De pulsatiliteit van luteïniserend hormoon (LH) is een kenmerk van de voortplantingsfunctie. We beschrijven een protocol voor het op afstand activeren van specifieke neuronale populaties gekoppeld aan seriële geautomatiseerde bloedafname. Deze techniek maakt getimede hormonale modulatie, multiplexing en het minimaliseren van manipulatie-effecten op LH-niveaus mogelijk bij bewuste, vrij bewegende en ongestoorde dieren.
Circulerend luteïniserend hormoon (LH)-spiegels zijn een essentiële index van het functioneren van de hypothalamus-hypofyse-controle van de voortplanting. De rol van talrijke inputs en neuronale populaties in de modulatie van LH-afgifte is nog onbekend. Het meten van veranderingen in LH-niveaus bij muizen is vaak een uitdaging, omdat ze gemakkelijk worden verstoord door omgevingsstress. De huidige technieken om LH-afgifte en pulsatiliteit te meten, vereisen langdurige training voor muizen om zich aan te passen aan manipulatiestress, bepaalde terughoudendheid, de aanwezigheid van de onderzoeker en het werken aan individuele dieren, waardoor het nut ervan voor veel onderzoeksvragen wordt verminderd.
Dit artikel presenteert een techniek om specifieke neuronale populaties op afstand te activeren met behulp van Designer Receptor Exclusive Activated by Designer Drugs (DREADDs)-technologie in combinatie met geautomatiseerde sequentiële bloedafname bij bewuste, vrij bewegende en ongestoorde muizen. We beschrijven eerst het protocol voor stereotactische chirurgie om adeno-geassocieerd virus (AAV)-vectoren die DREADD’s tot expressie brengen, af te leveren aan specifieke neuronale populaties. Vervolgens beschrijven we het protocol voor de canulatie van de halsslagader en halsader en de postoperatieve verbinding met het geautomatiseerde bloedafnamesysteem van CULEX. Ten slotte beschrijven we het protocol voor clozapine-N-oxide intraveneuze injectie voor neuronale activering op afstand en geautomatiseerde bloedafname. Deze techniek maakt geprogrammeerde geautomatiseerde bemonstering om de 5 minuten of langer gedurende een bepaalde periode mogelijk, in combinatie met intraveneuze stofinjectie op een gewenst tijdstip of duur. Over het algemeen vonden we deze techniek een krachtige benadering voor onderzoek naar neuro-endocriene controle.
De hypothalamus-hypofyse-gonadale (HPG)-as wordt centraal gereguleerd door de pulserende afgifte van gonadotropine-releasing hormoon (GnRH) in het hypofyse-portaalsysteem. In de hypofyse regelt GnRH de pulserende afgifte van gonadotropines, luteïniserend hormoon (LH) en follikelstimulerend hormoon (FSH) aan de bloedsomloop. LH pulserende afgifte dient als een kenmerk voor het functioneren vande centrale HPG-as 1,2,3,4. Het toont bijvoorbeeld de effecten van genetische veranderingen of veranderingen in hormonale of omgevingsfactoren op het neurale deel van de as 5,6,7. Tot voor kort was het meten van het LH-pulsatiele patroon beperkt tot grote zoogdieren8 en ratten9, gezien de hoge frequentie van bemonstering en de grote bloedvolumes die nodig zijn om de pulsen te identificeren.
