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Method Article
Describimos cómo inyectar soluciones con éxito en áreas específicas del cerebro de roedores utilizando un marco estereotáxico. Esta cirugía de supervivencia es un método bien establecido que se utiliza para imitar varios aspectos de la enfermedad de Parkinson.
La enfermedad de Parkinson (EP) es un trastorno progresivo tradicionalmente definido por temblor en reposo y acinesia, principalmente debido a la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra. Las áreas cerebrales afectadas muestran inclusiones fibrilares intraneuronales que consisten principalmente en proteínas alfa-sinucleína (asin). Hasta el momento, ningún modelo animal ha recapitulado todas las características de esta enfermedad. Aquí, describimos el uso de la inyección estereotáxica para administrar sustancias químicas, proteínas o vectores virales por vía intracraneal con el fin de imitar varios aspectos de la EP. Estos métodos están bien establecidos y se utilizan ampliamente en todo el campo de la DP. Las inyecciones estereotáxicas son increíblemente flexibles; Pueden ajustarse en la concentración, la edad del animal utilizado para la inyección, el área del cerebro objetivo y en las especies animales utilizadas. Las combinaciones de sustancias permiten variaciones rápidas para evaluar los tratamientos o alterar la gravedad de la patología o los déficits conductuales. Al inyectar toxinas en el cerebro, podemos imitar la inflamación y/o una pérdida severa de neuronas dopaminérgicas, lo que resulta en fenotipos motores sustanciales. Los vectores virales se pueden utilizar para transducir células para imitar aspectos genéticos o mecanicistas. Las inyecciones de asyn fibrilar preformado recapitulan mejor el fenotipo progresivo durante un período prolongado de tiempo. Una vez establecidos estos métodos, puede ser económico generar un nuevo modelo en comparación con la creación de una nueva línea transgénica. Sin embargo, este método requiere mucha mano de obra, ya que requiere de 30 minutos a cuatro horas por animal, dependiendo del modelo utilizado. Cada animal tendrá un objetivo ligeramente diferente y, por lo tanto, creará una cohorte diversa que, por un lado, puede ser difícil interpretar los resultados; Por otro lado, ayudar a imitar una diversidad más realista que se encuentra en los pacientes. Los animales mal seleccionados pueden identificarse utilizando lecturas de comportamiento o de imágenes, o solo después de haber sido sacrificados, lo que lleva a un tamaño de cohorte más pequeño después de que el estudio ya ha concluido. En general, este método es una forma rudimentaria pero eficaz de evaluar un conjunto diverso de aspectos de la EP.
La enfermedad de Parkinson (EP) es una enfermedad neurodegenerativa progresiva relativamente frecuente que afecta hasta el 1 % de las personas mayores de 60 años1. La EP es heterogénea, pero clínicamente se caracteriza principalmente por síntomas motores que incluyen temblor en reposo, bradicinesia, acinesia, rigidez, alteración de la marcha e inestabilidad postural. La mayoría de los síntomas motores suelen aparecer cuando el 60-70% de la dopamina estriada (DA) se pierde como resultado de una neurodegeneración progresiva y distinta en la sustancia negra (SN) pars compacta 2,3. Las neuronas dopaminérgicas supervivientes contienen inclusiones intracelulares conocidas como cuerpos de Lewy4. Estos agregados consisten principalmente en alfa-sinucleína (asin), una proteína pequeña pero altamente expresada en las neuronas del cerebro5.
El mecanismo subyacente de la neurodegeneración en la EP aún se desconoce. El envejecimiento sigue siendo el mayor factor de riesgo para este trastorno6. Además, los humanos son la única especie que desarrolla la EP de forma natural. Por lo tanto, con el fin de investigar la patología de la EP y probar nuevos fármacos para prevenir la progresión de la enfermedad, se ha desarrollado una amplia gama de modelos animales7. Idealmente, los modelos animales de EP deberían mostrar una pérdida progresiva de neuronas DA en el SN dependiente de la edad, acompañada de inclusiones intracelulares seguidas de disfunción motora y responder a las terapias de reemplazo de DA. Ninguno de los modelos animales disponibles actualmente recapitula completamente todos los síntomas clínicos y la patología de la EP. Dado que cada modelo presenta diferentes aspectos de la enfermedad, es importante considerar cuidadosamente el modelo apropiado para usar en un experimento basado en las preguntas formuladas.
