgia com todas as ferramentas e instrumentos necessários.
  3. Puxe capilares de vidro usando o puxador de micropipette. Ajuste o diâmetro da ponta capilar cortando a parte distal do capilar usando fórceps como descrito anteriormente41.

2. Preparação de furões para cirurgia

  1. Mantenha as jills grávidas com embriões no E33 em jejum por pelo menos 3h antes da cirurgia para reduzir o risco de vômito.
  2. Antes da cirurgia, esterilize todas as ferramentas autoclavando. Realizar a cirurgia em uma sala especialmente designada em condições assépticas para eliminar possíveis fontes de contaminação.
  3. Coloque a jill grávida na caixa de narcose com 4% de isoflurane.
  4. Quando anestesiado, coloque o furão sobre a mesa de operação com uma almofada de calor e conecte a máscara de narcose com um fluxo constante de 2 a 3% de isoflurane no nariz. Para garantir o nível adequado de anestesia, verifique se há falta dos seguintes reflexos:
    1. O reflexo palpebral tocando a pele periocular
    2. O reflexo flexor beliscando a pele entre o e o 3º,ou e dedo dos dois membros traseiros
    3. Se o reflexo palpebral estiver ausente e o reflexo flexor for claramente reduzido, verifique se o reflexo da dor belisca um dedo do pé de cada membro traseiro.
      NOTA: Certifique-se de ter um estetoscópio à mão para monitorar a frequência cardíaca e o ritmo, se necessário.
  5. Injete o furão subcutâneamente com analgésico (0,1 mL de metamizol, 50 mg/kg de peso corporal), antibiótico (0,1 mL/kg de peso corporal de 20 mg/kg de amoxicilina + ácido clavulanic) e glicose (10 mL de solução de glicose de 5%).
  6. Coloque uma solução de pomada nos olhos para evitar a desidratação dos olhos durante o procedimento cirúrgico.
  7. Raspe a barriga do furão usando uma máquina de barbear.
  8. Limpe a pele com água e sabão, desinfete a barriga com 70% de esfoliante de etanol, desinfete 2x com iodo e deixe secar.

3. Na eletroporação uterópica de furões

  1. Certifique-se de que a área cirúrgica é estéril: coloque ferramentas cirúrgicas estéreis em tecidos estéreis e troque de casaco e luvas.
  2. Coloque uma cortina cirúrgica estéril no animal.
  3. Usando um bisturi, abra cirurgicamente a barriga na linea alba com um corte de ~5 cm de comprimento.
  4. Corte a camada muscular usando uma tesoura.
  5. Coloque os cotonetes de gaze ao redor do local da incisão e molhe-os com PBS. Os cotonetes absorverão o PBS adicional que será adicionado durante a cirurgia.
    NOTA: Mantenha o suporte de calor e PBS durante toda a cirurgia.
  6. Exponha o útero do furão e coloque-o nos cotonetes de gaze.
  7. Carregue um capilar de vidro com a solução de injeção usando uma pipeta com uma ponta de carregamento longa. Certifique-se de que o volume de carregamento esteja aproximadamente entre 5-20 μL, dependendo do número de embriões e do número de condições experimentais diferentes. O volume médio injetado por embrião é de 3 a 5 μL. Conecte o capilar de vidro carregado a um suporte e conecte o outro lado do suporte a um tubo e a um bocal.
  8. Inspecione o primeiro embrião e encontre a cabeça.
  9. Coloque a fonte de luz de fibra óptica ao lado da cabeça do embrião para facilitar a visualização.
    NOTA: As paredes uterinas do furão são muito escuras, e é difícil ver através delas a menos que a luz esteja brilhando diretamente sobre elas.
  10. Realize uma única injeção intraventricular no ventrículo de um dos hemisférios cerebrais e mantenha o outro hemisfério intacto para servir como controle interno. O ventrículo em si não é facilmente distinto pelo olho, por isso sua localização é estimada com base na localização da íris pigmentada, que é visível. A injeção intraventricular é feita pegando o suporte preso ao capilar de vidro e penetrando na pele, crânio e tecido cerebral com a ponta do capilar de vidro.
    NOTA: Certifique-se de não danificar a placenta, que é mais escura que placentas murinas.
    1. Quando a ponta do capilar de vidro estiver no ventrículo, injete aproximadamente 3-5 μL da solução de injeção por tubos bucais usando o porta-voz conectado ao suporte capilar de vidro. Como a solução injetada contém 0,1% de Verde Rápido, o ventrículo injetado agora ficará verde escuro, e será visível como uma estrutura em forma de rim.
  11. Coloque os eletrodos da pinça no útero acima da cabeça do embrião para que o polo positivo seja colocado acima da área que será alvo e o polo negativo abaixo da área injetada.
  12. Defina as seguintes condições de eletroporação no eletroporador: Comprimento do pulso = 50 ms; Tensão de pulso = 100 V; Intervalo de pulso = 1 s; Número de pulsos = 5. Em seguida, pressione o botão "Pulse" no eletroporador.
  13. Solte rapidamente várias gotas de 1x PBS quente no embrião eletroporado.
  14. Repita o procedimento para todos os embriões. Mantenha o útero constantemente molhado com PBS quente.
    NOTA: Se os primeiros embriões voltados para a vagina não são facilmente acessíveis, é melhor não eletroporá-los.
  15. Quando todos os embriões estiverem eletroporados, coloque o útero de volta na cavidade peritoneal.
  16. Sutura a camada muscular com o peritônio usando uma sutura 4-0.
  17. Suturar a pele usando a mesma espessura e pulverizar a ferida com spray de alumínio.
  18. Coloque o animal em uma gaiola e mantenha aquecido com uma fonte de calor. Monitore cuidadosamente o animal até que ele acorde.

