正如目前所实施的那样,非人灵长类动物的光遗传学需要将病毒载体注射到大脑中。最佳注射方法应该是可靠的,并且对于许多应用,能够靶向任意深度的单个位点,这些位点在尸检组织学中很容易明确地识别出来。提出了一种具有这些特性的注射方法。
光遗传学技术已经彻底改变了神经科学研究,并准备为神经基因治疗做同样的事情。然而,光遗传学的临床应用要求在动物模型中证明安全性和有效性,最好是在非人灵长类动物(NHP)中,因为它们与人类的神经学相似。对神经科学和医学可能有用的候选载体数量庞大,目前还没有高通量方法来测试这些载体。因此,需要一种技术来将病毒载体多次在空间和体积上准确的注射到NHP大脑中,这些载体可以通过死后组织学明确识别。这里描述的是这样的方法。注射插管由耦合的聚四氟乙烯和不锈钢管制成。这些插管可高压灭菌、一次性使用,并且具有低最小负载体积,使其成为注射昂贵、高度浓缩的病毒载体溶液的理想选择。惰性红色矿物油填充死区,并与载体溶液形成可见的弯月面,从而可以瞬时准确地测量注射速率和体积。油被装载到套管的后部,降低了与载体共同注射的风险。插管可以在10分钟内加载,注射可以在20分钟内进行。该程序非常适合注射到清醒或麻醉的动物中。当用于递送高质量的病毒载体时,该程序可以产生光遗传蛋白的稳健表达,从而可以对非人灵长类中的神经活动和行为进行光学控制。
非人灵长类动物(NHP)的光遗传学通常涉及将病毒载体直接注射到大脑中。一类非常适合此应用的载体是基于腺相关病毒(AAV)。这些载体由围绕单链DNA基因组的蛋白质衣壳组成,而单链DNA基因组又由启动子,视蛋白基因以及其他可选的蛋白质编码和基因调控元件组成。分子克隆的进步促进了这些组分的操纵和组合,以开发新的载体。因此,对NHP光遗传学可能有用的AAV载体的收集量很大,并且增长迅速。
目前,AAV载体在NHP光遗传学中的实用性需要在体内进行测试。这一事实是取得进展的实质性障碍。必须谨慎使用动物,在单个动物中测试多种载体要求注射部位相对于神经结构进行明智的定位,并且相对于病毒传播进行良好的分离。准确的组织学评估要求注射在空间和体积上准确。以前用于局部输送药剂1,2,3,4的注射技术被调整和简化为进行这种注射。这种注射技术价格低廉,使用一次性、可消毒的组件,可用于麻醉或清醒行为的猴子,并可用于靶向任何深度的不同大脑区域。以下协议描述了制造一次性组件和在 NHP 大脑中进行注射的分步程序。讨论了该技术的优缺点。
所有实验均按照《实验动物护理和使用指南》进行,并超过了实验动物资源研究所和国际实验动物护理评估和认证协会建议的最低要求。所有程序均由华盛顿大学动物护理和使用委员会评估和批准(UW IACUC协议#4167-01)。五只健康的猕猴(2只 猕猴,3只 猕猴;雄性,4-11岁)参加了这项研究。所有外科手术都使用无菌器械和技术。
1. 制作套管(图 1A)
2. 麻醉动物注射程序
3.清醒行为动物的手术和AAV载体注射(图1D)
注意:该技术的一种变体可用于将注射到清醒的行为猴子的大脑中,如下所述。
图1:手术和器械的设置 。 (A)注射套管。指示套管的每个部分。右下角插图:套管尖端的放大图片,比例尺:500 μm。 (B)麻醉猴的手术设置。将猴子放置在手术单下的立体定位框架中。呼吸机(V),静脉输液管(IV),血压监测仪(BP)和氧饱和度监测仪(O2)连接到猴子。使用立体定位显微操纵器将注射套管插入目标区域。矢量溶液由电动气泵(左下插图,棕色)与空气压缩机(左下插图,蓝色)耦合注入。将塑料尺(顶部插图)粘在PTFE管上,以测量注射过程中有色油(顶部插图,红色)和矢量溶液(顶部插图,透明)之间的弯月面运动。(C)设置以将矢量溶液加载到套管中。(D)一只猴子在实验室注射载体溶液。动物的头部由三个稳定柱固定到位,眼睛位置由巩膜搜索线圈系统记录。使用微电极支架/驱动器保持注射套管并将其驱动到目标深度。通过USB相机(插图)监测有色油和载体溶液之间的弯月面来控制注射。(五)双筒导管喷射。双桶导管支架/驱动器固定注射套管和微电极(见插图)。(F) 注射。通过刮擦环氧涂层暴露在套管尖端的金属为神经元提供电通道(插图,比例尺:500 μm)。(G) 激光刺激设置。双筒导管支架/驱动器同时容纳光纤和微电极(见插图)。 请点击此处查看此图的大图。
