La visualización directa de la murino Dorsal coclear Núcleo de optogenética La estimulación de la vía auditiva

Resumen

The goal of this protocol is to outline a surgical approach to provide direct access to the dorsal cochlear nucleus in a murine model.

Resumen

Investigación sobre el uso de la transferencia génica mediada por virus para detener o revertir la pérdida de la audición en gran medida ha sido relegado al sistema auditivo periférico. Pocos estudios han examinado la transferencia de genes al sistema auditivo central. El núcleo coclear dorsal (DCN) del tronco cerebral, que contiene las neuronas de segundo orden de la vía auditiva, es un sitio potencial para la transferencia de genes. En este protocolo, una técnica para la exposición directa y máxima de la murino DCN a través de un enfoque de la fosa posterior se demuestra. Este enfoque permite ya sea la cirugía aguda o supervivencia. Después de la visualización directa de la DCN, una serie de experimentos son posibles, incluyendo la inyección de opsinas en el núcleo coclear y la estimulación posterior por una fibra óptica acoplada a un láser de luz azul. Otros experimentos neurofisiología, como la estimulación eléctrica y trazados inyectores neuronales también son factibles. El nivel de Visualización y la duración de la estimulación alcanzable hacen de este enfoque aplicable a una amplia gama de experimentos.

Introducción

Virus-mediated gene transfer to reverse hearing loss has largely been focused on the peripheral auditory system.¹ Targeting the cochlea, investigators have examined a host of delivery routes, including osmotic minipump infusion², vector-transgene complex-soaked Gelfoam®² or gelatin sponge³, direct microinjection⁴; numerous gene transfer vectors, including adeno-associated viral vectors^5,6, lentiviral vectors⁷, and cationic liposomes²; and the dissemination of gene transfer vectors beyond the target tissue². Most recently, adeno-associated virus (AAV)-1 has been introduced in the cochlea in order to treat deafness in mice due to loss of vesicular glutamate transporter-3.⁸ Further, the application of optogenetics in peripheral auditory system has recently been described.⁹

Few studies, however, have examined gene transfer to the central auditory system. The dorsal cochlear nucleus (DCN) of the brainstem contain second order neurons of the auditory pathway. While gene transfer techniques in the cochlear nucleus (CN) may be utilized for a host of investigations, gene transfer of opsins, light-sensitive proteins, to the DCN may also be utilized to enable optogenetics-based experimental techniques. Following virus-mediated gene transfer delivery of an opsin, such as channelrhodopsin-2 (ChR2), the neurons of the DCN becomes sensitive to light stimuli. Optogenetic gene transfer has been previously attempted in several brainstem regions, including the rat retrotrapezoid nucleus, mouse locus coeruleus, monkey superior colliculus, and mouse ventral tegmental area.^10-14

Recently, investigators have examined the use of optogenetics in the DCN.^15,16 The DCN is the location of placement of auditory brainstem implants in humans, making it an attractive part of the auditory system to study for translational studies on auditory neuroprostheses. However, given the location of the DCN, surgical exposure is challenging. The technique described herein provides a protocol for maximal exposure of the DCN via posterior fossa approach to enable viral vector gene transfer and optogenetics-based experiments in a murine model. Previous studies used stereotactic microinjection into the DCN with channelrhodopsin-2.¹⁶ Stereotaxic injections, however, are potentially less accurate than injections made by direct visualization, especially in a nucleus as small and deep along the brainstem as the DCN. Transgenic mice expressing tissue specific proteins in the CN are also an attractive option and would obviate the need for gene transfer. Our protocol for exposure of the DCN would also work in transgenic mice as the DCN would need to be directly exposed for optical stimulation. This technique for surgical exposure of the DCN is adapted from previous protocols involving recordings from the auditory nerve and cochlear nucleus in mice and rat models.^15,17-20

The overall goal of the protocol is to provide direct exposure to the CN to allow for gene transfer techniques. More specifically, the approach is compatible with both acute and survival surgery and the preparation can be repeated in the same animal for subsequent neurophysiological testing. The direct exposure of the DCN protocol has implications for optogenetics- and virus-mediated gene transfer-based experimentation in other nuclei of the brainstem.