4. Cuidados pós-operatórios e moradia de animais-alvo

  1. Durante 3 dias após a cirurgia, certifique-se de que os animais estejam passando pelos seguintes cuidados pós-operatórios: 20 mg/kg de amoxicilina (antibiótico) 1x por dia; 25 mg/kg metamizol (analgésico) 3x diariamente.
  2. Certifique-se de que os furões estejam alojados individualmente.
  3. Certifique-se de que os furões são examinados por um veterinário pelo menos 1x por dia.
  4. Certifique-se de que os furões sejam perturbados o mínimo possível durante a entrega.
  5. Depois que os filhotes forem desmamados ou sacrificados, preparem os jills para histerectomia.

5. Histerectomia de furões

NOTA: Uma histerectomia é realizada para reduzir o número de animais sacrificados para que os animais esterilizados possam ser doados para adoção como animais de estimação. O procedimento pré-cirúrgico para histerectomia é o mesmo da etapa 2.

  1. Raspe e esterilize a barriga do furão conforme descrito nas etapas 3.1 e 3.2.
  2. Abra cirurgicamente a barriga na linhaa alba. Corte a camada muscular. Levante a camada muscular e proteja o intestino com um dedo enquanto abre totalmente a camada muscular.
  3. Coloque os cotonetes de gaze ao redor do local da incisão e molhe-os com PBS estéril. Exponha o útero furão e os ovários e coloque-os nos cotonetes de gaze.
  4. Inicie a histerectomia de um lado ligando a arteria ovarica e vena ovarica cranial ao mesovar. Coloque um grampo em cada lado da ligadura e realize outra ligadura craniana nos grampos. Coloque o terceiro grampo nas extremidades da ligadura para salvá-los. Repita do outro lado.
  5. Corte entre os grampos e desprende o cornua uteri da mesenteria de ambos os lados.
  6. Ligate a arteria uterina em ambos os lados uterinos caudal para ostium uteri. Em seguida, ligar a vagina e consertar a ligadura. Coloque o grampo nas extremidades das ligaduras para salvá-los. Coloque dois grampos cranianos na ligadura. Corte entre os grampos e desprende o útero da vagina. Remova o útero e os ovários e elimine-os. Raspe a membrana mucosa residual da bunda do útero.
  7. Retire todos os grampos restantes e encurte as extremidades da ligadura. Certifique-se de controlar o sangramento depois que os grampos tiverem sido removidos.
  8. Sutura a camada muscular e a pele como descrito nas etapas 3.16 e 3.17. Siga o protocolo pós-operatório como nas etapas 3.18 e 4.1-4.3. Mantenha os animais na unidade animal por pelo menos 2 semanas com visitas veterinárias regulares. Depois que os animais forem totalmente recuperados, eles podem ser doados para adoção.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Na eletroporação uterino de furões na E33 resultou na segmentação das células progenitoras neurais que revestem a superfície ventricular do neocórtex embrionário (Figura 1). Essas células são chamadas de progenitoras apical e são altamente proliferativas, dando origem a todos os outros tipos de células durante o desenvolvimento. Após a divisão assimétrica, os progenitores apical geraram outro progenitor apical e uma célula mais diferenciada, tipicamente um progenitor basal (BP), que delaminou a partir da superfície ventricular. Os BPs migraram para a zona germinal secundária, a SVZ. Quando a eletroporação foi realizada na E33, muitos BPs recém-nascidos migraram para a parte basal-mais da SVZ, onde formaram o OSVZ22.