图2:AAV注射部位图 。 (A)脑MR图像的矢状部分,显示 猕猴的主要运动皮层和初级视觉皮层中的注射部位。(B)从相应Atlas板上的背表面查看,显示套管相对于中央沟(初级运动皮层)和初级视觉皮层的位置。(C)在上丘注射的单元记录。注射前分离的单元(右上)在注射后消失(右下)。(D) 注射轨道(白色箭头)。比例尺:500 μm。 请点击此处查看此图的大图。
4. 用于组织学的脑组织处理
为了证明使用此处描述的手术注射方法将体内立体定向注射到NHP脑中的转基因表达,选择了两种载体,其中含有驱动不同神经元类型8,9中超黄色荧光蛋白-2(SYFP2)表达的增强子。将病毒载体包装在PHP.eB衣壳10中,通过碘沙醇离心纯化,然后浓缩至高滴度(>1E13病毒基因组/ mL),通过qPCR测量。通过皮层沿十个轨道在十个深度中的每一个进样0.5 μL的体积,总进样体积为5 μL/轨道。图3A-C显示了将PVALB亚类特异性AAV载体CN2045注射到成年雄性玛卡卡犬的初级视觉皮层113天后,通过抗GFP免疫染色通过抗GFP免疫染色表达SYFP2。SYFP2转基因在分散在皮质深度的许多非锥体神经元中得到有力检测,大多数表达SYFP2的神经元也对PVALB7具有免疫反应性。图3D显示了注射L5神经元亚类特异性AAV载体CN225164天后初级运动皮层中的天然SYFP2表达。SYFP2标记的神经元都具有清晰的锥体形态,体细胞仅限于第5层和特征性的厚顶端树突。这些数据明确地证明了通过立体定位注射靶向AAV载体的细胞类型,精确控制了NHP大脑中选定的新皮质神经元群体中的转基因表达。
图 3:由注射到 NHP 大脑中的 AAV 载体介导的细胞类型特异性 SYFP2 表达示例 。 (A) 注射 PVALB 亚类特异性 AAV 载体后 113 天猕猴初级视觉皮层固定切片的落射荧光显微照片。比例尺:1毫米。 (乙,丙)以 A所示的盒装区域的更高放大倍率图像。(B)抗GFP信号。(C)抗PVALB信号。比例尺:250 μm。 (D) 注射第 5 层脑外亚类特异性 AAV 载体 64 天后,猕猴初级运动皮层固定切片中天然 SYFP2 荧光的落射荧光显微照片。比例尺:500 μm。 请点击此处查看此图的大图。
为了证明这种注射技术在神经生理学和行为光遗传学操作中的实用性,进行了三个实验,每个实验在不同的猴子(Macaca mulatta)上进行。在第一个实验(图4A-D)中,将携带通道视紫红质-2转基因(AAV1-hSyn1-ChR2-mCherry)的AAV载体注射到左上丘(SC)中。每250μm在19个深度进样载体,总共12μL。在第二个实验(图 4E-G)中,将 3 μL AAV1-hSyn-ArchT-EYFP 溶液注入桥状网状核 (NRTP)。在第三个实验(图 4H-K)中,将 24 μL AAV9-L7-ChR2-mCherry 溶液注射到小脑皮层 6。每次注射后六到八周,通过双管导管将光纤和钨电极插入大脑(图1G)。
图4B显示了SC神经元对蓝光(450nm)的响应。40 mW 下的常亮光 (1.2 s) 产生一系列连续动作电位(图 4B,顶部)。持续时间为 1 ms 的光脉冲在 40 mW 时无法唤起动作电位(图 4B,中),但在 160 mW 时确实可靠地唤起动作电位,这是测试的唯一其他功率电平,延迟为 2.7 ± 0.6 ms(图 4B,底部)。脉冲序列(160 mW,频率:300 Hz,占空比:15%,持续时间:300 ms)始终诱发扫视,平均潜伏期为 97 ± 32 毫秒,平均振幅为 10.4°,平均角度为 47°(向上和向右;图 4C)。
与使用 SC11,12 的亚阈值电刺激来改变扫视增益的研究一致,在 15°、18° 和 20° 左右和向下 (225°) 扫视后对 SC 进行光学刺激会逐渐降低扫视增益(图 4D)。这种增益的降低需要~250次试验(绿色圆圈)才能恢复到适应前的增益(黑色圆圈),证实了其长期可塑性的基础。
在第二个实验(图4E)中,从NRTP到小脑皮层(小叶VIc和VII)的动眼神经蚓(OMV)的苔藓纤维投影被光学抑制。图4F显示了OMV中荧光标记的苔藓纤维和玫瑰花结(插图)。黄色激光(589nm)通过光纤传递到OMV,附近的钨电极用于记录浦肯野细胞活性。图4G显示了NRTP投影的光遗传失活之前(灰色)和之后(橙色)的简单尖峰活性(图4G,顶部)。在失活之前,浦肯野细胞表现出12°向右扫视的双爆发模式(图4G,中间,灰色)。在失活期间,放电速率降低并变为突发暂停模式(图4G,中间,橙色)。比较这两种反应模式表明,浦肯野细胞的苔藓纤维输入通过驱动第二次爆发来影响扫视减速阶段(图4G,中间,绿色)。在光遗传学失活期间,向右扫视的变异性降低,这与扫视指标的一些试验间变异性是由于苔藓纤维携带的信号的变异性的观点一致(图4G,底部,橙色)。