Protocolo

NOTA: Todos los procedimientos experimentales se realizan de acuerdo con el Comité de Cuidado de Animales y el empleo de la Massachusetts Eye and Ear Infirmary y la Escuela Médica de Harvard, que siguen las directrices nacionales de cuidado de animales, incluyendo la Política Pública de Salud Servicio de Cuidado Humano y Uso de Animales de laboratorio, la Guía ILAR, y la Ley de Protección de los Animales. Los procedimientos experimentales indican a continuación la exposición detallada de la DCN izquierda. Utilice instrumentos estériles mientras se realiza la cirugía de supervivencia.

1. Craneotomía Primaria y Dorsal coclear Núcleo exposición

1. Anestesia
   1. Anestesiar a un ratón, a la edad de 8-12 semanas, con un peso de 18-24 g, con xilazina 20 mg / kg de ketamina y 100 mg / kg a través de una administración intraperitoneal. Confirmar la anestesia adecuada por la tasa de monitorización cardiaca, frecuencia respiratoria, así como reflejo de retirada pizca dedo del pie. Lugar veterinario ungüento en los ojos para evitar la sequedad mientras que bajo anestesia. Una vez adecuadamente bajo anestesia, el pelo afeitado recubre tque el cuero cabelludo para proporcionar un acceso sin obstrucciones a la zona quirúrgica.
2. Posicionamiento quirúrgico
   1. Coloca el ratón de forma segura en un pequeño titular estereotáxica animal, sujeto por una abrazadera hocico.
   2. Asegúrese de que la abrazadera hocico es lo suficientemente floja para permitir la respiración adecuada, pero lo suficientemente apretado para inmovilizar por completo la cabeza del ratón. Si la cabeza del ratón está suelto, el animal es probable que caiga fuera del soporte de cabeza durante la parte craneotomía de procedimiento.
   3. Coloque los electrodos del implante auditivo de tronco cerebral en forma estándar, lo que permite la monitorización de la frecuencia cardíaca. La frecuencia respiratoria debe ser supervisada por la visualización. Tenga en cuenta que la frecuencia cardíaca normal y la frecuencia respiratoria variarán dependiendo de la edad del ratón.
   4. Un termómetro se coloca y euthermia está asegurada a través de la colocación de una manta de calefacción homeotérmico.
3. Incisión de la piel y la exposición de los huesos interparietales y occipital del cráneo
   1. Bajo un Microscopa, hacer una incisión vertical a través de la piel a partir de la línea media, directamente entre el pabellón de la oreja, y se extiende hasta la porción caudal del occipucio. Después de incisión en la piel en la línea media, desplazar lateralmente la piel. Visualizar los músculos que cubren la izquierda de la cara posterior del cráneo.