Quando os efeitos da eletroporação foram examinados 4 dias depois no E37, a maioria das células-alvo e sua prole ainda estavam nas zonas germinais (VZ, ISVZ e OSVZ, ver Figura 2A) e as células raramente estavam presentes ainda mais na placa cortical (CP). A prole das células-alvo consistia principalmente de tipos progenitores neurais e neurônios recém-nascidos. A identidade progenitora poderia ser examinada por imunofluorescência para marcadores de células ciclísticas, como PCNA26 (Figura 2B, C), enquanto um subconjunto de progenitores submetidos à mitose poderia ser mostrado por marcadores como fosfohistone 3 (PH3)21 (Figura 2D).

Em P0, 8 dias após a eletroporação, a prole das células-alvo se espalhou em todas as camadas histológicas(Figura 3A, B). Nesta fase, os BPs eram particularmente abundantes e bRG eram prontamente identificáveis. Usando uma combinação de marcadores de fator de transcrição, diferentes populações de BP poderiam ser reveladas. Sox2 é um marcador de células progenitoras proliferativas, incluindo bRG26. Tbr2 é um marcador de BPs neurogênicos, que são principalmente progenitores intermediários26 (Figura 3B). Como os embriões foram co-eletroporados com um GFP codificador plasmídeo, a morfologia dos progenitores neurais poderia ser examinada rastreando o sinal GFP. Isso é particularmente importante no contexto dos BPs, que vêm em dois grandes morótipos: as células multipolares, que são em grande parte progenitoras intermediárias, e as células radiais, que são bRG21. Assim, as células radiais Sox2+ Tbr2 no OSVZ são a população celular chave de interesse para estudar bRG26.

Por P16, a maioria das células-alvo parou de se dividir e se diferenciar em neurônios e glia. Portanto, esses tipos de células são melhor examinados nesta fase. Além de vários subtipos neuronais e gliais, o furão P16 neocórtex apresentou o padrão de características de dobramento(Figura 3C). Nesta fase, a maioria dos principais gyri e sulci já estavam presentes e áreas cerebrais prospectivas poderiam ser identificadas31. O cérebro furão continuou amadurecendo após P16, quando processos como mielinação e sinácia ocorrem.

Figure 1
Figura 1: Direcionamento de células neurais por eletroporação utero do neocórtex furão. Na eletroporação utero do neocórtex furão na E33 resultou na segmentação de progenitores apical. Durante o desenvolvimento, essas células dão origem a todos os outros tipos de células. Progenitores basais foram melhor estudados nos estágios posteriormente embrionários (E37) e perinatais (P0). Os neurônios foram melhor estudados em estágios pós-natais, como p16. Camadas corticais: VZ = zona ventricular; ISVZ = zona subventricular interna; OSVZ = zona subventricular externa; IZ = zona intermediária; CP = placa cortical; GZ = zonas germinais (VZ+SVZ); WM = matéria branca. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Exemplo de neocórtex furão E37 após na eletroporação utericana na E33. (A e B) Seção do neocórtex furão E37; verde, descendente de células eletroporadas (GFP); núcleos celulares azuis (A); magenta (B),células de ciclismo (PCNA). Caixa (largura = 777 μm) indica área mostrada em maior ampliação em(C). Barra de escala = 1 mm. Note a falta de sinal GFP no contralateral (hemisfério não lectroporado), que serve como um controle interno. (C e D) Ampliações mais elevadas da área alvo; verde, descendente de células eletroporadas (GFP); magenta (C),células de ciclismo (PCNA); vermelho(D),células mitóticas (fosfohistone 3, PH3). Note que a maioria da prole das células-alvo estava no SVZ nesta fase. Camadas corticais como na Figura 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Exemplos de P0 e P16 furet neocórtex após em eletroporação utericana na E33. (A e B) Seção do neocórtex do furão P0; verde, descendente de células eletroporadas (GFP); núcleos celulares azuis (A); ciano(B), Sox2; magenta (B), Tbr2. (B) Ampliação superior da área eletroporada. Barras de escala = 1 mm(A),100 μm(B). Camadas corticais como na Figura 1. (C) Seção do neocórtex do furão P16; verde, descendente de células eletroporadas (GFP); núcleos cinzentos e celulares (DAPI); magenta, astrócitos (GFAP). Barra de escala = 1 mm. Este número foi modificado a partir de Kalebic et al.25. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

