Summary

Generere en reproduserbar modell av midtsvangerskaps mors immunaktivering ved bruk av poly (I: C) for å studere følsomhet og motstandskraft hos avkom

Published: August 17, 2022
doi:

Summary

Mors infeksjon er en risikofaktor for nevroutviklingsforstyrrelser. Musemodeller av maternell immunaktivering (MIA) kan belyse infeksjonens innvirkning på hjernens utvikling og funksjon. Her gis generelle retningslinjer og en prosedyre for å produsere pålitelig motstandsdyktig og mottakelig avkom utsatt for MIA.

Abstract

Maternal immunaktivering (MIA) under graviditet er konsekvent knyttet til økt risiko for nevrodevelopmental og nevropsykiatriske lidelser hos avkom. Dyremodeller av MIA brukes til å teste årsakssammenheng, undersøke mekanismer og utvikle diagnostikk og behandling for disse lidelsene. Til tross for deres utbredte bruk, lider mange MIA-modeller av mangel på reproduserbarhet og ignorerer nesten alle to viktige aspekter ved denne risikofaktoren: (i) mange avkom er motstandsdyktige mot MIA, og (ii) mottakelige avkom kan vise forskjellige kombinasjoner av fenotyper. For å øke reproduserbarheten og modellere både følsomhet og motstandskraft mot MIA, brukes baseline immunoreaktivitet (BIR) hos hunnmus før graviditet til å forutsi hvilke graviditeter som vil resultere i enten motstandsdyktige avkom eller avkom med definerte atferdsmessige og molekylære abnormiteter etter eksponering for MIA. Her er det gitt en detaljert metode for å indusere MIA via intraperitoneal (i.p.) injeksjon av dobbeltstrenget RNA (dsRNA) viral etterligne poly (I: C) ved 12,5 dagers svangerskap. Denne metoden induserer en akutt inflammatorisk respons i dammen, noe som resulterer i forstyrrelser i hjernens utvikling hos mus som kartlegger på lignende påvirkede domener i humane psykiatriske og nevrodevelopmental disorders (NDDs).

Introduction

Epidemiologiske bevis knytter mors infeksjon til økt risiko for psykiatriske og NDDs, inkludert schizofreni (SZ) og autismespektrumforstyrrelse (ASD) 1,2,3,4,5,6,7. MIA-musemodellen ble utviklet for å teste kausalitet og den mekanistiske rollen til MIA i etiologien til disse lidelsene, samt å identifisere molekylære biomarkører og utvikle både diagnostiske og terapeutiske verktøy 4,6. Til tross for nytten av denne modellen og dens økende popularitet, er det betydelig variasjon i MIA induksjonsprotokoller innen feltet, noe som gjør det vanskelig å sammenligne resultater på tvers av studier og replikere funn 8,9. I tillegg undersøker de fleste iterasjoner av modellen ikke to viktige translasjonsaspekter ved MIA: (i) mange avkom er motstandsdyktige mot MIA, og (ii) mottakelige avkom kan vise forskjellige kombinasjoner av fenotyper8.

For å generere en reproduserbar MIA-modell, bør etterforskere rapportere minst ett kvantitativt mål på størrelsen på MIA indusert i dammer. For å indusere MIA under svangerskapet, utfører laboratoriet vårt intraperitoneale (i.p.) injeksjoner av dobbeltstrenget RNA-viral etterligner polyinositisk: polycytidilsyre [poly (I: C)]. Poly (I: C) induserer en immunkaskade som ligner på influensavirus som den gjenkjennes av tolllignende reseptor 3 (TLR3) 10. Som et resultat aktiverer poly (I: C) den akutte faseresponsen som resulterer i rask forhøyning av proinflammatoriske cytokiner 8,11,12. Tidligere studier har vist at forhøyning av proinflammatoriske cytokiner, inkludert interleukin-6 (IL-6), er nødvendig for å produsere atferdsavvik og nevropatologi hos avkom som følge av MIA11,12,13. Dermed er nivået av IL-6 i mors serum samlet under sin topp ved 2,5 timer etter poly (I: C) injeksjon et overbevisende kvantitativt mål for MIA som kan brukes til å sammenligne resultater på tvers av laboratorier innen feltet.

For å generere en MIA-modell som adresserer de translasjonelt essensielle elementene i resiliens og følsomhet med en enkelt induksjonsprotokoll 8,14, kan forskere kombinere typiske induksjonstilnærminger med karakterisering av dammens baseline immunoreaktivitet (BIR) før graviditet8. Nylig ble det oppdaget at jomfru kvinnelige C57BL/6 mus viser et bredt spekter av IL-6 responser på en lavdose eksponering for poly (I: C) før graviditet8. Det er bare en undergruppe av disse hunnene som fortsetter å produsere mottakelige avkom, og bare ved visse størrelser av immunaktivering som diktert av kombinasjonen av BIR og poly (I: C) dose8. MIA induserer fenotyper i et omvendt U-mønster; Avkom viser de største atferdsmessige og molekylære avvikene når dammer er moderat immunoreaktive, og størrelsen på mors betennelse når, men ikke overskrider, et kritisk område8. Her er det gitt en detaljert metode for hvordan man på en pålitelig måte kan skape både elastiske og mottakelige avkom med divergerende atferdsfenotyper som følge av injeksjon av poly (I: C) midt i svangerskapet.

Protocol

Alle protokoller utføres under godkjenning av University of California-Davis Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). 1. Dyr forberedelse Når du anskaffer dyr, må du holde følgende parametere konsistente for å sikre maksimal reproduserbarhet.Leverandør- og leverandørplassering: som tidligere rapportert, viser villtype C57BL/6J-mus forskjellige responser på samme dose poly (I: C) avhengig av leverandøren8. Velg en l…

Representative Results

Ikke alle dyr utsatt for 30 mg/kg poly(I:C) ved E12.5 produserer avkom med konsistente atferdsavvik 8,31. Selv om både 30 mg / kg og 40 mg / kg poly (I: C) pålitelig produserer sykdomsadferd hos dammer, inkludert redusert aktivitetsnivå, hypoterm respons og vekttap, og også forårsaker signifikante forhøyninger i IL-6, vil bare en delmengde av kull utsatt for MIA fortsette å utvikle atferdsavvik i domener som ligner de som er observert hos humane psykiatris…

Discussion

Mors infeksjon endrer løpet av hjernens utvikling hos mennesker og hos både gnagere og ikke-menneskelige primater 4,5,7. Her skisseres en prosedyre for å indusere MIA hos mus ved et midtsvangerskapstidspunkt ved bruk av poly (I: C). Denne metoden inkorporerer vurdering av BIR før graviditet, noe som øker reproduserbarheten og gir muligheten til mekanistisk å undersøke mekanismer som fører til motstandskraft og følsomhet…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. Myka Estes for hennes utholdenhet i å adressere variasjon i muse-MIA-modellen og alle bidragsyterne i Estes et al.8 for deres arbeid som førte til utviklingen av metodeprotokollen beskrevet her. Forskningen rapportert her ble støttet av NIMH 2P50 MH106438-06 (AKM) og NIMH T32MH112507 (K.P.).

Materials

0.9% NaCl physiological endotoxin free saline Sigma-Aldrich 7647-14-5 Control and vehicle for Poly(I:C)
35mm petri dish Thomas Scientific 1219Z45 Used to hold oil during tail bleed
7.5% TGX gels Bio-rad 4561084 Optional
Ancare Nestlets Fisher Scientific NC9365966 Optional
anti-β-tubulin Millipore MAB3408 Optional
Bio-Plex Pro Mouse Cytokine Standards Group I Bio-rad 171I50001
Bio-Plex Pro Reagent Kit with Flat Plate Bio-rad 171304070M
Bovine Serum Albumin ThermoFisher 23209 Optional
Centrifuge Eppendorf 5810R Optional
Covidien Monoject 1/2 mL Insulin Syringe with 28G x 1/2 in. Needle Spectrum 552-58457-083
Dithiothreitol Sigma-Aldrich D9779-10G Optional
Environmental enrichment Bio-serv K3327 and K3322 Optional
Ethovision Noldus Ethovision Optional
Fluorsecent-tagged seondary ntibodies Li-cor 925-32213 and 925-68072 Optional
Food-grade edible oil (like olive, canola or grapeseed) Various vendors Use to lubricate tail during tail bleeds
HBSS ThermoFisher 14060040 Optional
High molecular weight polyinositic:polycytidilic acid Invivogen #tlrl-pic-5 Used to establish females' BIR
Humane Mouse Restrainer AIMS 1000 Used to restrain mouse during tail bleeds
Image Studio Software Licor 5.2 Optional
Laemmli buffer Bio-rad 1610737EDU Optional
Luminex200 ThermoFisher APX10031
Microvette CB300 300μl Serum capillary tube Sarstedt 16.440.100
Mixed molecular weight polyinositic:polycytidilic acid Sigma-Aldrich #P0913 Gestational induction of MIA
monoclonal anti-MEF2A AbCam ab76063 Optional
monoclonal anti-STAT3 Cell signaling 12640S Optional
Observer Noldus Observer Optional
Odyssey blocking buffer (TBS) Li-cor 927-50003 Optional
Odyssey CLx imaging system Li-cor 9140 Optional
Omnipure PBS Millipore 65054L Optional
Pierce BCA Protein Assay Kit ThermoFisher 23227 Optional
polyclonal anti_TH Pel-Freez P4101-150 Optional
PVDF membrane Bio-rad 162-0177 Optional
Qsonica Sonicator Q500 Fisher Scientific 15-338-282 Optional
Quick blood stopper Petco 17140
Seal-Rite 1.5 ml microcentrifuge tube, natural non-sterile USA Scientific 1615-5500
Soldering stand Amazon B08Y12QC73 Used to hold capillary tube during tail bleeds
Sunflower seeds Bio-serv S5137-1 Use to increase breeding efficiency
The Bio-Plex Pro Mouse IL-6 set, Bio-rad 171G5007M
Tris base Fisher Scientific BP152-1 Optional
Tween 20 Bio-rad 23209 Optional