Históricamente, los modelos animales se basaban en tóxicos, como la 6-hidroxidopamina (6-OHDA) y la 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP), y pesticidas, como la rotenona y el paraquat8. Cada tóxico tiene un mecanismo de acción diferente y va desde la neurona DA específica hasta la generalmente dañina para las células cerebrales. Las toxinas pueden administrarse por vía oral, inyectarse por vía intraperitoneal o directamente en el cerebro mediante inyecciones estereotáxicas, dependiendo de la permeabilidad de la barrera hematoencefálica. A diferencia de otros modelos, los modelos de toxinas garantizan un alto grado de pérdida de células dopaminérgicas nigroestriadas y fenotipos conductuales. Algunos modelos pueden incluso presentar patología sutil. Estas características hacen que los modelos de EP con toxinas sean una gran herramienta para estudiar las terapias de reemplazo y los efectos de las toxinas ambientales en la aparición de la EP 9,10.
Además, se han generado numerosos modelos de ratones transgénicos utilizando una variedad de promotores y genes relacionados con la EP11. La mayoría de los ratones presentan patología nigroestriada, pero sin evidencia clara de neurodegeneración. Los modelos transgénicos tienen la ventaja de ser consistentes entre animales y cohortes y, una vez generados, son fáciles de mantener y distribuir. Si bien no dan lugar a neurodegeneración, son modelos útiles para investigar los cambios celulares causados por variantes genéticas y posibles candidatos a fármacos en un complejo sistema in vivo12.
A diferencia de los modelos transgénicos, la expresión de genes relacionados con la EP mediada por vectores virales ofrece un enfoque más flexible13. Las inyecciones estereotáxicas permiten elegir varias áreas cerebrales, tipos de células y niveles de expresión para una amplia gama de especies animales como ratones, ratas, cerdos y primates no humanos. Inicialmente, se utilizaron vectores virales recombinantes que codifican para asyn para transducir neuronas ubicadas en el SN de rata. La acumulación de proteínas y la disfunción celular preceden a la pérdida progresiva de células dopaminérgicas, lo que resulta en un déficit conductual. Las diferencias en la focalización pueden conducir a una gran variación de la pérdida de células entre los animales (30-80%), lo que es responsable de los déficits de comportamiento variables observados en solo aproximadamente el 25% de las ratas inyectadas14.
Un modelo recientemente establecido es la inyección intracraneal de fibrillas de asin preformadas (PFF) o extractos agregados de tejido cerebral de ratón o paciente15,16. Múltiples estudios indican que la inyección de PFFs o extractos da lugar a una patología asyn generalizada en el cerebro animal, así como a una pérdida de neuronas dopaminérgicas en el SN. La acumulación de asyn aparece dentro de las neuronas que inervan el área inyectada. A diferencia de los modelos basados en vectores virales, el modelo PFF se desarrolla lentamente a lo largo de varios meses, seguido de déficits motores a los 6 meses. Este modelo tiene un gran potencial para estudiar el mecanismo o la prevención de la patología asincrónica17,18.
Todos los modelos mencionados anteriormente han sido bien establecidos y utilizados en numerosas ocasiones para estudiar diversos aspectos del trastorno humano. Las inyecciones estereotáxicas de sustancias directamente en el cerebro han desempeñado un papel importante en el desarrollo de estos modelos animales, no solo en el campo de la EP, sino también en otros trastornos neurológicos. Si bien es laboriosa, la cirugía estereotáxica tiene las ventajas de ser muy flexible en cuanto a la edad de los animales utilizados, la región del cerebro dirigida y la sustancia inyectada, y se puede ajustar según la pregunta de investigación realizada. Por ejemplo, las sustancias pueden inyectarse solas o en combinación (vector + fibrillas o tóxico + vector) para recapitular más aspectos de la enfermedad o evaluar tratamientos19,20. Además, las sustancias se pueden inyectar unilateralmente dejando el lado no inyectado como un control interno para evaluar el comportamiento, así como la neurodegeneración. Por lo tanto, este manuscrito describirá los pasos detallados para generar modelos de DP utilizando inyecciones estereotáxicas.
Todos los experimentos de este estudio se llevaron a cabo en estricta conformidad con las recomendaciones de la Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio de los Institutos Nacionales de Salud y aprobados por los Comités de Cuidado y Uso de Animales del Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los Estados Unidos.