Het detecteren van LH-pulsen bij muizen is wenselijk omdat deze soort brede genetische modellen beschikbaar heeft en gemakkelijk kan worden gemanipuleerd met behulp van genomische engineeringtechnologieën om specifieke genen en celpopulaties verder te bestuderen. In het afgelopen decennium heeft een grote vooruitgang in de analyse van LH-concentraties bij muizen met behulp van een sandwich LH-enzymgekoppelde immunosorbenttest (ELISA) het mogelijk gemaakt om LH in een minieme hoeveelheid bloed te detecteren10. De ontwikkeling van de frequente bloedafnametechniek heeft de noodzakelijke frequente bemonstering mogelijk gemaakt voor het detecteren van de frequentie en amplitude van LH-pulsen bij muizen10,11. Bloedafname in de staartpunt is echter beperkt tot het gebruik ervan bij bewuste, wakkere dieren; Het vereist een lange trainingsperiode voor muizen om zich aan te passen aan de hantering en de aanwezigheid van een aangewezen onderzoeker tijdens de bemonstering. Het succes ervan is zeer gevoelig voor omgevingsstressoren en is mogelijk niet geschikt voor gebruik bij muizenstammen die een hoge mate van angst vertonen. Intra-atriale canulatie is ook gebruikt voor frequente bloedafname bij vrij bewegende bewuste muizen12. Die opstelling vereist echter nog steeds herhaalde handmatige bloedafname en beperkt de bewegingsruimte van het dier, terwijl atriale canulatie kan leiden tot dynamische veranderingen in de hartfunctie. Het is daarom wenselijk om een methode vast te stellen voor bloedafname onder stressvrije omstandigheden bij bewuste, vrij bewegende en ongestoorde muizen zonder dat voorafgaande training of menselijke behandeling of aanwezigheid nodig is.
Geautomatiseerde bloed- of dialysaatbemonstering is eerder gebruikt voor het meten van verschillende hormoonspiegels (bijv. melatonine 13,14) en hun pulserende secretie (bijv. groeihormoon)15 bij ongeremde knaagdieren. Hierin presenteren we een protocol voor geautomatiseerde langdurige frequente bloedafname bij bewuste en ongeremde dieren, gekoppeld aan een tijdige activering op afstand van specifieke neuronale populaties met behulp van chemogenetische technologieën: de designerreceptoren die uitsluitend worden geactiveerd door designerdrugs (DREADD’s). We zullen de stereotaxische toediening van een adeno-geassocieerd virus (AAV) vector en de activering op afstand door een geautomatiseerde intraveneuze (IV) toediening van clozapine-N-oxide (CNO) beschrijven16,17. Dit protocol maakt de sequentiële detectie van basale niveaus en geïnduceerde veranderingen in LH-pulsatiliteit bij meerdere dieren tegelijk mogelijk. Zowel de bloedafname als de IV-toediening van de verbinding worden op een tijdgestuurde manier uitgevoerd via een computerprogramma, waardoor de fysieke aanwezigheid van de onderzoeker of de vereiste voor voorafgaande muistraining wordt geëlimineerd. Deze methode overwint de belangrijkste beperkingen van handmatige bloedafname. Het maakt bloedafname in een stressvrije toestand mogelijk, en gelijktijdige IV-toediening van verbindingen in combinatie met controle van neuronale activiteit op afstand. We tonen representatieve resultaten van het gebruik van geautomatiseerde bloedafname alleen of in combinatie met neuronale activering op afstand en bespreken de voordelen, beperkingen en aanvullende toepassingen ervan.
Met behulp van dit protocol waren we in staat om basale LH-pulsatiliteit en LH-secretie aan te tonen na stimulatie van een neuronale populatie. De grote voordelen van het systeem zijn de stressvrije omgeving waarin de bemonstering plaatsvindt, zonder menselijke aanwezigheid of handeling tijdens de bloedafname. Bovendien was er geen voorafgaande moeizame training van de dieren en aanpassing aan menselijke aanwezigheid of behandeling tijdens het experiment vereist. Eerdere experimenten met handmatige bloedafname vereisten veel tijd en moeite om stressoren te minimaliseren 7,31,32. Alleen het afknippen van de staart is echter een stressfactor33. Het implementeren van een niet-stressvolle omgeving en trainingsparadigma in gedeelde dierenfaciliteiten, waar onderbrekingen onvoorspelbaar zijn, kan ook een beperking zijn. In sommige laboratoria moeten dieren vaak naar alternatieve behandelkamers worden vervoerd voor bloedafname. Deze beperkingen kunnen de handmatige methode ongeschikt maken voor het detecteren van subtiele veranderingen in LH-niveaus, en daarom kan een hands-off benadering in deze situaties nuttig zijn. Geautomatiseerde bemonstering vindt plaats in een stille ruimte waar de muizen enkele dagen van tevoren worden geplaatst om te acclimatiseren aan de nieuwe omgeving. Onze eerdere ervaring met dit protocol leverde een nauwkeurige detectie op van corticosteron- en pulsatiele groeihormoonsecretiepatronen bij muizen, waarbij geen verhoogde corticosteronspiegels werden vertoond tijdens de geautomatiseerde bemonstering15. In de huidige experimenten waren alle dieren goed aangepast aan het bemonsteringssysteem dat nestbouw in de bemonsteringskamer na ~24 uur en een heldere haarkleur liet zien, wat wijst op een gebrek aan stress en een algehele goede gezondheidstoestand (Figuur 1).
