在该协议中,我们描述了如何在E7.5处用慢病毒注射小鼠羊膜腔,导致整个神经板的均匀转导,对存活或胚胎发育的不利影响最小。
操纵 子宫内 发育中的小鼠大脑中的基因表达在功能遗传学研究方面具有巨大的潜力。然而,它以前主要局限于神经化后胚胎阶段的操作。开发了一种方案,在胚胎日(E)7.5注射羊膜腔并递送慢病毒,编码cDNA或shRNA,靶向>95%的神经板和神经嵴细胞,有助于未来的大脑,脊髓和周围神经系统。该协议描述了实现成功转导所需的步骤,包括玻璃毛细管针的研磨,妊娠验证,使用超声成像的发育分期以及与胚胎阶段相匹配的最佳注射量。
遵循该协议,可以使用高滴度慢病毒实现>95%的发育中大脑的转导,从而进行全脑遗传操作。相反,可以使用较低的病毒滴度实现镶嵌转导,从而允许进行遗传筛选或谱系追踪。E7.5 注射还针对外胚层和神经嵴,有助于眼睛、舌头和周围神经系统的不同隔室。因此,该技术提供了从前神经形成阶段操纵小鼠神经板和外胚层衍生组织中基因表达的可能性,其好处是减少了实验中使用的小鼠数量。
大脑和脊髓是胚胎发生过程中最早开始形成的器官之一1,2。尽管与神经发育障碍相关的基因正在被鉴定,但对遗传变异的功能询问已经落后于3,4。由于条件敲除小鼠的产生可能需要数月或数年的时间,因此一种快速研究发育中大脑中基因功能的替代技术是有趣的。在小鼠胚胎中,神经形成 – 神经板转化为神经管以产生中枢神经系统(CNS)的形态发生过程 – 发生在受孕后第8天至第10天之间5。在神经形成开始之前,神经板作为外胚层的一部分,由单层柱状细胞组成,这些柱状细胞将增殖并分化为CNS6,7内的众多神经元和神经胶质细胞类型。因此,为了通过实验诱导CNS中基因表达的长期改变,靶向神经板具有明显的优势,包括所有祖细胞的可及性。
在神经科学 中,在卵 电穿孔8,9 和小鼠胚胎的病毒转导已被用于操纵胚胎CNS基因表达。发育中的雏鸡胚胎一直是研究脊髓发育过程中基因功能的首选模型,因为雏鸡胚胎在鸡蛋中的可及性以及由此产生的操纵基因表达的便利性。特别地, 在卵 质粒电穿孔中在每个雏鸡脊髓中产生实验和控制条件。电穿孔引起细胞膜透化,并通过两个电极向胚胎施加电脉冲,将带负电荷的DNA从(负)阴极引导至(正)阳极。在小鼠中, 子宫内的 电穿孔通常仅限于神经化已经完成的胚胎阶段,并且大脑或脊髓已经由几个细胞层组成,导致电穿孔效率低10。质粒电穿孔可产生瞬时基因表达,通常靶向很少的细胞。
子宫内超声引导显微注射已被用于操纵不同的胚胎结构,例如皮肤和大脑11,12,13,14。然而,针对发育中的鼠中枢神经系统的注射显示出低效或对胚胎存活产生负面影响12,13,14。因此,开发了一种改进的方案,用于将高滴度慢病毒递送到羊膜腔(AC)中,E7.5被称为NEPTUNE,用于子宫内晚期与子宫内进行抗音15。注射导致E13.5对整个大脑的>95%的长期靶向功效。此外,在妊娠超声验证期间引入了分期步骤,以按发育阶段对女性和怀孕进行分类,以最大限度地减少对研究动物的不必要程序并最大限度地提高注射成功率。注入效率和存活率与交流电尺寸的增加密切相关。因此,本文描述了如何在注射前测量AC大小,以向AC提供合适的体积,而不会引起胚胎的吸收。NEPTUNE 是子宫内电流方法的可靠替代方案,可以适用于多种用途,包括但不限于功能增益和丧失研究、谱系追踪或筛选15,16。
该方案中有几个步骤会影响胚胎存活、注射质量和读数。胚胎的胎龄定义为过夜交配后阴道塞当天中午的E0.5。在下午晚些时候/晚上在E6.5进行怀孕的超声波检查,确保胚胎发育到足以通过超声波识别。检查(1)允许预先筛选有多少栓阳性小鼠实际怀孕,(2)确保在栓子阳性小鼠未怀孕的情况下不会不必要地解冻和浪费病毒,以及(3)减少对小鼠的不必要干预(避免对非怀孕雌性进行手术)。
在E7.5,胚胎对外力敏感,应小心处理。例如,拉扯子宫角或挤压蜕膜会导致胚胎吸收。子宫组织在女性腹部外侧应始终保持湿润,以防止组织干燥。大多数蜕膜应留在女性腹部内,只有3-4个暴露在注射中。针头锋利度是成功注射的另一个关键决定因素。钝或断针尖导致蜕膜在进入AC之前反复戳或压迫造型粘土,从而提高吸收率。因此,研磨良好且锋利的针头应始终安全存放,并在最多 2 个母针后更换。
该协议描述了如何通过一次注射慢病毒来靶向神经板。此外,它还显示了转导功效如何从单细胞克隆适应整个大脑。然而,其他非神经组织,包括皮肤和口腔上皮,也是靶向的。此外,所有细胞类型(祖细胞和分化细胞)都被转导,使这种方法有效但非特异性。在病毒构建体中使用MiniPromoters导致转基因在神经元或星形胶质细胞中的特异性表达15。这样做的好处是避免使用专用的转基因Cre动物,从而减少了劳动力(菌株维持和基因分型)和成本。
海王星的局限性包括其技术难度,以可预测和一致的速度获得怀孕雌性的挑战,以及获得专用仪器的成本。此外,慢病毒对细胞的非选择性靶向可以被视为该技术的益处和局限性。向AC注射较大的体积会导致脑畸形13,尽管此处描述的体积可以避免脑畸形和脑畸形15。因此,子宫 内 纳米注射对大脑发育的负面影响是必须通过注射适应胚胎阶段和AC大小的正确体积来小心避免的。
该技术的未来改编可能侧重于病毒嗜性。腺相关病毒(AAV)具有不同的血清型,已被证明可以稳健地靶向CNS17,26中的不同细胞类型。然而,AAV不会整合到宿主细胞基因组中,因此可能会在分裂率高的细胞中丢失。尽管有几种方法可以提高海王星的特异性,但转基因动物仍然是 体内基因操作的黄金标准。Cas9小鼠和编码sgRNA的慢病毒已被用于胚胎表皮27 的遗传筛选,也可能适应发育中的CNS。