   2. Retire el músculo que recubre el parietal izquierdo, interparietal, y los huesos occipitales del cráneo por la desarticulación de las inserciones musculares a sus respectivos huesos con un bisturí o tijera iris. Observar un pequeño grado de sangrado a lo largo de los bordes musculares corte. Minimizar esta por presión suave con un aplicador con punta de algodón para 10-15 seg.
4. Suprayacente craneotomía coclear Núcleo
   1. Identificar las líneas de sutura pertinentes, incluidas las líneas de suturas sagital y lambda (Figura 1, panel izquierdo).
   2. Usando unas pinzas, hacer una craneotomía sobre el hueso interparietal, izquierda de la línea media, ~ 2 mm caudal a la línea de sutura lambda. Esta región se superpone a la DCN.
   3. Following craneotomía, observar una fina capa de duramadre que recubre el cerebelo. Usando una hoja de bisturí, retire la duramadre. (Figura 1, el panel medio).
      NOTA: La eliminación de la duramadre puede causar un pequeño grado de sangrado. Este proceso de usar la hoja de bisturí para eliminar la duramadre está destinado a reducir la cantidad de pérdida de sangre durante la aspiración cerebelo, que será común en la superficie del tronco cerebral y la identificación oscura de la DCN. El volumen de sangre total de ratón es ~ 1,5 ml no deben exceder> al 15%. Si el sangrado es superior a esta cantidad, el ratón debe estar provista con suplementos de fluido.
   4. Retire la sangre coagulada superponer el cerebelo con el aplicador con punta de algodón. Opcionalmente, escurrir suavemente salina utilizando una punta dental en el cerebelo para limpiar la sangre fuera sangre.
5. Cerebelosa Aspiración
   1. Usando una succión Francés 5, aspirar la porción lateral más del cerebelo izquierdo que recubre el DCN hasta que el DCN es visual (Figura 1, panel derecho). Retire aproximadamente 1/4 a 1/3 del cerebelo izquierdo. El hito principal adyacente a la DCN es la ampolla del canal semicircular superior.
      NOTA: La aspiración del cerebelo es el paso clave del protocolo. Dirigida aspiración del cerebelo se lleva a cabo con mayor éxito si se produce en un solo intento y no con varias pasadas de la succión, ya que esto causar sangrado. Para ayudar en la aspiración, definir el plano focal del microscopio a la profundidad prevista de la NC, que será ligeramente distal a la superficie del cerebelo. Ajuste del plano focal a la CN mejorará la visualización y asegurar una imagen nítida.
   2. Se espera que después de la aspiración, más sangrado, el líquido cefalorraquídeo (LCR) la acumulación y el desplazamiento cerebelo en la DCN. Inculcar 0,5 cc de solución salina estéril rápidamente en la craneotomía para prevenir la coagulación de la sangre. Una combinación de dabbing suave con un punto dental y la succión puede ser entoncesutilizado para despejar un camino para la visualización directa de la DCN. No entre en contacto directo con la superficie de la DCN.