De grootste moeilijkheid die tot negatieve resultaten leidt, is waarschijnlijk de ongepaste targeting van de AAV op de vereiste neuronale populatie. Precisie bij de stereotaxische injecties is essentieel en er moet van tevoren training worden gegeven om de coördinaten en injectievolumes te verifiëren. Training kan worden gedaan door een kleine hoeveelheid 0,5-1% Evans Blue op de gewenste locatie te injecteren bij een niet-hersteloperatie en vervolgens een plakje van de vers ontlede hersenen te nemen met behulp van een muizenhersenmatrix (bijv. Ted Pella) om de plaats en grootte van de injectie te controleren met behulp van een stereoscoop.
Het is ook belangrijk om er rekening mee te houden dat bloed en plasma dat wordt verzameld uit het geautomatiseerde bloedafnamesysteem zal worden verdund in gehepariniseerde zoutoplossing (bijv. 20 μL bloed in 50 μL zoutoplossing in onze resultaten)20, en dat de verdunningsverhouding mogelijk moet worden aangepast aan de gevoeligheid van de geselecteerde analysemethode. We testten LH-waarden in volbloed verdund in BSA-PBS (zoals aanbevolen voor Ultra-Sensitive LH ELISA)10 of zoutoplossing en vonden geen verschillen in LH-waarden. Tween kan niet in het verdunningsmiddel worden gebruikt, omdat dit in het bloedsysteem zal circuleren om de monsters te extraheren door de monstervloeistoffente vervangen 20. Onze ervaring is dat verdunningen van minder dan 1:10 goede LH-resultaten gaven, maar de LH-waarden enigszins werden onderschat in vergelijking met 1:3,5. Dit geeft aan dat de verdunning verder kan worden aangepast om de hoeveelheid afgenomen bloed te verminderen, indien nodig.
Een alternatief voor geautomatiseerde toediening van verbindingen is het uitvoeren van handmatige injecties via de veneuze katheter. In dit geval is de onderzoeker kort aanwezig in de kamer om de injectie toe te dienen. Er is echter geen direct contact met de dieren of hun huisvesting en omgeving en, in tegenstelling tot intraperitoneale of subcutane injecties, wordt de hele procedure vaak niet opgemerkt door het dier. De voordelen van een handmatige injectie zijn dat de verdunning van de verbinding niet van tevoren hoeft te worden ingesteld, wat van cruciaal belang kan zijn voor verbindingen die te duur zijn om in grotere hoeveelheden te gebruiken of gevoelig zijn voor afbraak in de loop van de tijd; omdat het werkvolume kleiner is dan bij geautomatiseerde toediening, waar de infuuslijn en de katheter moeten worden voorgevuld met meer samengestelde oplossing.
