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Method Article
くも膜下ウイルスの注入を使用するアデノ随伴ウイルスの広範な送達のための新しい技術が記載されています。この方法は、マウス新皮質ニューロンの表層への広範な形質導入を保証するだけでなく、非選択的プロモーターを使用した場合でも、第5層錐体ニューロンにおける導入遺伝子の選択的発現をもたらします。
組換えアデノ随伴ウイルスは、実験生物学の多くの分野、特に神経科学において、関心のあるさまざまな遺伝子の送達と発現のための柔軟で強力なツールです。特定の脳領域で目的の導入遺伝子の発現を促進する最も一般的な方法は、AAVベクターを脳実質に直接注入することです。しかし、この方法では、一部の in vivo 実験に必要な広範なニューロン形質導入は可能ではありません。この記事では、脳のくも膜下腔へのウイルス注入に基づいて、マウス新皮質で広範囲に遺伝子発現を行う新しい技術を紹介します。このニューロン標識法は、成体マウス表在性新皮質層におけるニューロンの広範な形質導入を保証するだけでなく、CAGのような強力な非選択的プロモーターを使用する場合でも、高い特異性を持つ第5層錐体ニューロンの大規模な集団における導入遺伝子の発現をもたらします。さらに、細胞形質導入は注射部位からかなり離れた場所で行われるため、この方法は、その後のニューロン活動の光学的または電気生理学的記録のために脳組織を保存するのに役立ちます。
哺乳類の脳は、数兆のシナプス1によって回路に相互接続された多くの抑制性、興奮性、および調節性の細胞で構成されています1。神経科学の中心的な課題の1つは、脳の回路と行動の組織と機能における異なる細胞タイプの役割を解読することです。脳内の遺伝的に定義された細胞を操作するには、導入遺伝子を導入して発現させる方法が必要です。ウイルスベースの遺伝子導入システムは、中枢神経系への遺伝子導入のための最も効果的で簡単な方法です2。ウイルス送達システムは、遺伝情報を宿主細胞に送達する能力を持つ複製ウイルス(アデノウイルス、アデノ随伴ウイルス(AAV)、レンチウイルス、レトロウイルス)に基づいています2,3。
AAVベースのベクターは、現在、基礎神経科学研究と神経疾患の遺伝子治療開発の両方を目的として、脳内の細胞に目的の導入遺伝子を送達するための最も広く使用されているツールの1つになっています。他のウイルスと比較すると、複製欠損AAVは、これらの目的に理想的なベクターとなる多くの特徴を備えています。最も注目すべきは、AAVベクターがニューロンやグリア細胞などの非分裂性(末端分化型)細胞を効率的に形質導入し、in vivo2で高レベルの導入遺伝子発現をもたらすことです。ベクターは、in vivoでの使用に適した高機能力価で容易に作製できます3,4,5。重要なことに、in vivoでのアデノ随伴ウイルス媒介遺伝子導入は、病理組織学的変化やベクター関連毒性を引き起こさない6。アデノウイルスベクターとは異なり、動物モデルにAAVベクターをin vivoで投与しても、通常、形質導入細胞に対する宿主免疫応答は引き起こされず、脳実質内で長期間にわたって安定した導入遺伝子発現が可能になります2,7,8。
AAVベクターが人気のもう一つの理由は、独自の組織および細胞型指向性9,10,11,12,13,14を有する広範なAAV血清型である。異なるAAV血清型によって発現される異なるカプシドタンパク質は、細胞侵入のための異なる細胞表面受容体の使用をもたらし、したがって、特異的な指向性10,14をもたらす。
AAVの親和性は、カプシドタンパク質だけでなく、他の多くの因子によっても決定される14。AAV血清型1、2、6、7、8、および9は、初代培養15,16でニューロンとアストロサイトの両方を形質導入したが、実質内脳注射17,18後には強いニューロン親和性を示したことが示されている。AAVベクターの調製に使用される方法は、同じ血清型であっても、神経細胞の親和性にも影響を与える可能性があります。例えば、CsCl精製されたAAV8は、実質内脳注射後に強い天球膠学的親和性を有していたが、同じ条件下で注射されたイオジキサノール精製AAV8は、ニューロンのみを形質導入した19。AAV向性は、注射された用量とボリューム14によっても影響を受ける可能性があります。.例えば、高力価のrAAV2/1は、皮質興奮性ニューロンと抑制性ニューロンの両方を効率的に形質導入したが、低力価の使用は、皮質抑制性ニューロンの形質導入に対する強い選好性を明らかにした20。
したがって、カプシド血清型のみに基づいて堅牢な細胞型特異性を達成することはできません。細胞型特異的プロモーターは、AAVキャプシドの広範な自然親和性を克服するために使用できます。例えば、ヒトシナプシンIはニューロンを標的とするために使用され21、CaMKIIプロモーターはグルタミン酸作動性興奮性ニューロンにおける導入遺伝子発現を高い特異性で駆動することができ20、ppHcrtプロモーターは視床下部外側のヒポクレチン(HCRT)発現ニューロンを標的とし22、PRSx8プロモーターはドーパミンβ-ヒドロキシラーゼを発現するノルアドレナリン作動性およびアドレナリン作動性ニューロンを標的とし23、GFAPプロモーターはアストロサイト特異的発現を駆動することができる24。しかし、一部の細胞特異的プロモーターは転写活性が弱く、十分なレベルの導入遺伝子発現を駆動することができません25。さらに、AAVウイルスベクターに適合する短いプロモーターは、多くの場合、細胞タイプの特異性を保持しません1,26。例えば、CaMKIIコンストラクトは、抑制性ニューロン12も形質導入することが示されている。
細胞型の特異性(親和性)に加えて、AAVのもう一つの重要な特徴は形質導入効率です。さまざまなAAV血清型は、異なる拡散特性を持っています。AAV2および4つのウイルスベクターは、脳実質を通じて拡散しにくく、したがって、より小さな領域17,27で形質導入を媒介する。最も広範なニューロン伝達は、AAV血清型1、9、およびrh.10 11,17,18,19,28で観察されます。
特定の脳領域における所望の導入遺伝子の発現を促進する最も一般的な方法は、AAVベクターを関心のある脳領域(実質)に直接注入することです3。実質内注射後、脳を通じてより効果的な拡散を有するAAV血清型でさえも、典型的には注射部位の周囲の局所領域のみを形質導入する12。さらに、実質内注射は侵襲的な手順であり、関心領域に隣接する組織損傷を引き起こします。したがって、このウイルス注入方法は、一部の実験タスクには適していません。例えば、細胞の広範な標識は、1光子顕微鏡または2光子顕微鏡29,30,31,32の使用を含む、自由に動く動物の皮質ニューロン機能を研究することを目的とした実験において非常に望ましい。
ここでは、くも膜下ウイルス注入を使用して成体マウスの新皮質ニューロンの広範な形質導入を提供し、その後のニューロン活動の光学的または電気生理学的記録のために脳組織を保存する新しいアデノ随伴ウイルス注入技術について説明します。この方法は、表在性新皮質層におけるニューロンの広範な形質導入を確保しただけでなく、CAGのような強力な非選択的プロモーターを使用した場合でも、高い特異性を持つ第5層錐体ニューロンの大規模な集団における導入遺伝子の発現をもたらした。
実験は、雌雄ともに生後2〜4ヶ月の成体C57Black/6マウス(Pushchino Breeding Center, Branch of the Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry of RAS)で行いました。マウスは、温度制御されたビバリウム(22°C±2°C、12時間の明暗サイクル、08.00時間に点灯)に収容され、餌と水が 自由自在に行われました。すべての実験手順は、動物実験に関するARRIVEガイドラインおよび指令2010/63/EUに従って実施されました。研究プロトコルは、IHNA RAS の倫理委員会によって承認されました (2022 年 2 月 1 日からのプロトコル N1)。動物の苦痛を最小限に抑え、結果の信頼性を確保するために、あらゆる努力が払われました。
1. 手術の準備
2. シリンジの準備
3.手術用マウスの準備
4. ウイルスインジェクション
5. 術後のケア
6.組織学
7. 免疫染色
パイロットシリーズの実験では、従来の皮質内注射法を使用して、CaMKIIプロモーターの下でEGFP蛍光タンパク質と融合した 高速チャネルロドプシン(oChIEF) 遺伝子を運ぶAAV2によって、マウス新皮質の5層目錐体ニューロンを形質導入しました。AAV212の特徴と一致して、幅が1mmを超えない比較的小さな感染領域が得られました(図1A
私たちは、AAV2ウイルス粒子の懸濁液を脳のくも膜下腔に注入することにより、マウス新皮質ニューロンを形質導入する新しい方法を開発しました。これにより、ウイルスの分布が広範囲に広がり、同量のウイルスが脳実質に直接注入された場合に感染する組織の体積の約4倍になります。
ウイルスベクターをさまざまな経路(例えば、脳室内、髄?...