No útero a eletroporação no furão é uma técnica importante, com vantagens e desvantagens em relação a outros métodos. Existem etapas e limitações críticas para este método, bem como possíveis modificações e aplicações futuras para ter em mente.

Desde o pioneirismo de Victor Borrell e colegas sobre manipulação genética do neocórtex do furão pós-natal via eletroporação ou injeção viral35,42,43, o furão tornou-se um organismo modelo geneticamente acessível. Estabelecer a manipulação genética durante o desenvolvimento embrionário através da eletroporaçãouterópica 19,20 abriu novas possibilidades de pesquisa, permitindo o direcionamento de células progenitoras neurais em estágios de desenvolvimento anteriores. Em comparação com a manipulação pós-natal, a eletroporação utero permite o direcionamento de áreas maiores do neocórtex e progenitores neurais menos diferenciados que geram sequencialmente todos os outros tipos celulares do neocórtex. É importante ressaltar que, em comparação com o direcionamento viral, na eletroporação uterativa permite a precisão espacial do alvo.

A parte mais crítica do método é a própria cirurgia. No útero a eletroporação do neocórtex furão é significativamente mais complexa e difícil em comparação com o procedimento em camundongos. As paredes uterinas são mais escuras, e os embriões são mais difíceis de distinguir. Além disso, furões adultos têm maiores requisitos de criação e veterinária. Particularmente desafiador é o período em torno do nascimento dos filhotes. Furões são muito sensíveis nesse período e são melhor não serem perturbados desnecessariamente. As principais limitações da abordagem em si estão relacionadas à eficiência do direcionamento. No útero a eletroporação sempre resulta na segmentação de um mosaico de progenitores neurais. Este é ideal para estudar os aspectos biológicos celulares de progenitores neurais ou neurônios, mas é subótimo para causar grandes perturbações histológicas e anatômicas, como uma mudança na dobra neocortical. Se isso for necessário, a melhor abordagem é mover os eletrodos ao longo do eixo rostrocaudal durante o procedimento, a fim de cobrir grandes partes do neocórtex. No entanto, para toda a análise de órgãos, a melhor abordagem é a geração de furões transgênicos a partir do zigoto estágio44.

O estágio embrionário em que foi realizada a eletroporação no útero (E33) é ideal para estudar progenitores basais. De fato, eletroporações e direcionamentos virais nesta fase têm sido aplicados para revelar o tempo de início da OSVZ22, bem como várias características biológicas celulares de progenitores basais pertinentes à sua morfologia e proliferação21,,25,,26. No entanto, dependendo da finalidade científica de um estudo, o tempo de eletroporação pode ser facilmente alterado sem modificações significativas no método19,20. Além da especificidade temporal, na eletroporação uteral permite facilitar modificações da especificidade espacial. O neocórtex dorsolateral na posição rostromedial ao longo do eixo rostrocaudal foi direcionado, o que resultou na rotulagem das áreas motora e somatosensorial. Outras áreas neocorticais também podem ser alvo ajustando a colocação dos eletrodos e a direção do campo elétrico. No mouse, o neocórtex medial45 e o telencephalonventral 46 foram alvos usando eletroporação uterina, sugerindo que abordagens semelhantes poderiam ser usadas em furões.

