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이 프로토콜은 EcoHIV 감염과 Tmem119-EGFP 마우스의 조합이 HIV 관련 신경인지 장애의 설치류 모델에서 미세아교세포 변형 및 바이러스 저장소를 조사하기 위한 귀중한 생물학적 시스템을 제공하는 방법을 설명합니다.
항레트로바이러스 병용 요법(cART)은 HIV 감염자(PLWH)의 삶의 질을 획기적으로 향상시켰습니다. 그러나 400만 명 이상의 PLWH가 50세 이상이며 HIV 관련 신경인지 장애(HAND)를 동반한 경험이 있습니다. HIV가 중추 신경계에 어떤 영향을 미치는지 이해하려면 신뢰할 수 있고 실현 가능한 HIV 모델이 필요합니다. 이전에는 신경인지 장애와 시냅스 기능 장애를 조사하기 위해 쥐 모델에서 키메라 HIV(EcoHIV) 접종을 사용하는 새로운 생물학적 시스템이 개발되었습니다. 그럼에도 불구하고 EcoHIV의 신경해부학적 분포, 특히 뇌의 다양한 세포 유형에서 차등 발현을 규명하는 데 있어 중요한 과제가 남아 있습니다. 현재 연구에서 mScarlet 형광 표지가 있는 EcoHIV를 변형하고 Tmem119-EGFP 넉인 마우스(주로 미세아교세포에서 강화된 녹색 형광 단백질을 발현)에 역궤도 주입하여 미세아교세포가 뇌에서 HIV의 바이러스 발현 및 저장소를 담당하는 주요 세포 유형인지 확인했습니다. 현재 데이터는 다음과 같이 보여줍니다 : (1) 시험관 내에서, EcoHIV-mScarlet 형광 신호는 주로 1 차 설치류 뇌 세포 중 미세 아교 세포와 같은 세포에서 국한되었습니다. (2) 생체 내에서 Tmem119-EGFP 마우스에 EcoHIV-mScarlet을 주입하면 마우스 뇌에서 유의한 HIV 발현이 유도되었습니다. mScarlet과 EGFP 신호의 공동 국소화는 미세아교세포가 뇌에 HIV를 품고 있는 주요 세포 유형임을 시사합니다. 전반적으로 설치류의 EcoHIV는 미세아교세포의 변화, 뇌의 바이러스 저장고 및 HIV 관련 신경인지 장애의 신경학적 메커니즘을 연구하는 데 유용한 생물학적 시스템을 제공합니다.
항레트로바이러스 요법에서 파생된 엄청난 이점에도 불구하고 HIV(PLWH)에 감염된 사람들은 여전히 신경인지 장애를 겪고 있습니다. HIV 관련 신경인지 장애(HAND)의 신경 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해서는 HIV 모델이 NeuroHIV에 대한 특정 세포 유형 관여를 추가로 설명하기 위해 매우 중요합니다.
HIV-1 바이러스 단백질에 구조적으로 노출되는 HIV-1 형질전환 쥐는 HAND와 관련된 신경인지 장애 1,2,3,4 및 신경 해부학적 변화 5,6,7를 조사하는 데 사용되는 인기 있는 설치류 모델입니다. gag 및 pol 도메인의 기능적 결실은 바이러스 복제를 방지하여 HIV-1 형질전환 쥐를 비감염성으로 만듭니다 8,9. 최근에는 Potash et al.10에 의해 마우스의 키메라 HIV(EcoHIV) 감염 모델이 처음 보고되었고 나중에 쥐로 확장되었으며, 이는 손 및 약물 사용 장애에 대한 추가 연구에 유리할 수 있습니다11. 이 새로운 생물학적 시스템에서 전신 HIV-1 감염이 관찰되었으며 림프구 및 대식세포 관여, 항바이러스 면역 반응, 신경 침습성 및 뇌 염증을 포함한 인간 HIV-1의 많은 임상적 특징이 관찰되었습니다.
미세아교세포는 뇌 기능과 항상성을 유지하는 데 특화된 뇌 상주 대식세포로서 중요한 역할을 합니다. 밀접하게 관련된 세포 유형(예: 혈액 단핵구, 혈관 주위 대식세포, 수막 대식세포)과 미세아교세포를 구별하기 위해 현재 연구에서는 Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인을 사용했습니다. 이전 연구에서는 막관통 단백질 119(Tmem119)가 설치류와 인간의 뇌 조직 12,13,14,15에서 독점적으로 미세아교세포 특이적 발현 패턴을 나타낸다고 보고했습니다. Tmem119-EGFP 넉인 마우스의 EGFP 신호는 뇌 전체에서 관찰되었으며 미세아교세포에 특이적으로 국한되었습니다.
