このプロトコルでは、E7.5のマウス羊膜腔にレンチウイルスを注入し、生存や胚発生への有害な影響を最小限に抑えながら、神経板全体の均一な形質導入をもたらす方法について説明します。
胎内発達中のマウス脳における遺伝子発現の操作は、機能遺伝学研究の大きな可能性を秘めています。しかし、以前は主に神経形成後の胚期の操作に限定されていました。胚の日(E)7.5に羊膜腔を注入し、cDNAまたはshRNAをコードするレンチウイルスを神経板と神経堤細胞の>95%を標的とし、将来の脳、脊髄、末梢神経系に寄与するプロトコルが開発されました。このプロトコルでは、ガラス毛細血管針の研削、妊娠確認、超音波イメージングを使用した発生病期分類、胚期に合わせた最適な注入量など、形質導入を成功させるために必要な手順について説明します。
このプロトコルに従って、発達中の脳の>95%を高力価レンチウイルスで形質導入し、全脳遺伝子操作を実行することが可能です。対照的に、より低いウイルス力価を用いてモザイク形質導入を達成することが可能であり、遺伝子スクリーニングまたは系統追跡を可能にする。E7.5での注射は、眼、舌、および末梢神経系の明確なコンパートメントに寄与する外胚葉および神経堤も標的とする。したがって、この技術は、マウスの神経板および外胚葉由来の組織における遺伝子発現を前神経形成段階から操作する可能性を提供し、実験に使用するマウスの数を減らすという利点をもたらします。
脳と脊髄は、胚形成中に形成を開始する最初の器官の1つです1,2。神経発達障害に関連する遺伝子は同定されていますが、遺伝的変異の機能的調査は遅れています3,4。条件付きノックアウトマウスの作製には数か月から数年かかることがあるため、発達中の脳の遺伝子機能を迅速に調べるための代替技術が注目されています。マウス胚では、神経形成(神経板が神経管に変化して中枢神経系(CNS)を生じさせる形態形成プロセス)は、受胎後8日目から10日目の間に発生します5。神経形成の開始前に、神経板は、外胚葉の一部として、CNS 6,7内の多数のニューロンおよびグリア細胞型に増殖および分化する柱状細胞の単層からなる。したがって、CNSにおける遺伝子発現の長期的な変化を実験的に誘導するために、神経板を標的とすることは、すべての前駆細胞のアクセス可能性を含む明らかな利点を提供する。
神経科学では、ovoエレクトロポレーション8,9およびマウス胚のウイルス形質導入において、胚性CNS遺伝子発現を操作するために使用されてきた。発生中のニワトリ胚は、卵子内のニワトリ胚へのアクセス可能性とその結果としての遺伝子発現の操作の容易さのために、脊髄発生中の遺伝子機能を研究するための選択モデルであった。特に、ovoプラスミドエレクトロポレーションでは、各ひよこ脊髄における実験条件および対照条件を生成する。エレクトロポレーションは細胞膜透過処理を引き起こし、2つの電極を介して胚に電気パルスを印加することにより、負に帯電したDNAを(負の)陰極から(正の)陽極に向けます。マウスでは、子宮内でのエレクトロポレーションは一般に神経形成が完了した胚期に限定されており、脳または脊髄はすでにいくつかの細胞層で構成されているため、エレクトロポレーション効率は低くなります10。プラスミドエレクトロポレーションは一過性の遺伝子発現をもたらし、一般に少数の細胞を標的とします。
子宮内マイクロインジェクションにおける超音波ガイド下は、皮膚および脳などの異なる胚構造を操作するために使用されてきた11、12、13、14。しかし、発生中のマウスCNSを標的とする注射は、有効性が低いか、胚の生存に悪影響を及ぼしています12、13、14。そのため、E7.5の羊膜腔(AC)に高力価のレンチウイルスを送達するための改良されたプロトコルが開発され、これは子宮内で発生するネプチューンと呼ばれました15。注射は、E13.5で脳全体の>95%の長期的な標的効果をもたらしました。さらに、妊娠の超音波検証中に病期分類ステップを導入し、研究動物の不要な手順を最小限に抑え、注射の成功を最大化するために、発達段階ごとに女性と妊娠を分類しました。注入効率と生存率は、ACサイズの増加と密接に関連しています。したがって、この論文では、注入前にACサイズを測定して、胚の再吸収を引き起こさない適切な体積をACに送達する方法について説明します。海王星は、現在の子宮内アプローチの堅牢な代替手段であり、機能研究の獲得と喪失、系統追跡、またはスクリーニングを含むがこれらに限定されないいくつかの用途に適応することができます15,16。
このプロトコルには、胚の生存、注射の質、および読み出しに影響を与えるいくつかのステップがあります。胚の妊娠期間は、一晩交配した後の膣栓の日の正午にE0.5と定義される。午後遅く/夕方にE6.5で妊娠の超音波検査を行うことで、胚が超音波で識別されるのに十分なほど発達していることが保証されます。このチェックにより、(1)プラグ陽性マウスが実際に妊娠している数の事前スクリーニングが可能になり、(2)プラグ陽性マウスが妊娠していない場合にウイルスが不必要に解凍されて無駄にならないようにし、(3)マウスへの不必要な介入を減らします(妊娠していない女性への手術を回避します)。