Antes de comenzar, asegúrese de haber adquirido la capacitación adecuada y la aprobación ética de su instituto necesaria para realizar este procedimiento. Además, los anestésicos (p. ej., ketamina y buprenorfina, o fentanilo y medetomidina) utilizados deben adquirirse y manejarse de acuerdo con las normas pertinentes de su institución.
1. Preparación (duración 1 hora)
2. Cirugía (duración media 1 hora por animal)
3. Cuidados postoperatorios (duración 3-7 días)
Para evitar la orientación errónea, antes de cada experimento, verifique las coordenadas mediante inyecciones de tinte. A los animales se les inyectó azul de triptófano 0,2-0,5 μL utilizando el mismo protocolo, el capilar se retiró rápidamente después de la inyección y el cerebro se congeló rápidamente para evitar la difusión. Después de seccionar el micrótomo, el sitio de inyección se puede ver en azul (Figura 2 C,E). Para ga...
La inyección estereotáxica, como cualquier procedimiento quirúrgico, tiene la principal dificultad para garantizar el bienestar y la supervivencia del animal. Por lo tanto, es fundamental vigilar de cerca al animal durante todo el procedimiento. El objetivo principal debe ser estar atento a las irregularidades respiratorias, la pérdida de la respiración o la recurrencia de reflejos y movimientos, especialmente para los cirujanos sin experiencia. Además, la aplicación de analgésic...
Los autores no tienen nada que revelar.
Esta investigación fue apoyada en parte por el Programa de Investigación Intramuros del Instituto Nacional de Salud, Instituto Nacional sobre el Envejecimiento. CES cuenta con el apoyo de NS099416. Los autores desean agradecer el apoyo del Núcleo de Comportamiento de Roedores del NIMH IRP (ZIC MH002952 y MH002952 a Yogita Chudasama) y del Núcleo de Microscopía e Imágenes del NICHD IRP.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Allen brain atlas | Allen Institute | mouse brain - reference atlas | |
analgesic: ketoprofin OR buprenorphine | |||
anesthetic: Isoflurane OR ketamine / xylazine OR fentanyl / medetomidine | |||
blades - surgical sterile | Oasis Medical | No 10 | |
capillaries - glass | Stoelting | 50811 | |
capillary puller | Sutter Instruments | P-97 | |
cotton-tipped applicators | Stoelting | 50975 | |
drill - dental | Foredom | MH-170 | |
Ethanol 70% | |||
eye drops (Liquigel) | CVS | NDC 0023-9205-02 | Carboxymethylcellulose Sodium (1%), Boric acid; calcium chloride; magnesium chloride; potassium chloride; purified water; PURITE® (stabilized oxychloro complex); sodium borate; and sodium chloride |
forceps - full curved | Stoelting | 52102-38P | |
forceps - hemostatic delicate | Stoelting | 52110-13 | |
gauze - cotton absorbent | |||
H2O - sterile | |||
H2O2 30% | Sigma Aldrich | 216763 | |
Hamilton 5ul syringe | Hamilton Company | 7634-01 | |
Hamilton blunt metal needle | Hamilton Company | 7770-01 | |
heat pad - far infrared | Kent Scientific | 2665967 | |
Iodine solution (Dynarex) 10% | Indemedical | 102538 | |
isoflurane | Baxter | 1001936040 | |
lidocaine 0.5% | |||
lighter / matches | |||
microscope (Stemi 508 Boom stand) | Zeiss | 435064-9000-000 | |
PBS sterile | Gibco - Thermo Fischer | 10010-023 | |
pump (injector) | Stoelting | 53311 | |
scalpel handle | Stoelting | 52171P | |
shaver - electrical | andis | 64800 | |
solution to inject / material to implant | |||
stereotax - small animal digital | Kopf | Model 940 | |
sterilizer - glass bead | BT Lab Systems | BT1703 | |
tubing - heat-shrink | Nelco | NP221-3/64 | |
tweezers - dumont fine curved | Roboz | RS-5045A | |
underpad - absorbent | |||
vaporizer for isoflurane (package) | Scivena Scientific | M3000 | |
wound clips and applier / remover | Stoelting | 59040 | |
wound glue (Vetbond) | 3M corporation | 1469SB |
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