在第三个实验(图4H)中,OMV的浦肯野细胞受到光遗传学刺激(图4I)。一系列短光脉冲(1.5 ms脉冲,65 mW,50 Hz)增加了分离的浦肯野电池的简单尖峰活性(图4J,顶部)。单个 1.5 ms 光脉冲经常引起 >1 个简单尖峰(图 4J,底部)。光遗传学简单尖峰激活,定时发生在扫视期间(10 ms光脉冲,60 mW),扫视幅度增加(图4K),证实了浦肯野细胞对动眼膜发生器的抑制作用。
图4:在清醒的猴子中进行的三个光遗传学实验的摘要。 (A-D)实验1,泛神经元兴奋:病毒注射,激光刺激和单位记录在上丘中进行(A)。(B)激光刺激引起的代表性单位活动。(C),激光刺激引起的眼球运动的水平(顶部)和垂直(中间)分量和单位活动(底部)的光栅图。(D)激光刺激诱导的扫视适应的代表性会议。每次扫视后80毫秒(插图)进行刺激(100 0.5 ms激光脉冲)。扫视增益(扫视幅度/目标幅度)在试验中逐渐下降。(E-G)实验2,通路特异性抑制:将病毒载体注射到桥状网状核中,并在动眼神经蚓(E)中进行激光刺激和单元记录。(F) 动眼神经蚓部的组织学切片显示标记的苔藓纤维(比例尺:1 毫米)及其玫瑰花结(插图,比例尺:100 μm)。(G)浦肯野细胞活性(顶部:光栅,中:平均发射速率)和有和没有激光刺激的视觉引导扫视轨迹(底部)。灰色:激光关闭试验,橙色:激光试验,绿色:灰色和橙色之间的差异。(香港)实验3,细胞类型特异性激活:在动眼神经蚓部(H)中进行病毒注射,激光刺激和单位记录。(I)动眼神经蚓部的组织学切片显示标记的浦肯野细胞。比例尺:100 μm。 (J)激光刺激引起的浦肯野细胞的简单尖峰活性。上图:来自 14 次试验的光栅图。下图:来自单个代表性试验的电压迹线。(K) 有和没有激光刺激的视觉引导扫视轨迹。扫视期间的 10 ms 光脉冲会增加扫视幅度。激光试验中的单个扫视轨迹(青色)及其平均值(蓝色)。单个扫视轨迹(浅灰色)及其平均(深灰色)在激光关闭试验中。实验1和3的光波长为450 nm,实验2中的光波长为589 nm。请点击此处查看此图的大图。
非人灵长类光遗传学的进步产生了对准确、可靠的颅内注射方法的需求。本报告中描述的方法的优点是它价格低廉,使用可消毒和一次性组件,并且能够针对任何深度的不同大脑区域。它还允许通过控制空气阀的速度来控制注射速度和体积。气压可以暂时增加以清除堵塞,然后迅速降低,以避免随后由持续压力产生的过度注射。一次性组件可降低注射部位之间交叉污染的风险。
该注射方案中的关键步骤包括构建高质量的套管,在不引入气泡的情况下加载它们,以及选择不太靠近的注射部位。间隔≥1 cm的注射通常转导非重叠区域,但这种启发式方法取决于病毒血清型、滴度、启动子、体积、靶标和检测方法。选择不直接连接的注射部位可避免视蛋白沿轴突运输产生的潜在混杂以及某些AAV血清型的逆行转导倾向。
该方法可用于在麻醉和立体定位框架中注射非人灵长类(图3)或警报和头部固定(图4)。前者的优点是允许在立体定位坐标中靶向注射,并且它允许通过急性硬膜切开术目视确认套管穿透(通过慢性开颅术切开清醒的猴子的硬脑膜,增加感染的风险)。后一种方法的优点是减少了生存手术的次数,从而减少了对动物的压力,与行为过程中的电生理记录兼容,并且使用相同的坐标系和仪器插入光纤进行注射后实验。清醒猴的注射技术可以通过人工硬脑膜13,14,15进行注射来进一步改进。这将赋予直接可视化注射部位和指示成功转导的组织荧光的额外优势。
最近,开发了一种多通道注射装置,将AAV载体均匀地输送到大的NHP皮质区域16。使用对流增强输送可以获得类似的结果17,18。这些方法旨在最大化转导扩散,这是一个重要的目标,但与我们的方法旨在实现的空间精度不同。