在E7.5处注射到AC中,在神经形成开始之前有效地靶向神经外胚层的细胞,并且比子宫电穿孔 更有效地 靶向发育中的大脑。这允许从较早的时间点研究对大脑发育很重要的遗传线索。与传统的遗传小鼠模型相比,NEPTUNE提供了一种灵活的方法来执行功能基因分析。过表达或基因缺失后的表型可以在几天到几周内研究,而不是几个月或几年。注射多种病毒构建体允许在一个胚胎内操纵多个基因,并避免产生双重或三重敲除动物。因此,海王星不仅可以节省时间,还可以减少研究中使用的动物数量。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢Bettina Semsch和Jia Sun(Infinigene)对小鼠的专业护理;来自Biomedicum Imaging Core(BIC)的Florian Salomons和Göran Månsson在图像采集和咨询方面提供帮助。资助:我们感谢以下 资助者对该项目的支持:瑞典研究委员会,卡罗林斯卡学院(KI基金会,职业发展补助金,博士生KID资助和SFO StratNeuro资助,创新医学中心),奥利和埃洛夫爱立信基金会,托恩斯皮兰基金会,Jeansssons基金会,斯文和埃巴-克里斯蒂娜哈格伯格斯奖和研究资助, Knut和Alice Wallenberg项目赠款,Fredrik和Ingrid Thurings基金会,Lars Hiertas Minne,儿童癌症基金会(Barncancerfonden),Åhlen基金会,Åke Wibergs基金会,Tore Nilssons基金会和瑞典基金会开始向ERA提供赠款。 图4D,E 是用 BioRender.com 创建的。
1 mL Syringe | BD Bioscience | 309628 | |
27 G Needle | BD Bioscience | 300635 | |
3.5 inches capillaries | Drummond Scientific | 3000203G/X | Were used to pull in house needles |
70 MHz MS Series transducer | Visual Sonics | MS700 | |
Aquasonic clear ultrasound gel | Parker Laboratories | Mar-50 | |
Autoclip Applier 9 mm | Angthos | 12020-09 | |
CD1 mice | Charles River, Germany | Crl:CD1(ICR) | Females: from age of 8 weeks old Males: from the age of 12 weeks old |
Cotton Swab | OneMed Sverige AB | 120788 | |
DPBS | Gibco | 14190094 | |
Dressing forceps delicate straight 13 cm | Agnthos | 08-032-130 | |
EG-400 Narishige Micropipette Grinder | Narishige | NA | |
EZ clips 9 mm | Angthos | 59027 | clips |
Iris Scissors, Super Cut, straight, 9 cm | Agnthos | 307-336-090 | |
Isofluorane | Baxter Medical AB | EAN: 50085412586613 | Purchased from Swedish Pharmacy |
Kimwipes | Kimberly Clarke | 7557 | |
Membrane Tape | Visual Sonics | SA-11053 | |
Micropipette Puller | Sutter Instrument | P-97 | |
Modeling Clay | Sense AB | 10209 | |
Mouse Handling Table | Visual Sonics | 50249 | |
Nanoject II Auto Injector Kit | Drummond | 3-000-205A | |
Parafilm | Bemis | HS234526C | |
Petri dish with central opening (low wall) | Visual Sonics | SA-11620 | |
Petri dish, (ØxH): 92 x 16 mm | Sarstedt | 82.1472.001 | |
Rely+On Virkon | DuPont | 130000132037 | disinfectant |
Silicone membrane | Visual Sonics | SA-11054 | |
Steri 250, hot bead sterilizer | Angthos | 31100 | |
Surgical Tape (1.25 cm x 9.14 m) | Medicarrier | 67034 | |
Vevo Compact Dual (Med. Air & O2) Anesthesia System | Visual Sonics | VS-12055 | |
Vevo Imaging Station 2 | Visual Sonics | VS-11983 | |
Vevo2100 | Visual Sonics | VS-20047 | |
Vicryl 6-0; C-3 needle, 45 cm purple filament | Agnthos | J384H |