E7.5では、胚は外力に敏感であり、注意して取り扱う必要があります。例えば、子宮角を引っ張ったり、脱落膜を絞ったりすると、胚の吸収につながる可能性があります。子宮組織は、組織が乾燥するのを防ぐために、女性の腹部の外側にあるときは常に湿った状態に保つ必要があります。落膜の大部分は女性の腹部の内側に留まり、注射のために露出するのは3〜4個だけです。針の鋭さは、注射を成功させるためのもう一つの重要な決定要因です。針先が鈍くなったり折れたりすると、ACに入る前に脱落膜が繰り返し突かれたり、モデリング粘土に圧縮されたりして、吸収率を高めることができます。したがって、よく挽いた鋭利な針は常に安全に保管し、最大2匹の女性の後に交換する必要があります。
このプロトコルは、レンチウイルスの1回の単回注射で神経板を標的にする方法を説明しています。さらに、形質導入の有効性を単一細胞クローンから脳全体にどのように適応させることができるかを示しています。ただし、皮膚や口腔上皮を含む他の非神経組織も標的としています。さらに、すべての細胞型(前駆細胞および分化細胞)が形質導入されるため、このアプローチは効率的ですが非特異的です。ウイルス構築物におけるMiniPropatorsの使用は、ニューロンまたは星状細胞における導入遺伝子の特異的発現をもたらす15。これは、専用のトランスジェニックCre動物の使用を回避し、したがって労力(株の維持およびジェノタイピング)およびコストを削減するという利点を有する。
NEPTUNEの限界には、その技術的な難しさ、予測可能で一貫した速度で妊娠中の女性を取得することの課題、および特殊な機器を取得するためのコストが含まれます。さらに、レンチウイルスによる細胞の非選択的標的化は、この技術の利点と制限の両方と見なすことができます。ACにより大きなボリュームを注入すると、脳奇形と外脳症はここで説明するボリュームで回避されますが、13はexencephalyをもたらします15。したがって、脳の発達への悪影響は、胚期とACサイズに適合した正しい量を注入することによって慎重に回避しなければならない 子宮内 ナノ注射のリスクです。
この技術の将来の適応は、ウイルスの向性に焦点を当てる可能性があります。アデノ随伴ウイルス(AAV)は異なる血清型を有し、CNSの異なる細胞型を頑健に標的とすることが示されている17,26。ただし、AAVは宿主細胞ゲノムに組み込まれないため、分裂率の高い細胞では失われる可能性があります。ネプチューンの特異性を高める方法はいくつかありますが、生体内での遺伝子操作に関しては、トランスジェニック動物が依然としてゴールドスタンダードです。Cas9マウスおよびsgRNAコードレンチウイルスは、胚性表皮27における遺伝子スクリーニングに使用されており、また、発生中のCNSに適合し得る。
E7.5のACへの注射は、神経形成の開始前に神経外胚葉の細胞を効率的に標的とし、 子宮 内エレクトロポレーションよりも効率的に発達中の脳を標的とする。これにより、脳の発達に重要な遺伝的手がかりを早い時点から研究することができます。古典的な遺伝子マウスモデルとは対照的に、NEPTUNEは機能的遺伝子解析を実行するための柔軟なアプローチを提供します。過剰発現または遺伝子欠失後の表現型は、数ヶ月または数年と比較して数日から数週間以内に研究することができる。複数のウイルス構築物の注射は、1つの胚内のいくつかの遺伝子の操作を可能にし、二重または三重ノックアウト動物の生成を回避する。したがって、NEPTUNEは時間を節約するだけでなく、研究に使用される動物の数を減らすこともできます。
The authors have nothing to disclose.
マウスの専門家によるケアをしてくれたベッティーナ・セムシュとジア・サン(インフィニジーン)に感謝します。Biomedicum Imaging Core(BIC)のFlorian Salomons氏とGöran Månsson氏が画像取得と相談を支援。資金:このプロジェクトを支援してくれた次の資金提供者に感謝します:スウェーデン研究評議会、カロリンスカ研究所(KI財団、キャリア開発助成金、博士課程の学生KID資金、SFOストラトニューロ資金、革新的医学センター)、オリーとエロフエリクソン財団、トルンスピラン財団、ジャンソン財団、スヴェンとエバクリスティーナハグバーグ賞と研究助成金、 Knut and Alice Wallenberg Project Grant、Fredrik and Ingrid Thurings Foundation、Lars Hiertas Minne、The Childhood Cancer Foundation (Barncancerfonden)、The Åhlen Foundation、Åke Wibergs Foundation、Torre Nilssons Foundation、Swedish Foundations Starting Grant to ERA。図4D,Eは BioRender.com で作成した。
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 |