另一种替代方法是通过硼硅酸盐管注入AAV载体,该管在一端斜向尖锐的尖端,并在另一端连接到汉密尔顿注射器上5,6。该方法与本文中描述的方法有很多共同之处。病毒载体保持在一段管子中,病毒后面的管子中的空间充满染色油,并通过油载体弯月面的运动监测载体的流动。这种替代技术需要较少的设备和准备,但它需要通过负压通过斜面尖端将油吸入硼硅酸盐管中,然后通过相同的路线加载载体。这不可避免地导致微量的油输送到大脑。此外,根据我们的经验,硼硅酸盐管的直径必须为 ~350 μm,即使在斜面时也能穿透硬脑膜,因此比本文中描述的更细的金属套管会造成更大的机械损伤(图 2D)。之所以使用30 G管,是因为尽管长度为1-10厘米,但其临界屈曲载荷足以介导硬脑膜穿透,因为它与PTFE管紧密配合,并且很少被阻塞。33 G 卡套管更容易堵塞和弯曲,并且更难与 PTFE 管配合。36 G 管的刚度不足以穿透 NHP 硬脑膜。
另一种替代注射技术是将气泵的输出与矢量加载的拉式玻璃移液器19的背面配合。通过泵的直接间歇气压将载体从移液器吸头中挤出,无需油。与上面解释的单管方法类似,弯月面和套管尖端之间没有任何材料连接,降低了泄漏的风险。然而,玻璃移液器的尖锐锥度和精致的尖端可防止它们穿透NHP硬脑膜或瞄准深层结构。
作者没有什么可透露的。
这项研究得到了WaNPRC / ITHS P51OD010425(JTT),美国国立卫生研究院(NIH)拨款EY023277(R01为YK),EY030441(R01为GH),MH114126(RF1至JTT,Boaz Levi,Ed Lein),MH120095(UG3为JTT和GH),EY028902(R01为RS)的支持,并由NIH拨款OD010425(P51为WaNPRC)和华盛顿大学版税研究基金A148416。作者要感谢Yasmine El-Shamayleh和Victoria Omstead的组织学,Refugio Martinez的病毒载体克隆以及John Mich在NHP脑组织处理方面的帮助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment: Stereotaxic set | |||
Item | |||
Allen keys | BONDHUS | 10936 | STERRAD |
Cannula holder | KOPF | 1770 | STERRAD |
Carrier (manipulator) | KOPF | 1404 | STERRAD |
Carrier platform | KOPF | 1430 | NA |
Carrier stand | KOPF | 1449 | STERRAD |
Eye, ear, mouth bars | KOPF | 1430 | NA |
Stereotaxic base | KOPF | 1210 | NA |
Equipment: Cannula | |||
Item | |||
1 mL Luer-lock syringes | BD | 309628 | NA (sterilized package) |
Cannulas* | (homemade - see below) | NA | steam (autoclave) |
Colored oil** | (homemade - see below) | NA | NA |
Elevator (for tube rack) | Cole-Parmer | UX-08057-10 | STERRAD |
Filter tip | Genesee Scientific | 23-404 | NA (sterilized package) |
Fluorescent microbeads | Lumafluor | R170 | NA |
P20 pipetman | Gilson | FA10003M | NA |
PCR tubes | Olympus Plastics | 22-161 | STERRAD |
Stopcock | Cole-Parmer | 3060004 | STERRAD |
Tube rack | homemade | NA | STERRAD |
Vector solution | (homemade) | NA | NA |
Equipment: Electric air pump set | |||
Item | |||
Electric air pump | World Precision Instruments | PV830 | NA |
Foot pedal | World Precision Instruments | 3260 | NA |
Tube cover | EZ Drape | A400-1000 | NA (sterilized package) |