著者は、利益相反を宣言しません。
この作業は、ロシア科学財団(助成金20-15-00398P)からの財政支援を受けて実施されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment | |||
10 µL Gastight Syringe Model 1701 RN (5 uL 75 RN Hamilton microsyringe) | Hamilton Company | Part/REF # 7634-01, Hamilton or cat no. HAM7634-01, Merck | |
33 G RN needle, point style 3 | Hamilton Company | Part/REF # 7803-05, Hamilton | |
Binocular Microscope | Nikon or Micromed | Model MC-4 ZOOM | |
Cerna-based laser scanning confocal microscope | ThorLabs | ||
Cold light source | RWD | Model 76312 | |
Leica VT1000 S Vibrating blade microtome | Leica Biosystems | 76001-014 | |
Low-Flow Anesthesia System with starter kit | Kent Scientific Corporation | 13-005-111 (Model SomnoSuite) | |
Mechanical Pipette 0.1 – 2.5 µL Eppendorf Research plus | Eppendorf | 3123000012 | |
Mechanical Pipette 10 – 100 µL Eppendorf Research plus | Eppendorf | 3123000047 | |
Mice Shaver | RWD | Model CP-5200 | |
Microdrill with drill bits (0.5 mm, round) | RWD | 78001, 78040 | |
or Desctop Digital Stereotaxic Instrument, Mouse anesthesia Mask, Mouse ear bars (60 Deg) | RWD | Models 68027, 68665, 68306 | |
Pressurized air | KUDO | ||
Single Channel Manual Pipette 0.5-10 µL | RAINN | 17008649 | |
Small Animal Stereotaxic Instrument | KOPF | Model 962 | |
Stereotaxic Injector | Stoelting | 10-000-004 | |
Surgical Instruments (Tools) | |||
30 G dental needle (Ni-pro) | Biodent Co. Ltd. | To slit the dura | |
Bone scraper | Fine Science Tools | 10075-16 | |
Dental bur | DRENDEL + ZWEILING | For craniotomy; Shape: pear shaped/round end cylinder/round; Tip Diameter: 0.55-0.8 mm diameter | |
Needle holder (Halsey Micro Needle Holder) | Fine Science Tools | 12500-12 | |
Polypropylene Surgical Suture or Surgical Suture Vicryl (5-0, absorbable) | Walter Products (Ethicon) | S139044 (W9442) | |
Scalpel handle (#3) with scalpel blades (#11) | Fine Science Tools | 10003-12, 10011-00 | |
Scissors (Extra Narrow Scissors) | Fine Science Tools | 14088-10 | to cut the skin |
Scissors (Fine Scissors) | Fine Science Tools | 14094-11 | to cut suture |
Surgical suture PROLENE (Polyproptlene) | Ethicon (Johnson & Johnson) | ||
Tweezers (Forceps #5) | Fine Science Tools | 11252-20 | |
Tweezers (Polished Inox Forceps) | Fine Science Tools | 11210-20 | |
Disposables | |||
1 mL insulin syringe | SITEKMED | To load vaseline oil into a microsyringe, to administer drugs | |
Cell Culture Plate | SPL Life Science | ||
Cotton swabs | |||
Cover Glasses | Fisher Scientific | 12-545E | |
Insulin syringe needle (27 G) | SITEKMED | To remove debries from a hole (craniotomy) | |
Lint-free wipes CLEANWIPER | NetLink | ||
Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Paper towels | Luscan | ||
Parafilm | StatLab | STLPM996 | |
Sterile Surgical Gloves | Dermagrip | ||
Drugs/Chemicals (Reagents) | |||
10% buffered formalin or 4% paraformaldehyde | Thermo Scientific Chemicals | J61899.AK | |
Alcohol solution of iodine (5%)) | Renewal | ||
Antibiotic ointment Baneocin (bacitracin + neomycin) | Sandoz | Antibacterial agent for external use | |
Aqua Polymount | Poly-sciences | 18606-20 | |
Carbomer Eye Gel Vidisic (Ophthalmic gel) | BAUSCH+LOMB (Santen) | ||
Carboxylate-Modified FluoSphere Microspheres (red) | Thermo Fisher Scientific | F-8801 | |
Dexamethasone (4 mg/mL) | Ellara (KRKA) | Synthetic glucocorticoid | |
Distilled H2O | |||
Ethanol (70%) | |||
Flexoprofen 2.5% (Ketoprofen) | VIC | Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs) | |
Glucose solution 5% | Solopharm | ||
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed, Alexa Fluor 546 | Thermo Fisher Scientific | A-11010 | |
Isoflurane | Karizoo | ||
lidocaine solution (2 % / 4%) | Solopharm | ||
Normal Goat Serum (NGS) | Abcam | ab7481 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Eco-servis | ||
Rabbit Anti-Parvalbumin Antibody | Merck Millipore | AB15736 | |
Rabbit Recombinant Monoclonal anti-Calbindin antibody | Abcam | ab108404 | |
Saline (0.9% NaCl in H2O) | Solopharm | ||
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 50-178-1844 | |
Vaseline oil | Genel |
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