Finalmente, a eletroporação uterómea pode ser facilmente combinada com as técnicas mais recentes de edição de genoma e epigenome13,,14,,16,25, onde os componentes CRISPR/(d)Cas9 podem ser entregues como um plasmídeo ou como um complexo de proteína Cas9 recombinante e guia RNAs14, com o último encurtando o tempo necessário para a edição do genoma ocorrer. É provável que outras melhorias tecnológicas na edição de genomas sejam combinadas com a eletroporação uterópica em camundongos e furões, a fim de gerar mutações genômicas precisas importantes para a compreensão do desenvolvimento cerebral normal e particularmente para modelar condições patológicas humanas. Nesse contexto, a eletroporação uteral está sendo cada vez mais utilizada como método de escolha para várias abordagens omicas unicelulares subsequentes e imagens vivas para entender as assinaturas moleculares e o comportamento dinâmico das células-alvo e sua descendência.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Somos gratos aos Serviços e Instalações do Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética pelo excelente apoio prestado, notadamente toda a equipe dos serviços biomédicos (BMS) pela excelente criação de furões e J. Peychl e sua equipe da Instalação de Microscopia Leve. Somos particularmente gratos a Katrin Reppe e Anna Pfeffer da BMS por apoio veterinário excepcional e Lei Xing do grupo Huttner por ajudar em cirurgias de furões.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1ml syringe BD 309628 Electroporation
4-0 Vicryl suture Ethicon V392ZG Surgery
Aluminium spray cp-pharma 98017 Surgery
Amoxicilin+clavulanic acid (Synulox RTU) WDT 6301 Surgery
Cappilary holder WPI MPH6S12 Electroporation
Dexpanthenol Ointment solution Bayer 6029009.00.00 Surgery
Drape sheet 45x75cm Hartmann 2513052 Surgery
Electrode Tweezer, platinum plated 5mm BTX 45-0489 Electroporation
Electroporator BTX ECM830 Electroporation
Fast Green Sigma F7258-25G Electroporation
Ferret Mustela putorius furo Marshall NA Experimental organism
Fiber optic light source Olympus KL1500LCD Electroporation
Forceps Allgaier instrumente 08-033-130 Surgery
Forceps 3C-SA Rubis Tech 3C-SA Surgery
Forceps 55 Dumostar 11295-51 Surgery
Forceps 5-SA Rubis Tech 5-SA Surgery
Gauze swabs large Hartmann 401723 Surgery
Gauze swabs small Hartmann 401721 Surgery
GFAP antibody Dako Z0334 Antibody
GFP antibody Aves labs GFP1020 Antibody
Glass cappilaries (Borosilicate glass with filament, OD:1.2mm, ID: 0.69mm, 10cm length) Sutter Instrument BF120-69-10 Electroporation
Glucose Bela-pharm K4011-02 Surgery
Heat pad Hans Dinslage Sanitas SHK18 Surgery
Iodine (Betadine solution 100 mg/ml) Meda 997437 Surgery
Isofluran CP 21311 Surgery
Loading tips 20µl Eppendorf #5242 956.003 Electroporation
Metamizol WDT 99012 Surgery
Metzenbaum dissecting scissors Aesculap BC600R Surgery
Micropipette puller Sutter Instrument Model P-97 Electroporation
pCAGGS-GFP NA NA From Kalebic et al., eLife, 2018
PCNA antibody Millipore CBL407 Antibody
pH3 antibody Abcam ab10543 Antibody
Scalpel Aesculap 294200104 Surgery
Shaver Braun EP100 Surgery
Sox2 antibody R+D Systems AF2018 Antibody
Surgical clamp 13cm WDT 27080 Surgery
Surgical double spoon (Williger) WDT 27232 Surgery
Surgical drape WDT 28800 Surgery
Surgical scissors small FST 14090-09 Surgery
Suturing needle holder Aesculap BM149R Surgery
Tbr2 antibody Abcam ab23345 Antibody
Transfer pipette 3ml Fischer scientific 13439108 Surgery
Water bath Julabo TW2 Surgery