Equipment: General surgery tools | |||
Item | |||
Beaker | MEDLINE | azlon | STERRAD |
Burrs | STRYKER | 277-10-235 | STERRAD |
Double pronged tissue pick | Fine Science Tools | 18067-11 | STERRAD |
Drapes | MEDLINE | DYNJP3004 | NA (sterilized package) |
Dressing forceps | Miltex | 6-118 | STERRAD |
Drill | STRYKER | Q9R-5400 | NA |
Drill bits | STRYKER | 277-82-87 | STERRAD |
Gauze | MEDLINE | NON26334 | NA (sterilized package) |
Hemostatic mosquito forceps | Miltex | 7-2, 7-4 | STERRAD |
Light handles | SKYTRON | Stellar XL | STERRAD |
Needle hodler | Miltex | 8-2 | STERRAD |
Periosteal elevator | Miltex | 18-1968 | STERRAD |
Rongeurs | Miltex | 17-4800 | STERRAD |
Saline | BAXTER | 2F7122 | STERRAD |
Scalpel | Bard-Parker | 372610 | STERRAD |
Scissors | Miltex | 5-12, 5-114 | STERRAD |
Senn retractors | Miltex | 28065 | STERRAD |
Sterile gloves | MEDLINE | Triumph Micro | NA (sterilized package) |
Suction | medela | 200-4869 | NA |
Suction tip | MEDLINE | DYNDFR12S | NA (sterilized package) |
Suction tube | COVIDEN | 8888301614 | NA (sterilized package) |
Surgical gowns | MEDLINE | DYNJP2002S | NA (sterilized package) |
Surgical pens & ruler | MEDLINE | DYNJSM03 | NA (sterilized package) |
Suture | COVIDEN | SL-635 | NA (sterilized package) |
Tissue forceps | Miltex | 6-114 | STERRAD |
Towel clamps | Miltex | 7-504 | STERRAD |
Wood swabs | MEDLINE | MDS202095 | NA (sterilized package) |
Equipment: *cannulas | |||
Item | |||
Hypodermic needle | EXELINT INTERNATIONAL | 26437 | NA (sterilized package) |
Stainless steel tube | K-TUBE | K30R | NA |
PTFE tube | ZEUS | 216200 | NA |
Equipment: **colored oil | |||
Item | |||
Liquid Candle Dye Concentrate | PremiumCraft | Red/Pink | NA |
Mineral oil | Vi-Jon | S0883 | NA |
STERRAD: low-temperature hydrogen peroxide gas plasma |
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