Automatische bloedafname biedt een unieke mogelijkheid om LH-variaties tijdens bijvoorbeeld de slaap te bestuderen. We hebben regelmatig dieren waargenomen die tijdens de bemonsteringstijd in hun nest sliepen. Het is mogelijk om deze bemonstering te koppelen aan EEG-opnames om een meer gedetailleerde analyse te genereren van de relatie tussen neurale activiteit en LH-patroon34. Zoals hier wordt aangetoond, zijn de mogelijkheden voor het gebruik van geautomatiseerde bloedafname talrijk: van basale LH-bemonstering tot het testen van de LH-respons op endogene of exogene verbindingen, of tot activering of onderdrukking van neuronale populaties. De neuronale manipulaties kunnen acuut worden geïmplementeerd met chemogenetica of optogenetica, of permanent met behulp van transgene muismodellen en apoptotische of neuronale uitschakelingstools. Geautomatiseerde bloedafname maakt het ook mogelijk om andere hormonen met zeer pulserende secretoire patronen te meten (bijv. groeihormoon15). Bij vrouwelijke muizen kunnen, als een specifieke fase van de oestrische cyclus vereist is, vaginale uitstrijkjes zorgvuldig worden verzameld uren voordat het protocolwordt gestart 26 zonder de infusie- en bemonsteringslijnen te verstoren. Dieren kunnen gedurende 7-10 dagen op het bemonsteringssysteem worden aangesloten, waarbij het risico op stolling van de arteriële lijn in de loop van de tijd toeneemt.
Deze techniek is echter beperkt tot gebruik bij dieren met één huis en is daarom mogelijk niet geschikt voor het bestuderen van sociale interacties. Het is ook invasief en vereist technisch uitdagende chirurgie, dus het is misschien niet mogelijk om het te implementeren met jonge dieren of bepaalde ziektemodellen. Ten slotte, omdat de kosten voor de aanschaf van het systeem te hoog kunnen zijn voor een enkel onderzoekslaboratorium, zou het raadzaam zijn om het op te zetten in een kernlaboratorium dat het genoemde experimentele protocol als diensten aanbiedt.
Concluderend laat dit protocol zien hoe stereotactische toediening van AAV kan worden uitgevoerd in combinatie met geautomatiseerde bloedafname. De nauwkeurige ruimtelijke en temporele controle die met deze techniek wordt bereikt, samen met de flexibiliteit van toepassing op verschillende modellen, meetprotocollen en hormonen, maakt het een krachtige methode voor de studie van hormonale regulatie bij knaagdieren. Het belangrijkste is dat de methode een stressvrije omgeving biedt door menselijke aanwezigheid en hantering tijdens injectie en/of bemonstering en voorafgaande training van de dieren te elimineren. Deze voordelen, samen met de mogelijkheid van multiplexing, maken deze methode tot een uniek hulpmiddel voor het bestuderen van de neurale controle van hormonale veranderingen bij bewuste, vrij bewegende en ongestoorde muizen.
The authors have nothing to disclose.
We danken Dr. Daniel Haisenleder voor zijn hulp bij het testen van verschillende bloedverdunningsmethoden. Serumhormoontesten werden uitgevoerd aan het University of Virginia Center for Research in Reproduction Ligand Assay and Analysis Core, ondersteund door de Eunice Kennedy Shriver NICHD Grant R24 HD102061. Het Michigan Mouse Metabolic Phenotyping Center-Live wordt ondersteund door NIH Center Grant U2C DK135066. JF en NQ worden ondersteund door DK020572 (MDRC) en DK089503 (MNORC) subsidies. CFE en CSM worden ondersteund door de NICHD-subsidie R21 HD109485 en R01 HD096324.