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kalebic, N., Long, K., Huttner, W. B. Evolution of Nervous Systems 2e. Kaas, J. 3, Elsevier. 73-89 (2017).
  2. Rakic, P. Evolution of the neocortex: a perspective from developmental biology. Nature Reviews Neurosciences. 10 (10), 724-735 (2009).
  3. Dehay, C., Kennedy, H., Kosik, K. S. The outer subventricular zone and primate-specific cortical complexification. Neuron. 85 (4), 683-694 (2015).
  4. Fernandez, V., Llinares-Benadero, C., Borrell, V. Cerebral cortex expansion and folding: what have we learned. EMBO Journal. 35 (10), 1021-1044 (2016).
  5. Molnar, Z., et al. New insights into the development of the human cerebral cortex. Journal of Anatomy. 235 (3), 432-451 (2019).
  6. Janson, C. G., McPhee, S. W., Leone, P., Freese, A., During, M. J. Viral-based gene transfer to the mammalian CNS for functional genomic studies. Trends in Neurosciences. 24 (12), 706-712 (2001).
  7. Tabata, H., Nakajima, K. Labeling embryonic mouse central nervous system cells by in utero electroporation. Development Growth & Differentiation. 50 (6), 507-511 (2008).
  8. Neumann, E., Schaefer-Ridder, M., Wang, Y., Hofschneider, P. H. Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields. EMBO Journal. 1 (7), 841-845 (1982).
  9. Saito, T., Nakatsuji, N. Efficient gene transfer into the embryonic mouse brain using in vivo electroporation. Developmental Biology. 240 (1), 237-246 (2001).
  10. Tabata, H., Nakajima, K. Efficient in utero gene transfer system to the developing mouse brain using electroporation: visualization of neuronal migration in the developing cortex. Neuroscience. 103 (4), 865-872 (2001).
  11. Walantus, W., Castaneda, D., Elias, L., Kriegstein, A. In utero intraventricular injection and electroporation of E15 mouse embryos. Journal of Visualized Experiments. (6), e239 (2007).
  12. Straub, C., Granger, A. J., Saulnier, J. L., Sabatini, B. L. CRISPR/Cas9-mediated gene knock-down in post-mitotic neurons. PLoS One. 9 (8), 105584 (2014).
  13. Shinmyo, Y., et al. CRISPR/Cas9-mediated gene knockout in the mouse brain using in utero electroporation. Science Reports. 6, 20611 (2016).
  14. Kalebic, N., et al. CRISPR/Cas9-induced disruption of gene expression in mouse embryonic brain and single neural stem cells in vivo. EMBO Reports. 17 (3), 338-348 (2016).
  15. Mikuni, T., Nishiyama, J., Sun, Y., Kamasawa, N., Yasuda, R. High-Throughput, High-Resolution Mapping of Protein Localization in Mammalian Brain by In Vivo Genome Editing. Cell. 165 (7), 1803-1817 (2016).
  16. Albert, M., et al. Epigenome profiling and editing of neocortical progenitor cells during development. EMBO Journal. 36 (17), 2642-2658 (2017).
  17. Takahashi, M., Sato, K., Nomura, T., Osumi, N. Manipulating gene expressions by electroporation in the developing brain of mammalian embryos. Differentiation. 70 (4-5), 155-162 (2002).
  18. Walantus, W., Elias, L., Kriegstein, A. In utero intraventricular injection and electroporation of E16 rat embryos. Journal of Visualized Experiments. (6), e236 (2007).
  19. Kawasaki, H., Iwai, L., Tanno, K. Rapid and efficient genetic manipulation of gyrencephalic carnivores using in utero electroporation. Molecular Brain. 5, 24 (2012).
  20. Kawasaki, H., Toda, T., Tanno, K. In vivo genetic manipulation of cortical progenitors in gyrencephalic carnivores using in utero electroporation. Biology Open. 2 (1), 95-100 (2013).
  21. Kalebic, N., et al. Neocortical expansion due to increased proliferation of basal progenitors is linked to changes in their morphology. Cell Stem Cell. 24 (4), 535-550 (2019).
  22. Martinez-Martinez, M. A., et al. A restricted period for formation of outer subventricular zone defined by Cdh1 and Trnp1 levels. Nature Communication. 7, 11812 (2016).
  23. Saito, K., et al. Characterization of the Inner and Outer Fiber Layers in the Developing Cerebral Cortex of Gyrencephalic Ferrets. Cerebral Cortex. 29 (10), 4303-4311 (2019).
  24. Shinmyo, Y., et al. Folding of the Cerebral Cortex Requires Cdk5 in Upper-Layer Neurons in Gyrencephalic Mammals. Cell Reports. 20 (9), 2131-2143 (2017).
  25. Matsumoto, N., Shinmyo, Y., Ichikawa, Y., Kawasaki, H. Gyrification of the cerebral cortex requires FGF signaling in the mammalian brain. Elife. 6, 29285 (2017).