2. La microinyección de presión para la transferencia génica mediada por virus y la recuperación quirúrgica

1. Después de la DCN es libre de sangre suprayacente y CSF y es claramente visible, hacer microinyecciones de presión en el DCN utilizando una jeringa Hamilton de 10 l durante un período de 2 min.
2. Introducir la aguja con un micromanipulador hasta que la punta ya no es visible bajo la superficie de la DCN.
3. Para un rendimiento óptimo, utilice una aguja de calibre 33 o 34 (utilizar una jeringa estanca a los gases con la aguja de calibre 34) con un bisel de poca profundidad, tales como 45 °, para reducir al mínimo el traumatismo cerrado y localizar el volumen de inyección dentro de la DCN, que es un delgado y estructura del tronco cerebral profunda (<300 micras de espesor).
   NOTA: Otros instrumentos de microinyección pueden basarse utilizado. Idealmente, el instrumento de inyección debe ser flexible para permitir una ligera bend, si es necesario apuntar directamente a la DCN. Además, como el ratón se mueve ligeramente durante todo el procedimiento debido a la respiración, el instrumento debe ser lo suficientemente robusta como para soportar pequeñas cantidades de movimiento.

3. Recuperación Quirúrgica

1. Inmediatamente después de la inyección, vuelva a la aproximación de la piel y permitir el ratón para recuperar por procedimiento de recuperación estándar. Restante cerebelo y tejido cicatrizal se llenará en la cavidad causada por la aspiración del cerebelo. Constantemente observar a los animales hasta que la conciencia suficiente se recuperó para mantener decúbito esternal. Monitorear la frecuencia cardiaca, la frecuencia respiratoria, así como la capacidad para alimentarse.
   NOTA: No animal que ha sido sometido a cirugía es devuelto a una jaula con otros animales hasta que se recupere totalmente.
2. Si un ratón comienza a caminar en círculos después de la intervención (<5% de los casos), típicamente 2-4 horas después del cierre de la incisión de la piel, sacrificar inmediatamente el ratón, ya que probablemente tendría una alimentación momento difícil. Tsu efecto secundario es probable debido a la aspiración del cerebelo. El animal debe ser supervisada para el dolor después de la operación, y los narcóticos también se debe prestar para asegurar el confort de los animales sobre la base de las normas institucionales. Los antibióticos pueden ser necesarios, si la evidencia de infección.

4. Secundaria exposición craneotomía y coclear Núcleo

1. Después de 2-4 semanas de curación y el gen de incubación transferencia mediada por virus, volver a anestesiar un ratón y repita el paso 1.1 a 1.5 tiempo de incubación óptimo previamente inyectado varía con el tipo de gen transferido.
2. Quitar el tejido de la cicatriz sobre el sitio de la craneotomía por una combinación de pinzas, bisturí, y rongeurs.
3. Después de visualizar la craneotomía, identificar una combinación de permanecer cerebelo y tejido cicatrizal que recubre la DCN. Utilice una succión Francés 5 para aspirar cerebelo suprayacente / tejido de la cicatriz (similar a la aspiración cerebelar anterior).
4. Después de la aspiración, le espera un sangrado posterior, CSF build-up, y el resto de bits de cerebelo. Introducir rápidamente salina en la craneotomía para evitar la coagulación de la sangre. Use una combinación de suave dabbing punto dental y de succión para despejar el camino para la visualización directa de la DCN.
5. Observar la superficie de la DCN. Realizar experimentos de fisiología con sede en la optogenética como DCN es ahora accesible. Introducir un estímulo de luz, por ejemplo, con una fibra óptica (Figura 2), para conducir un experimento basado en la optogenética.

5. Histología

1. Tras la conclusión de los experimentos, sacrificar al ratón con una sobredosis de ketamina. Perfundir el ratón con solución salina normal seguido de paraformaldehído al 4%.
2. Extraer el tronco cerebral del cráneo y post-fix durante 2 horas. Cryoprotect el tronco cerebral en el 30% de sacarosa durante 24 a 48 horas. Sección del tronco cerebral usando un criostato estándar con 60 micras secciones.

Resultados

Parcial cerebelosa Aspiración demuestre tener acceso a la coclear Núcleo

Después de la piel y el músculo que recubre el cráneo se retiran, superficie cráneo puntos de referencia, tales como las líneas de sutura coronal y Lamda, demostrar la localización aproximada de la craneotomía. Siguiendo craneotomía con gubia, el cerebelo se visualiza. La aspiración cuidadosa de la pequeña porción del cerebelo demuestra la visualización de la CN, que luego se puede inyectar

Discusión

En este trabajo se describe la técnica de la visualización directa de la DCN en el modelo murino para la manipulación del sistema auditivo central. El enfoque esbozado de visualización directa ofrece ventajas significativas sobre la principal alternativa, que son enfoques estereotáxica. Principalmente, la visualización directa de la DCN permite confirmación inmediata del sitio del tronco cerebral, mientras que los enfoques estereotáxicas no proporcionan visualización directa. En experimentos que requieren prolo...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stereotaxic holder	Stoelting	51500
Homeothermic blanket	Harvard	507214
Scalpel blade #11	Fine Surgical Tools	10011-00
Iris scissor	Fine Surgical Tools	14084-08
5 French suction	Symmetry Surgical	2777914
Dental Points	Henry Schein	100-8170
Bone rongeur	Fine Surgical Tools	16020-14
10 µl Hamilton syringe	Hamilton	7633-01
34 gauge, needle	Hamilton	207434
Rongeurs	Fine Surgical Tools	16021-14