AAV8-hSyn-hM3D(Gq)-mCherry | Addgene | 44361 | Not necessarily this virus but this was the one used for representative results |
Alcohol | Disinfection | ||
Anesthesia Induction box | Vetequip | ||
Anesthesia induction machine | Kent Scientific Equipment | SomnoSuite | |
Anesthesia masks for mice | Kent Scientific Equipment | SOMNO-0801 | |
Autoclip applier 9 mm | Clay Adams | 427630 | |
Autoclip remover 9 mm | Clay Adams | 427637 | |
Autoclips 9 mm | Clay Adams | 427631 | |
BASi Culex Controller | Culex | SN: 2151, 2152, 2156, 2158 | 4 stations |
BASi Honey Comb Fraction Collector | Honey Comb | SN: 2105, 2106, 2107, 2108 | 4 stations |
BASi Ratrun Rotation Control | RATURN 2 | SN: 5680, 5681, 5682, 5683 | 4 stations |
C57BL/6J mice | JAX # 000664 | ||
Carprofen | Zoetis | Rimadyl | Analgesic |
Clippers | Braun | ||
Clozapine-N-oxide | ENZO | BLM-NS105-0005 | |
Cotton tipped applicators | |||
CULEX Automated In Vivo Sampling System | BASi | DS000627 | with CX-4000S Replacement Tubing Sets |
Curved forceps serrated | FST | 11151-10 | |
Drill | Dremel | 61100 | |
Empis control Module | EMPIS CM | SN: 174 | |
Empis Programmable Infusion System | EMPIS | SN: 2125 , 2126, 2127, 2128 | With CX-7010S 4 BAS-2 Infusion Sets; 4 stations |
Envigo 2016 diet | low-phytoestrogen diet | ||
Eye ointment | Dechra | Puralube Vet Ointment | Petrolatum Ophtalmic oinment |
Glass pipettes | World Precision Instruments | MIB100-6 | |
Hemostats | Roboz Surgical | RS-7101 | |
Iodine | Betadine Surgical scrub | ||
Isoflurane | VetOne | Fluriso | Anesthetic |
Isoflurane Vaporizer or SomnoSuite Low-Flow Anesthesia System | Surgivet or Kent Scientific Corp | SS-01 | Anesthesia Machine |
Kiss1-Cre;ChR2-eYFP (Kiss1-eYFP) mice | JAX # 023436 and #024109 | ||
Kisspeptin-10 | Phoenix Pharmaceuticals | 048-56 | |
Micro-renathane tubing | Braintree Scientific | MRE025 | Surgical catheterization |
Micro-Scissors | Roboz Surgical | RS-5606 | |
Needle Holder | Roboz Surgical | RS-7842 | |
Picoliter injector | Warner Instruments | PLI-100A | |
Pipette puller | Sutter Instruments | P30 | |
Rodent Warmer X2 | Stoelting | 53850 | |
Scalpel | FST | 10003-12 | |
Scissors | Roboz Surgical | RS-6808 | |
Silicon tubing | Liveo Laboratory Tubing | NO.508-001 | 0.012 in I.D x 0.025 in O.D. |
Stereotaxic table | RWD | E06208 | |
Sterile 0.9% saline | Baxter | 2F7124 | |
Sterile towel drapes | Dynarex | 4410 | |
Surgical blades | SKLAR | 06-3011 | |
Surgical stereoscope | Zeiss | f-160 | |
Tweezers | Roboz Surgical | RS-4960 | |
Tweezers | Roboz Surgical | RS-4972 | |
Tweezers | Roboz Surgical | RS-5058 | |
Antibodies | |||
Anti-cFos | Millipore | ABE457 | Antigen target: N-terminus cFos; Host organism: Rabbit; Dilution used: 1:5,000; RRID: AB_2631318 |
Anti-GFP | Aves Labs | GFP-1010 | Antigen target: recombinant GFP null; Host organism: Chicken; Dilution used: 1:10,000; RRID: AB_2307313 |
Biotin-SP-conjugated AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Labs | 711-065-152 | Antigen target: Rabbit IgG (H+L); Host organism: Donkey; Dilution used: 1:1,000; RRID: AB_2340593 |
Donkey anti-Rat IgG, AlexaFluor 594 | Thermo Fisher Scientific | A-21209 | Antigen target: Rat IgG (H+L); Host organism: Donkey; Dilution used: 1:500; RRID: AB_2535795 |
Goat anti-Chicken IgY, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A-11039 | Antigen target: Chicken, IgY (H+L); Host organism: Goat; Dilution used: 1:500; RRID: AB_2534096 |
mCherry monoclonal (16D7) | Thermo Fisher Scientific | M11217 | Antigen target: mCherry tag; Host organism: Rat; Dilution used: 1:5,000; RRID: AB_2536611 |