  26. Kalebic, N., et al. Human-specific ARHGAP11B induces hallmarks of neocortical expansion in developing ferret neocortex. Elife. 7, 41241 (2018).
  27. Masuda, K., et al. Pathophysiological analyses of cortical malformation using gyrencephalic mammals. Science Reports. 5, 15370 (2015).
  28. Matsumoto, N., et al. Pathophysiological analyses of periventricular nodular heterotopia using gyrencephalic mammals. Human Molecular Genetics. 26 (6), 1173-1181 (2017).
  29. Barnette, A. R., et al. Characterization of brain development in the ferret via MRI. Pediatric Research. 66 (1), 80-84 (2009).
  30. Smart, I. H., McSherry, G. M. Gyrus formation in the cerebral cortex in the ferret. I. Description of the external changes. Journal of Anatomy. 146, 141-152 (1986).
  31. Sawada, K., Watanabe, M. Development of cerebral sulci and gyri in ferrets (Mustela putorius). Congenital Anomalies (Kyoto). 52 (3), 168-175 (2012).
  32. Reillo, I., Borrell, V. Germinal zones in the developing cerebral cortex of ferret: ontogeny, cell cycle kinetics, and diversity of progenitors. Cerebral Cortex. 22 (9), 2039-2054 (2012).
  33. Smart, I. H., McSherry, G. M. Gyrus formation in the cerebral cortex of the ferret. II. Description of the internal histological changes. Journal of Anatomy. 147, 27-43 (1986).
  34. Borrell, V., Reillo, I. Emerging roles of neural stem cells in cerebral cortex development and evolution. Developmental Neurobiology. 72 (7), 955-971 (2012).
  35. Reillo, I., de Juan Romero, C., Garcia-Cabezas, M. A., Borrell, V. A role for intermediate radial glia in the tangential expansion of the mammalian cerebral cortex. Cerebral Cortex. 21 (7), 1674-1694 (2011).
  36. Fietz, S. A., et al. OSVZ progenitors of human and ferret neocortex are epithelial-like and expand by integrin signaling. Nature Neurosciences. 13 (6), 690-699 (2010).
  37. Lui, J. H., Hansen, D. V., Kriegstein, A. R. Development and evolution of the human neocortex. Cell. 146 (1), 18-36 (2011).
  38. Fietz, S. A., Huttner, W. B. Cortical progenitor expansion, self-renewal and neurogenesis-a polarized perspective. Current Opinion in Neurobiology. 21 (1), 23-35 (2011).
  39. De Juan Romero, C., Bruder, C., Tomasello, U., Sanz-Anquela, J. M., Borrell, V. Discrete domains of gene expression in germinal layers distinguish the development of gyrencephaly. EMBO Journal. 34 (14), 1859-1874 (2015).
  40. Kawasaki, H. Molecular investigations of the brain of higher mammals using gyrencephalic carnivore ferrets. Neurosciences Research. 86, 59-65 (2014).
  41. Matsui, A., Yoshida, A. C., Kubota, M., Ogawa, M., Shimogori, T. Mouse in utero electroporation: controlled spatiotemporal gene transfection. Journal of Visualized Experiments. (54), e3024 (2011).
  42. Borrell, V. In vivo gene delivery to the postnatal ferret cerebral cortex by DNA electroporation. Journal of Neuroscience Methods. 186 (2), 186-195 (2010).
  43. Borrell, V., Kaspar, B. K., Gage, F. H., Callaway, E. M. In vivo evidence for radial migration of neurons by long-distance somal translocation in the developing ferret visual cortex. Cerebral Cortex. 16 (11), 1571-1583 (2006).
  44. Johnson, M. B., et al. Aspm knockout ferret reveals an evolutionary mechanism governing cerebral cortical size. Nature. 556 (7701), 370-375 (2018).
  45. Vaid, S., et al. A novel population of Hopx-dependent basal radial glial cells in the developing mouse neocortex. Development. 145 (20), 169276 (2018).
  46. Pilz, G. A., et al. Amplification of progenitors in the mammalian telencephalon includes a new radial glial cell type. Nature Communications. 4, 2125 (2013).

Tags

Neurociência Edição 159 em eletroporação uterópica furão desenvolvimento de neocórtex células progenitoras neurais manipulação genética in vivo
In Vivo Targeting of Neural Progenitor Cells in Ferret Neocortex by In Utero Electroporation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kalebic, N., Langen, B., Helppi, J., More

Kalebic, N., Langen, B., Helppi, J., Kawasaki, H., Huttner, W. B. In Vivo Targeting of Neural Progenitor Cells in Ferret Neocortex by In Utero Electroporation. J. Vis. Exp. (159), e61171, doi:10.3791/61171 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter