肌肉注射沿运动终板:微创方法来接送示踪剂直接为运动神经元

摘要

The efficacy of intramuscular uptake and retrograde transport of molecules to corresponding motor neurons depends on the location of the injection sites with respect to the motor end plates (MEPs). Here, we describe how to locate MEPs on skeletal muscles to optimise retrograde transport of tracers into motor neurons.

摘要

影响脊髓运动神经元疾病的诚信是最有神经衰弱的条件。在过去的几十年中，这些神经肌肉疾病的几种动物模型的发展提供了科学界与旨在延缓或逆转这些条件的级数不同的治疗方案。通过采取神经元逆行机械的优点，这些方法之一是对目标骨骼肌以穿梭治疗基因为对应脊髓运动神经元。虽然曾经有希望的，这样的基因递送方法的成功已经阻碍了转导的运动神经元它迄今所示，得到的亚最佳数目。马达的端板（的MEP）是在骨骼肌高度专业化的区域是在直接的突触接触到脊髓α运动神经元。在这方面，值得注意的是，重要的是，到目前为止，在努力逆行基因转移到运动神经元作了不参照该MEP区域的位置在目标肌肉。这里，我们描述一个简单的协议1）揭示骨骼肌的表面上，该MEP的确切位置和2）以使用该信息来指导肌内递送和逆行示踪剂的后续最佳逆行运输成运动神经元。我们希望利用来自于进一步研究这些追踪实验的结果通过进入欧洲议会议员的调查靶向治疗基因的逆行运输到脊髓运动神经元。

引言

自主运动而导致的神经系统疾病，如运动神经元病和spinal-以及假肥大型肌萎缩的控制权的丧失是一个衰弱的条件，即对每一天的生活受影响的个人的高持久的影响。在过去的十年中，旨在阻止或至少延迟这些神经肌肉疾病的有害影响的研究工作已经有很多临床医生和科学家在世界各地的一个优先事项。在这方面，最近一代模仿这些神经肌肉疾病的动物模型一直在获得基本见解底层的这些条件^1-13的发展和进展的生理机制。这些神经肌肉疾病的治疗需要直接访问脊髓，并且可以通过脊髓注射^14,15来实现。在基因治疗的最新进展已经还针对性鞋面的横纹肌和下肢穿梭治疗基因为相应的α运动神经元位于脊髓^1,9-13的腹角内。然而，这一次希望的策略已经失败，以提高这些神经疾病的结果。虽然它是公平的结论是，这些不良后果可能是，至少部分是由于这些保护性基因的疗效低，不能排除这些基因传递方法的疗效低。

运动终板（MEPS）是由大周边运动纤维从α运动神经元发起轴突缩进骨骼myofibres专门的区域。总之，外周神经纤维末梢和欧洲议会议员组成的神经肌肉接头处， 即 ，在突触脉冲通过顺行释放神经递质乙酰胆碱引发了现场。重要的是，外周神经纤维和MEP之间的关系是双向的直销tional，虽然不同的马达分别负责分子和细胞器的朝向以及远离神经元的传输胞体^16-18。鉴于这些解剖考虑，维护端点似乎是所选择的目标的递送和遗传物质的后续逆行运输到相应的运动神经元。在这种情况下，它是不奇怪的运动神经元传导的成功在很大程度上依赖于注射病毒载体和肌肉的维护端点^19-20的肌内之间的距离。令人惊讶的是，然而，在实验室大鼠和小鼠的myofibres该MEP区域的准确位置，这两个物种的选择来建模神经肌肉疾病，没有可用的直到最近。

我们公司生产的MEP地区综合地图数前肢肌肉在大鼠和小鼠^21-22。最近，我们已经表明了环境保护部R的组织的详细资料egion几个肌肉鼠标后肢^23，我们目前正在分析对大鼠后肢的欧洲议会议员的特点。在我们的手中，定向到这些肌肉在整个MEP区逆行示踪剂肌内注射引起人们正在跨越多个脊髓节段比以前更多的报道标记的运动神经元。这里，我们提出已经开发了在过去的几年中，为揭示的MEP的位置上的外表面以及整个后肢的深度和前肢肌肉同时在小鼠和大鼠的协议。

研究方案

这里介绍的所有实验程序符合澳大利亚新南威尔士大学的动物护理和伦理委员会，并按照国家卫生和医学研究理事会澳大利亚规定动物实验进行。在这个协议中的所有程序应按照有关动物护理和伦理委员会的要求进行。