본 연구에서는 Tmem119-EGFP 넉인 마우스에 EcoHIV-mScarlet 바이러스를 접종하고 중추신경계에서 EcoHIV에 양성인 세포를 확인하였다. 여기에서는 Tmem119-EGFP knock-in 마우스에서 EcoHIV-mScarlet 접종을 위한 프로토콜을 제시하여 HIV의 미세아교세포 변형을 치료적으로 표적으로 하기 위한 신뢰할 수 있는 모델을 제공합니다.
사우스캐롤라이나 대학의 동물 보호 및 사용 위원회는 모든 동물 프로토콜(연방 보증 번호: D16-00028)을 승인했습니다. 모든 실험은 미국 국립보건원(National Institutes of Health)이 실험실 동물의 관리 및 사용 가이드(Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)에서 제정한 지침을 엄격히 따랐습니다. Tmem119-EGFP 넉인 마우스(생후 30일, 수컷, 체중 23-26g)를 상업적 출처에서 얻어 AAALAC 인증 시설에 그룹 수용했습니다. 모든 동물은 12/12시간 명암 주기로 수용되었으며 음식과 물을 자유롭게 이용할 수 있었습니다. 이 연구에 사용된 동물, 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 293FT 세포의 EcoHIV-mScarlet 포장
2. 원발성 쥐 뇌 세포의 EcoHIV-mScarlet 감염
3. 성체 마우스의 1차 신경교세포에서 EcoHIV-mScarlet 바이러스 감염
4. Tmem119-EGFP 마우스에 EcoHIV-mScarlet 바이러스 역안와 주입
5. 뇌 조직 절편의 시각화
3' 말단에 "Cla1", 5' 말단에 "Not1"의 효소 부위를 포함하는 mScarlet(1858 bp) 단편을 pNL4-3-EcoHIV 렌티바이러스 벡터에 삽입했습니다(그림 1). EcoHIV-mScarlet의 발현을 검증하기 위해 쥐 E18 배아의 피질에서 분리된 일차 뇌세포를 in vitro 6일 동안 EcoHIV-mScarlet(60 μL, 1.26 ×10 6 TU/mL)으로 처리했습니다. 그림 2의 데이터는 mScarlet의 적색 형광 신호가 주로 다양한 세포 형태에 따라 신경교 세포에서 국한되어 있음을 보여주었습니다. 또한, CD11b/c 및 Iba1(미세아교세포에 대한 세포 마커) 표지는 mScarlet 신호가 CD11b/c + 및/또는 Iba1 + 세포와 공동 국소화됨을 보여주었습니다. 이 데이터는 미세아교세포가 시험관 내 EcoHIV-mScarlet 분포의 주요 세포 유형임을 나타냅니다. 배양된 세포에서는 유의미한 신경 감염이 없었습니다(보충 그림 1).
다음으로, EcoHIV-mScarlet의 감염은 성체 마우스의 1차 혼합 신경교세포에서 테스트되었습니다. 이를 위해 먼저 성체 마우스(2개월)에서 혼합된 신경교세포를 분리 및 정제하고 2일 동안 EcoHIV-mScarlet(8 μL, 1.26 × 106 TU/mL)에 감염시켰습니다. 그림 3 의 이미지는 EcoHIV-mScarlet이 성체 마우스 신경교세포를 성공적으로 감염시켰음을 보여줍니다.
생쥐 뇌에서 EcoHIV-mScarlet의 분포 패턴을 더 자세히 다루기 위해, 특히 감염된 세포 유형을 확인하기 위해 EcoHIV-mScarlet을 Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인에 역궤도 주입했으며, 여기서 미세아교세포는 다른 대식세포 유형의 충돌 없이 EGFP 신호로 특이적으로 표지되었습니다5. 그림 4 ( 보충 그림 2에도 있음)의 결과는 EGFP 양성 세포에서 mScarlet red 형광 신호가 관찰되었음을 보여주며, 이는 미세아교세포가 마우스 뇌에서 EcoHIV 발현의 주요 세포 유형임을 시사합니다.