References

  1. Adams, W., Kendell, R. E., Hare, E. H., Munk-Jørgensen, P. Epidemiological evidence that maternal influenza contributes to the aetiology of schizophrenia. An analysis of Scottish, English, and Danish data. The British Journal of Psychiatry: The Journal of Mental Science. 163 (4), 522-534 (1993).
  2. Brown, A. S., et al. Serologic evidence of prenatal influenza in the etiology of schizophrenia. Archives of General Psychiatry. 61 (8), 774-780 (2004).
  3. Brown, A. S., Derkits, E. J. Prenatal infection and schizophrenia: a review of epidemiologic and translational studies. The American Journal of Psychiatry. 167 (3), 261-280 (2010).
  4. Patterson, P. H. Immune involvement in schizophrenia and autism: etiology, pathology and animal models. Behavioural Brain Research. 204 (2), 313-321 (2009).
  5. Patterson, P. H. Maternal infection and immune involvement in autism. Trends in Molecular Medicine. 17 (7), 389-394 (2011).
  6. Estes, M. L., McAllister, A. K. Immune mediators in the brain and peripheral tissues in autism spectrum disorder. Nature Reviews. Neuroscience. 16 (8), 469-486 (2015).
  7. Estes, M. L., McAllister, A. K. Maternal immune activation: Implications for neuropsychiatric disorders. Science. 353 (6301), 772-777 (2016).
  8. Estes, M. L., et al. Baseline immunoreactivity before pregnancy and poly(I:C) dose combine to dictate susceptibility and resilience of offspring to maternal immune activation. Brain, Behavior and Immunity. 88, 619-630 (2020).
  9. Kentner, A. C., et al. Maternal immune activation: reporting guidelines to improve the rigor, reproducibility, and transparency of the model. Neuropsychopharmacology. 44 (2), 245-258 (2019).
  10. Zhou, Y., et al. TLR3 activation efficiency by high or low molecular mass poly I:C. Innate Immunity. 19 (2), 184-192 (2013).
  11. Hsiao, E. Y., Patterson, P. H. Activation of the maternal immune system induces endocrine changes in the placenta via IL-6. Brain, Behavior and Immunity. 25 (4), 604-615 (2011).
  12. Smith, S. E., Li, J., Garbett, K., Mirnics, K., Patterson, P. H. Maternal immune activation alters fetal brain development through interleukin-6. The Journal of Neuroscience. 27 (40), 10695-10702 (2007).
  13. Choi, G. B., et al. The maternal interleukin-17a pathway in mice promotes autism-like phenotypes in offspring. Science. 351 (6276), 933-939 (2016).
  14. Meyer, U. Neurodevelopmental resilience and susceptibility to maternal immune activation. Trends in Neurosciences. 42 (11), 793-806 (2019).
  15. Laroche, J., Gasbarro, L., Herman, J. P., Blaustein, J. D. Reduced behavioral response to gonadal hormones in mice shipped during the peripubertal/adolescent period. Endocrinology. 150 (5), 2351-2358 (2009).
  16. Aguila, H. N., Pakes, S. P., Lai, W. C., Lu, Y. S. The effect of transportation stress on splenic natural killer cell activity in C57BL/6J mice. Laboratory Animal Science. 38 (2), 148-151 (1988).
  17. Landi, M. S., Kreider, J. W., Lang, C. M., Bullock, L. P. Effects of shipping on the immune function in mice. American Journal of Veterinary Research. 43 (9), 1654-1657 (1982).
  18. Menees, K. B., et al. Sex- and age-dependent alterations of splenic immune cell profile and NK cell phenotypes and function in C57BL/6J mice. Immunity & Ageing. 18 (1), 3 (2021).
  19. Shaw, A. C., Goldstein, D. R., Montgomery, R. R. Age-dependent dysregulation of innate immunity. Nature Reviews Immunology. 13 (12), 875-887 (2013).
  20. Starr, M. E., Saito, M., Evers, B. M., Saito, H. Age-associated increase in Cytokine production during systemic inflammation-II: the role of IL-1beta in age-dependent IL-6 upregulation in adipose tissue. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 70 (12), 1508-1515 (2015).
  21. Bruce, M., et al. Acute peripheral immune activation alters cytokine expression and glial activation in the early postnatal rat brain. Journal of Neuroinflammation. 16 (1), 200 (2019).
  22. Mader, S. L., Libal, N. L., Pritchett-Corning, K., Yang, R., Murphy, S. J. Refining timed pregnancies in two strains of genetically engineered mice. Lab Animal. 38 (9), 305-310 (2009).
  23. Heyne, G. W., et al. A simple and reliable method for early pregnancy detection in inbred mice. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (4), 368-371 (2015).