1.乙酰胆碱酯酶组织化学染色

1. 准备乙酰胆碱酯酶反应混合物
   1. 添加290毫克碘化乙酰硫胆碱的200毫升的0.1M磷酸盐缓冲液（PB）。混合用磁力搅拌器在900rpm下。
   2. 添加600毫克甘氨酸下连续搅拌。
   3. 慢慢在连续搅拌下添加420毫克硫酸铜到反应混合物中，直到产品完全溶解。
2. 卸下动物胴体皮肤通过切口（通过组织共享获得）成灌注大鼠或小鼠的皮肤，抓从颈部区域的皮肤和拉过去它的脚。确保筋膜覆盖各肌肉是删除或者显著穿孔以确保肌肉纤维在反应溶液的充足的曝光。
3. 浸入整个身体或感兴趣肢到反应混合物中，并孵育O / N在4℃。
4. 洗胎体为在蒸馏水中2分钟。注意:在此阶段，肌肉呈现蓝色着色和电动机的端板（的MEP）可以被看作是白点。
5. 暴露胴体为3-5秒的10％硫化铵溶液。
   注:肌纤维会迅速变成褐​​色和欧洲议会议员将观察到的黑色斑点点。如果发生太快的反应，并且肌纤维被染色太暗的MEP和肌肉纤维之间进行区分尝试使用较低的铵的硫化物溶液（ 例如 ，5％）的浓度。反应时间，以获得的MEP和肌纤维之间最佳的对比度变化从一个样品到另一个。因此它是难以定义的精确曝光时间到试剂。该反应应密切监测和时的对比度被视为足够停止。
6. 洗胎体两次，同时搅拌在蒸馏水，轻轻拍打胎体干燥。
7. 照片两个外侧和内侧的肢体的各方面，确保维护端点对所有感兴趣的肌肉被捕获。

2.肌内注射的运动终板

1. 拉玻璃微有微量拉马（采用分级用微量柱塞的建议）。用解剖显微镜的帮助下，打破微量的尖端具有一对钳子的，使得微量的腔的内直径大约为0.5毫米。
2. 确保使用的所有外科手术器械灭菌的新鲜和TH在外科手术区域是无菌的。
3. 填充氟金（5％的蒸馏水）的微量。
4. 诱导anaesthetise在动物中的感应室与异氟烷（在O ₂ 4％）。检查翻正反射，并确保从感应室后，再取出它的缺席。固定鼻锥上的大鼠的口鼻部和递送异氟烷（在O ₂ 2％）维持麻醉的。捏动物的脚趾和轻轻触摸动物的眼睛，以确保两个踏板撤出和角膜反射消失。注意:氯胺酮和xylazil的混合物也可以使用（80和10毫克/公斤分别腹膜内递送）。氯胺酮是一种附表8（"控制"）的药物和药物的采购，使用，保管和处置相关的都必须坚持必要的协议。
5. 敷眼润滑剂，以防止在过程期间的眼睛干燥。
6. 刮胡子的Targeted肢体和使用纱布洗必泰三个交替磨砂和70％的酒精擦拭剃光区域。将动物转移到手术区。
7. 将动物放在一个干净的底垫，并适当地定位，以保证良好的访问目标肌肉（S）。
8. 使用一对镊子与齿夹具解除皮肤在目标肌肉远离底层肌肉，并在与外科剪刀的皮肤切口。确保切口足够大以完全暴露感兴趣的肌肉（多个）。确保有到筋膜最小的中断。
9. 使用MEP照片精神上调换MEP区域的位置和形状上的肌肉（S）。
   注:细毛毡标记可以协助重现从照片环境保护部地区到感兴趣的肌肉（S）。
10. 沿着该MEP区域的全长进行多次注射（对于荧光金，1-2微升3至4次注射各sHOULD足够了）。轻轻擦拭肌肉（S），以消除任何渗漏。
11. 把皮肤切开的两端钝钳并拢并关闭与手术夹伤。渗透0.1毫升布比卡因（0.5％，在水中）（或其它局部麻醉药）沿着伤口的整个跨度。
12. 打开麻醉机关闭并监测动物，直到它已完全从麻醉中恢复。
13. 等待的肌内注射给药和动物的灌注之间14天。

3.灌注

1. 通过腹膜内注射;（150毫克/千克例如 Lethabarb）给动物施用致死剂量的戊巴比妥钠溶液。
   1. 密切监测动物，直到麻醉的深层次到达时，证实了没有踏板撤出和角膜反射。
2. 在定位上的动物其解剖板放置在perfusio回ñ下沉。
3. 使用一对镊子与齿夹具解除皮肤覆盖胸骨的基础。做一个小的皮肤切口用一双有力的手术剪立即胸骨下方，然后用钳子夹住胸骨剑突软骨。按住剑突软骨，扩大对胸腔两侧的切口，从胸骨向腋下。
4. 切割膜片暴露心脏。
   1. 注射肝素0.ml直接进入心脏的顶点，以防止血液凝固。
   2. 切的顶点，以允许套管插入到左心室，然后迅速夹紧套管就位用止血剂的帮助。
   3. 使在右心房中的切口具有一对细剪刀并立即启动蠕动泵。灌注用0.1M PB直至流出心房的液体几乎是自由的血液和肝脏的颜色变成浅棕色。然后，灌注了SOLU多聚甲醛（在0.1M PB 4％），直到动物的整个身体和灰变得僵硬。

4.颈脊髓解剖和准备组织学

1. 莱在其腹部的动物尸体。
2. 切开皮肤在人体的中线用解剖刀从颅底到髂骨的水平反映它。
3. 切穿并反映椎旁肌肉以暴露脊柱的背部方面。
4. 确定地图集，第二颈椎节段（ 即 C2）的骨棘突，并与一对手术咬骨钳或镊子取出的是找到相应的底层背根。
   1. 用一个永久性标记毛毡它着色识别正确的C2根。
   2. 由一个除去在下椎骨之一，并标记右背根交替的颜色（ 即 ，C2，C4，C6和C8可以在绿色和C3着色，C5，C7，T1可以是山口在或运算蓝色）。
5. 使用小型手术针（ 例如 ，地下30号针）轻轻刺穿硬脑膜覆盖脊髓的下端。朝上针的斜面，从帘线抬起硬脑膜远离移动的同时将针吻侧使一个纵向缝隙。
   1. 反映硬脑膜。
6. 切断脊髓横向成一个或两个段块具有一个新的手术刀刀片。
   1. 离开原位的脊髓节段，并且对于每个块，小心地使在与两个相邻根部之间的手术刀刀片中途各块的左侧的小基准标记。确保该基准标记是穿过组织足够深为可从该块的腹侧可见。使基准标记以大约45°的角度，指点要么前方或后方相对于动物解剖，在组织段的以下夹层的定向，以帮助。
7. 收集各块到含有多聚甲醛（在0.1M PB 4％）溶液小，清楚地标明瓶子，并在室温O / N离开。
8. 传输块到含有蔗糖（在0.1M PB 30％）的溶液中清洁，明确标示瓶子和保持在4℃下为至少两天。
9. 发生在低温的模具段，都用组织冷冻介质。对于纵向组织编制，东方与背侧块朝上，使用基准标记来定位，在低温的模具块。
10. 冻结的低温模具，在-20℃，并切断与一个低温恒温器在50微米厚的切片。注意:这些部分可以直接安装在粘附显微镜载玻片和放置干燥O / N。或者，所述部分可以浮动在48孔板填充用0.1M PB和随后使用基准标记来定向在幻灯片上的组织切片安装。

5.腰椎有限公司RD解剖和准备组织学

1. 莱动物尸体上回来。
2. 沿着动物的腹部进行中线切开和除去内脏。解剖出来后腹壁的肌肉以暴露脊柱的腹侧。
3. 找到短小尾椎，肋骨大部分及其邻近椎体T13所在的T13前根退出骨。
   1. 连续由一个除去一个的两个或三个椎骨喙和T13（ 即 ，T12，T11和，如果需要的话，T10）用细外科骨钳跟随T13前根直到其在腹侧脊髓的腹侧进入点和它具有永久性标记毛毡标记。
   2. 从这点上，重复相同的过程，以确定的腹侧根入口点L1，L2，L3，L4，L5，L6和S1的位置，与交替的颜色着色它们。
4. 如第4.5-4.10描述LUM遵循相同的程序酒吧脊髓清扫。

结果

乙酰胆碱酯酶组织化学染色揭示了在整个肌肉的宽度的马达端板的位置。 图1示出在整个大鼠前肢执行这种染色的结果。因此建议以优化铵硫化物溶液的浓度（ 如 ，5-7％，而不是10％），以及检体浸渍在溶液中的时间，如果对肌肉纤维的非特异性背景染色过过量。 图2示出了注射逆行神经示踪剂沿着鼠标肱三头肌运动终板区域的长度后标记运动神经元中的颈脊髓的?...

讨论

肌内靶向和治疗性转基因的后续逆行转移到相应的α运动神经元的实验性治疗的神经肌肉病症是不是一个新的策略。例如，这种递送方法已被用来延迟神经肌肉变性在ALS的进展在SOD1小鼠和大鼠^1,9-12不同阶段以及在小鼠中有SMA ^13。尽管有希望，这些基因治疗方案的功效受到了限制。在这方面，我们提出了转基因通过脊髓运动神经元的吸收可以通过在肌纤维中的运动终板的选择性靶向...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fluoro-Gold	Fluorochrome, LLC	Nil	Diluted to 5%
Drummond PCR Micropipets 1-10 µl	Drummond Scientific	5-000-1001-X10	accompanied with plungers
Acetylthiocholine Iodide	Sigma Life Science	A5751-25G
Copper(II) Sulfate Anhydrous	Sigma-Aldrich	61230-500G-F
Tissue-Tek O.C.T Compound	Sakura Finetek	25608-930
Glycine	Ajax Finechem	1083-500G
Dextran, Tetramethylrhodamine and biotin	Life Technologies	D-3312	Diliuted in distilled water
Isothesia	Provet	ISOF00	1000 mg/g Isoflurane inhalation vapour
Autoclip 9 mm Wound Clips	Texas Scientific Instruments, LLC	205016
Lethabarb Enthanasia Injection	Virbac (Australia) Pty Ltd.	LETHA450
Formaldehyde Solution	Ajax Finechem	A809-2.5L PL
SuperFrost Plus glass slides	Menzel-Glaser	J1800AMNZ
Ammonium Sulphide	Sigma-Aldrich	A1952	Diluted to 10%
Marcain Spinal 0.5% (Bupivacaine hydrochloride)	Astrazenca		Diluted to 0.25%