그림 1: EcoHIV-NL-4-3-mScarlet의 벡터 맵. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 원발성 쥐 뇌세포에서 EcoHIV-mScarlet 감염. (A,E) 원발성 뇌세포에서 CD11b/c 염색의 대표적인 이미지. 뇌세포를 E18 쥐 배아에서 분리하여 6일 동안 EcoHIV-mScarlet 바이러스에 감염시켰습니다. (나,여) 체외 뇌 세포의 mScarlet 형광 신호의 대표 이미지. (씨,지) 일차 뇌 세포에서 Iba1 염색의 대표적인 이미지. (D,H) CD11b/c, mScarlet 및 Iba1의 삼중 표지 이미지를 병합했습니다. 스케일 바: 50μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 1차 마우스 혼합 신경교세포에서 EcoHIV-mScarlet 감염. (A,B) in vitro mScarlet 분포의 대표적인 컨포칼 이미지. 1차 혼합 신경교세포는 성체 C57BL6 마우스(2개월령)에서 분리하고 바이러스 감염 전 2주 동안 배양했습니다. EcoHIV-mScarlet을 이틀 동안 배양 배지에 첨가하고 컨포칼 현미경의 60× 대물렌즈 아래에서 이미지를 캡처했습니다. 눈금 막대 : 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: Tmem119-EGFP knock-in 마우스 라인의 EcoHIV-mScarlet 분포. (A,B) 뇌 절편에서 mScarlet/EGFP/ToPro3 신호의 병합 이미지. 노란색 프레임은 (B)의 대상 영역을 나타냅니다. 눈금자: 300 μm. (C) Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인의 후각 영역의 외부 망상층에서 mScarlet 분포의 대표 이미지. (D) EGFP 분포의 대표 이미지. 형광 신호는 Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인의 미세아교세포에 국한되었습니다. (E) TO-PRO-3 핵 염색의 대표 이미지. 스케일 바: 300μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 1: EcoHIV-mScarlet 바이러스에 감염된 원발성 쥐 뇌 세포의 MAP2 및 MOG 염색. 스케일 바: 50 μm. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 그림 2: Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인에서 EcoHIV-mScarlet 감염의 컨포칼 이미지. 스케일 바: 75μm. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: EcoHIV-mScarlet plasmid DNA sequence. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
본 연구에서는 (1) 새로운 EcoHIV-mScarlet이 시험관 내에서 1차 쥐의 뇌 세포를 성공적으로 감염시켰다는 사실이 밝혀졌습니다. (2) mScarlet, CD11b/c 및 Iba1의 삼중 표지는 시험관 내 쥐 뇌 세포에서 이 EcoHIV 발현의 우세한 세포 유형으로 미세아교세포를 확인했다. (3) 체외에서 성인의 1차 마우스 뇌세포는 EcoHIV-mScarlet 감염을 추가로 증거합니다. (4) Tmem119-EGFP knock-in 마우스 라인에서 EcoHIV-mScarlet 분포는 EcoHIV 감염의 미세아교세포 특이적 분포 패턴을 보여주었습니다.
새로운 연구에서는 중추 신경계(뉴런, 성상교세포, 미세아교세포, 희소돌기아교세포 등) 내에서 확인된 다양한 유형의 뇌세포가 HIV 및 HIV 관련 신경인지 장애 동안 기능적 및 전사체 변화를 나타낸다고 제안했습니다18,19. 예를 들어, 성상세포는 뇌의 30%-70%를 기여하며 뇌의 항상성을 유지하기 위해 감시를 수행합니다20. 성상세포는 또한 면역 기능을 조절하고 특히 HIV의 뇌 염증 및 신경 퇴행 상황에서 다중 사이토카인 및 케모카인의 분비를 조절합니다21,22. 미세아교세포의 HIV 감염은 바이러스 단백질과 전염증성 사이토카인 및 케모카인의 지속적인 방출을 초래할 뿐만 아니라 HIV 바이러스 저장소의 주된 공급원을 제공합니다 23,24,25,26. 또한, 활성화된 미세아교세포는 중추신경계에서 중요한 면역학적 기능에 기여합니다. 그러나 장기간의 활성화는 HIV 진행의 신경 퇴행을 악화시킬 수도 있습니다10,27. 희소돌기아교세포는 또한 여러 신경 영양 세포(예: 신경 성장 인자, 뇌 유래 신경 영양 인자 등)를 방출하는 것을 포함하여 중요한 기능을 합니다.28. 이전 연구에서는 AIDS 환자의 뇌에서 희소돌기아교세포의 수가 현저히 감소하는 것으로 밝혀졌는데, 이는 HIV 바이러스 단백질로 인한 희소돌기아교세포의 직접적인 손상을 나타낼 수 있다29. 그러므로, HIV의 특정 유형의 세포 조작 감염 모델은 감염 후 다양한 뇌 세포의 차등 기능을 식별하는 근본적인 수단을 제공해야 합니다. 이번 연구에서는 키메라 HIV(EcoHIV) 접종을 통해 HIV-1의 특징을 모방하는 생물학적 시스템을 개발했다. 이 HIV 접종은 또한 Tmem119-EGFP 넉인 마우스 라인과 결합되어 HIV의 미세아교세포 조작 설치류 모델을 생성하고 검증했습니다.
그러나 본 연구의 한계는 인정되어야 한다. in vitro에서 mScarlet 형광 신호를 나타내는 몇 가지 Iba1/CD11b/c 음성 세포가 있었습니다. 뇌 대식세포 또는 주피세포와 같은 다른 유형의 뇌세포가 EcoHIV 감염에 관여할 수 있으며, 또는 세포 배양 환경이 생체 내 접종에 비해 비정상적인 감염 패턴을 촉진할 수 있습니다. 앞으로는 전체 동물 연구를 통해 EcoHIV 감염 과정에서 mScarlet+ 미세아교세포의 기능을 더욱 규명하고, 뇌에서 mScarlet+EcoHIV 미세아교세포의 국소 분포를 더욱 규명해야 합니다. 또한, 미세아교세포 감염의 결과로 발생하는 신경인지적 변화도 이 설치류 모델에서 다루어질 수 있습니다. 총체적으로, Tmem119-EGFP 넉인 마우스의 EcoHIV-mScarlet 접종은 HIV 관련 신경인지 장애의 미세아교세포 주도 메커니즘을 조사하기 위한 새로운 모델 및 연구 전략을 제공합니다.
저자 중 누구도 선언할 이해 상충이 없습니다.
이 작업은 NIH 보조금 DA059310, DA058586, AG082539 및 GM109091로 자금을 지원받았습니다. 마운트 시나이(Mount Sinai)에 있는 아이칸 의과대학(Icahn School of Medicine)의 포타시(Potash) 박사가 준 EcoHIV-NL4-3-EGFP의 관대한 선물에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
293FT cells | ThermoFisher Scientific | R70007 | |
33 G, Small Hub RN Needle, (Point Style: 3, Needle Length: 19.25 mm) | Hamilton | 7803-05 | |
Antibiotic-Antimycotic solution | Cellgro | 30004CI | 100x |
C57BL/6-Tmem119em2Gfng/J | The Jackson Laboratory | Strain #:031823 | |
Corning BioCoat Gelatin 75cm² Rectangular Canted Neck Cell Culture Flask with Vented Cap | Life Technologies | 354488 | |
Corning DMEM with L-Glutamine, 4.5 g/L Glucose and Sodium Pyruvate | Life Technologies | 10013CV | |
Cover glass | VWR | 637-137 | |
Dumont #5 Forceps | World Precision Instruments | 14095 | |
Dumont #7 Forceps | World Precision Instruments | 14097 | |
EndoFree Plasmid Maxi Kit (10) | Qiagen | 12362 | |
Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Biopur Safe-Lock Tubes | Life Technologies | 22600028 | |
Feather Double Edge Carbon Steel Blades | Ted Pella, inc. | 121-9 | |
Fisher BioReagents Microbiology Media: LB Broth, Miller | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
Human recombinant anti-CD11b antibody | Miltenyi Biotec | 130-120-214 | 1:50 dilution |
Intraocular Injector Syringe (6.5 µL), Removable Needle | Hamilton | 6609071-01 | |
Invitrogen Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | Life Technologies | L3000015 | |
Invitrogen One Shot TOP10 Electrocomp E. coli | Fisher Scientific | C404052 | |
Iris Forceps | World Precision Instruments | 15914 | |
Iris Scissors | World Precision Instruments | 500216 | |
Lentivirus-Associated p24 ELISA Kit | Cell Biolabs, inc. | VPK-107-5 | |
Lenti-X Concentrator | Takara | PT4421-2 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Life Technologies | 11058021 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127-500G | |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | |
PELCO easiSlicer Vibratory Tissue Slicer | Ted Pella, inc. | 11000 | |
PELCO Pro CA44 Tissue Adhesive | Ted Pella, inc. | 10033 | |
PELCO Pro Specimen Retrievers | Ted Pella, inc. | 101-33 | |
ProLong Gold | Fisher Scientific | P36930 | |
Rabbit monoclonal anti-Iba1 antibody | Abcam | ab178847 | 1:500 dilution |
RN Compression Fitting 1 mm | Hamilton | 55750-01 | |
Sevoflurane | Merritt Veterinary Supply | 347075 | |
Sprague Dawley pregnant rat | Inotiv | ||
SuperFrost Plus Slides | Fisher Scientific | 12-550-154% | |
To-Pro-3 | ThermoFisher Scientific | T3605 | Nucleus staining kit |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 25200-056 | |
Vannas Scissors | World Precision Instruments | 500086 |
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