  24. Hutchinson, E., Avery, A., VandeWoude, S. Environmental enrichment for laboratory rodents. ILAR Journal. 46 (2), 148-161 (2005).
  25. Bayne, K. Environmental enrichment and mouse models: Current perspectives. Animal Models and Experimental Medicine. 1 (2), 82-90 (2018).
  26. Toth, L. A., Kregel, K., Leon, L., Musch, T. I. Environmental enrichment of laboratory rodents: the answer depends on the question. Comparative Medicine. 61 (4), 314-321 (2011).
  27. Sparling, J. E., Barbeau, K., Boileau, K., Konkle, A. T. M. Environmental enrichment and its influence on rodent offspring and maternal behaviours, a scoping style review of indices of depression and anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 197, 172997 (2020).
  28. Xiao, R., Ali, S., Caligiuri, M. A., Cao, L. Enhancing effects of environmental enrichment on the functions of natural killer cells in mice. Frontiers in Immunology. 12, 695859 (2021).
  29. Girbovan, C., Plamondon, H. Environmental enrichment in female rodents: considerations in the effects on behavior and biochemical markers. Behavioural Brain Research. 253, 178-190 (2013).
  30. Mueller, F. S., Polesel, M., Richetto, J., Meyer, U., Weber-Stadlbauer, U. Mouse models of maternal immune activation: Mind your caging system. Brain, Behavior, and Immunity. 73, 643-660 (2018).
  31. Mueller, F. S., et al. neuroanatomical, and molecular correlates of resilience and susceptibility to maternal immune activation. Molecular Psychiatry. 26 (2), 396-410 (2021).
  32. Nyffeler, M., Meyer, U., Yee, B. K., Feldon, J., Knuesel, I. Maternal immune activation during pregnancy increases limbic GABAA receptor immunoreactivity in the adult offspring: implications for schizophrenia. Neuroscience. 143 (1), 51-62 (2006).
  33. Babri, S., Doosti, M. H., Salari, A. A. Strain-dependent effects of prenatal maternal immune activation on anxiety- and depression-like behaviors in offspring. Brain, Behavior, and Immunity. 37, 164-176 (2014).
  34. Vigli, D., et al. Maternal immune activation in mice only partially recapitulates the autism spectrum disorders symptomatology. Neuroscience. 445, 109-119 (2020).
  35. Malkova, N. V., Yu, C. Z., Hsiao, E. Y., Moore, M. J., Patterson, P. H. Maternal immune activation yields offspring displaying mouse versions of the three core symptoms of autism. Brain, Behavior, and Immunity. 26 (4), 607-616 (2012).
  36. Shin Yim, Y., et al. Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature. 549 (7673), 482-487 (2017).
  37. Ito, H. T., Smith, S. E., Hsiao, E., Patterson, P. H. Maternal immune activation alters nonspatial information processing in the hippocampus of the adult offspring. Brain, Behavior, and Immunity. 24 (6), 930-941 (2010).
  38. Zuckerman, L., Weiner, I. Maternal immune activation leads to behavioral and pharmacological changes in the adult offspring. Journal of Psychiatric Research. 39 (3), 311-323 (2005).
  39. Mueller, F. S., Polesel, M., Richetto, J., Meyer, U., Weber-Stadlbauer, U. Mouse models of maternal immune activation: Mind your caging system. Brain, Behavior, and Immunity. 73, 643-660 (2018).
  40. Careaga, M., Murai, T., Bauman, M. D. Maternal immune activation and autism spectrum disorder: from rodents to nonhuman and human primates. Biological Psychiatry. 81 (5), 391-401 (2017).
  41. Lazic, S. E., Essioux, L. Improving basic and translational science by accounting for litter-to-litter variation in animal models. BMC Neuroscience. 14, 37 (2013).
  42. Spencer, S. J., Meyer, U. Perinatal programming by inflammation. Brain, Behavior, and Immunity. 63, 1-7 (2017).
  43. Mouihate, A., Kalakh, S. Maternal Interleukin-6 hampers hippocampal neurogenesis in adult rat offspring in a sex-dependent manner. Developmental Neuroscience. 43 (2), 106-115 (2021).
  44. Zhang, Z., van Praag, H. Maternal immune activation differentially impacts mature and adult-born hippocampal neurons in male mice. Brain, Behavior, and Immunity. 45, 60-70 (2015).

Play Video

Cite This Article
Prendergast, K., McAllister, A. K. Generating a Reproducible Model of Mid-Gestational Maternal Immune Activation using Poly(I:C) to Study Susceptibility and Resilience in Offspring. J. Vis. Exp. (186), e64095, doi:10.3791/64095 (2022).

View Video