Die in utero Elektroporation ist eine Schlüsselmethode für die Untersuchung der molekularen Mechanismen, die die Nervenentwicklung leiten. Durch das Injizieren von DNA, um die Genexpression in spezifischen Regionen des entwickelnden Nagetiergehirns zu verändern, können Forscher die Proliferation, Differenzierung, Migration und Maturation von neuronalen Zellen im Rahmen ihrer natürlichen Umgebung studieren. Dieses Video wird die wichtigsten Grundlagen hinter der in utero Elektroporation zeigen, einen grundlegenden Überblick darüber, wie man die Technik durchführt und deren Anwendung in der neurobiologischen Forschung.
Bevor wir uns darin vertiefen, wie man dieses Verfahren durchführt, wollen wir zunächst einige Grundlagen der Elektroporation besprechen. Dieses Verfahren verwendet elektrische Impulse, die transiente Poren in Zellmembranen erzeugen, so dass DNA in die Zelle eindringen kann. Da die negativ geladene DNA in Richtung der positiven Elektrode wandern wird, können unterschiedliche Zellpopulationen in Abhängigkeit von der Positionierung des elektrischen Feldes adressiert werden.
Obwohl die Elektroporation traditionell in in vitro-Studien verwendet wurde, haben die wissenschaftlichen Fortschritte ihre Verwendung in intakten Organe erweitert, einschließlich solche, die in Mausembyonen in utero gefunden werden.
Die in utero Elektroporation hat im Gegensatz zu einer Zellkultur oder einem ex vivo-Verfahren den Vorteil, dass die transfizierten Zellen weiterhin allen physiologischen Signalen ausgesetzt sind, die die normale Entwicklung leiten. Dies ist besonders wichtig im Gehirn, wo Strukturen wie Axone, Führungssignale von anderen Zellarten erfordern, um sich richtig zu entwickeln.
Insbesondere die Entwicklung des Gehirns involviert einen programmierten Ablauf von Proliferations- und Migrationsvorgängen, was bedeutet, dass unterschiedliche Gewebeschichten basierend des Timings der Elektroporation angezielt werden können.
Schließlich ermöglicht es Forschern, durch die Verfügbarkeit von verschiedenen Arten von Elektroden, auf beide Regionen in der Nähe der Oberfläche sowie auf tiefere Bereiche des Gehirns zuzugreifen. Die Paddelelektroden werden verwendet, wenn oberflächliche Teilen des Gehirns angezielt werden wie der Cortex und der Hippocampus, während kleinere Nadelelektroden verwendet werden wenn tiefe Strukturen wie der Thalamus und der Hypothalamus angezielt werden.
Da wir nun einige grundlegende Prinzipien hinter der Technik diskutiert haben, wollen wir die Vorbereitungen aus dem Weg schaffen, so dass wir uns in den chirurgischen Eingriff und in die in utero Elektroporation vertiefen können.
Zuerst müssen alle Instrumente sterilisiert werden und der OP-Bereich mit 70% Ethanol abgewischt werden. Als nächstes muss eine Injektionslösung hergestellt werden, durch Auflösen von Plasmid-DNA in sterilem PBS, die 0,1% Fast Green enthält. Fast Green wird dazugegeben, um die Visualisierung der Injektionslösung im Embryo zu ermöglichen. Schließlich muss mit einem Nadelzieher eine ultradünne Nadel erzeugt werden, um den Verlust von Fruchtwasser und die anschließende fötale Sterblichkeit zu verringern.
Da wir nun alles vorbereitet haben, wollen wir die grundlegenden Schritte für die Elektroporation von Gehirngewebe bei entwickelnden Nagetieren durchgehen. Zuerst wird mit der Betäubung des schwangeren Muttertieres mit 5% Isofluran begonnen danach wird zu einem Beatmungsrohr, welches 2,25% Isofluran für die Gesamtheit des Verfahrens liefert, gewechselt. Als nächstes wird für die postoperative Schmerzlinderung ein schmerzstillendes Mittel wie Buprenorphin subkutan verabreicht. Danach wird der Bauch rasiert und die Einschnittstelle sterilisiert.
Um den Uterus chirurgisch freizulegen, muss ein vertikaler Schnitt entlang der Mittellinie in die Haut gemacht werden und mit einer Schere schneidet man durch das Peritoneum. Um die Embryonen vom Austrocknen zu hindern, wird die Öffnung mit einer Gaze, die in einer sterilen Kochsalzlösung getränkt ist, abdeckt. Anschließend wird die embryonale Kette sanft aus der Bauchhöhle gezogen, dabei muss sichergestellt werden, dass die Embryonen durch das Abdecken mit einer sterilen, vorgewärmten Kochsalzlösung feucht gehalten werden.
Mit der Verwendung eines Stereomikroskops kann identifiziert werden, dass die Embryos für einen einfachen Zugang zum Gehirn richtig positioniert sind. Mit den Fingern oder einer Pinzette wird der Kopf des Embryos stabilisiert und die DNA-Lösung wird durch die Gebärmutterwand und in das Gehirn injiziert. Eine Elektrode wird auf jeder Seite des Kopfes platziert, mit der positiven Elektrode in der Richtung, in der die DNA elektroporiert werden soll. Nachdem alle geeigneten positionierten Embryonen
elektroporiert wurden, wird das Uterushorn vorsichtig in die Bauchhöhle zurück platziert.
Bevor der Einschnitt geschlossen wird, wird 2-3 ml warme Kochsalzlösung in den Hohlraum hinzugefügt. Das Bauchfell wird mit resorbierbaren Fäden zusammen genäht danach wird die Haut mit Klammern geschlossen. Schließlich wird die Maus in einen Käfig mit einem Heizkissen und einem Monitor transferiert.
Da wir nun besprochen haben, wie man eine in utero Elektroporation ausführt, wollen wir einige folgende Anwendungen dieser Technik untersuchen.
Die in utero Elektroporation ist ein nützliches Tool für die Untersuchung, wie bestimmte Gene zur Nervenentwicklung beitragen. Die elektroporierten Konstrukte können die Überexpression von Wildtyp oder mutierten Proteinen steuern oder die Proteinexpression vollständig blockieren. Die neurologischen Phänotypen können dann entweder auf mikroskopischer oder organismischer Ebene bewertet werden. Zum Beispiel haben diese Experimentatoren festgestellt, das transiente Überexpression des schizophrenie-assoziierten Gens DISC-1 im entwickelndem Mausgehirn zur Überempfindlichkeit gegen Amphetamin im späteren Leben führte.
Die in utero Elektroporation kann auch nützlich sein für die Visualisierung von spezifischen Zellpopulationen und die Verbindungen, die sie eingehen, durch die Bereitstellung von Sequenzen, die kodierte fluoreszierende Proteine in das Nervengewebe liefern. Beispielsweise haben diese Experimentatoren das grün fluoreszierende Protein-Gen in die E13.5 Retinae elektroporiert, um die retinale Ganglienzellen oder RGCs zu untersuchen, die visuelle Informationen vom Auge zum Gehirn übertragen. Die Untersuchung der Netzhaut bei E18.5 zeigt, wie diese Technik verwendet werden kann, um den Weg des RGC Axons durch den Sehnerv, des Chiasmas und des Tractus opticus zu verfolgen.
Schließlich treten viele wichtige Ereignisse in der neuralen Entwicklung nach der Geburt auf, dies inspirierte Wissenschaftler, eine modifizierte Technik, die in vivo Elektroporation genannt wird, zu entwickeln. Dieses Verfahren folgt den gleichen grundlegenden Schritten wie bei der in utero Elektroporation, aber sie wird in der Regel innerhalb der ersten paar Tage nach der Geburt durchgeführt. Die postnatale Genmanipulation ist besonders nützlich für die Untersuchung von später geborenen Zelltypen, wie diese, die hier gezeigt werden, die innerhalb des Riechkolbens gefunden werden.
Das war das JoVE Video zu der in utero Elektroporation. Dieses Video enthält die wesentlichen Grundlagen und einen grundlegenden Überblick darüber, wie die in utero Elektroporation durchgeführt wird, sowie ein paar folgende Anwendungen, die es den Forschern ermöglichen, die molekularen Mechanismen, die die Nervenentwicklung steuern, zu untersuchen. Danke für das Aufpassen!
