Trapianto intraventricolare di precursori neuronali ingegnerizzati per studi sulla neuroarchitettura In Vivo

Qui descriviamo un semplice metodo che abbiamo sviluppato per sezionare il controllo genico in vivo della citoarchitettura neuronale. Basato sull’ingegneria in vitro dei precursori neuronali, il loro trapianto nel cervello neonale e la valutazione morfometrica accoppiata delle cellule “test” e “controllo”, permette di svelare implicazioni funzionali dei geni di prova nel controllo fine della morfologia neuronale in un modo veloce e conveniente. Per studiare il controllo genico in vivo dell’architettura neuronale, devono essere affrontate tre questioni tecniche chiave: (1) ottenere un’espressione gene of-interest (GOI) adeguatamente modellata e un controllo quantitativo accurato di essa; (2) ottenere una visualizzazione adeguatamente segmentata di sagome neuronali distinte; (3) suscitare un significato statistico dei risultati, impiegando un numero limitato di animali.

Quando disponibile, le linee mutanti di topo che ospitano transgeni controllati da tetraciclina (tet) possono essere lo strumento migliore per affrontare il primo numero¹. In alternativa, può essere impiegata la transgenesi somatica. In questi casi, il transgene viene consegnato tramite elettroporazione² o trasduzione virale³. Successivamente, viene mantenuto come esoma (ad esempio, su elettroporazione standard⁴), oppure è integrato nel genoma (casualmente, tramite integrasi retrovirale⁵; o in una posizione definita, tramite la ricombinazione omologa promossa da CRISPR (SLENDR)⁶ ).

In secondo luogo, la visualizzazione della silhouette neuronale può essere ottenuta tramite (a) etichettatura uniforme sparsa o (b) etichettatura differenziale densa. Per quanto riguarda l’etichettatura sparse, le metodologie avanzate simili a Golgi possono essere impiegate⁷, i miniset neuronali selezionati possono essere riempiti dalla biocitina⁸e l’etichettatura sale e pepe può essere ottenuta grazie a un transgene scarsamente espresso. Tale transgene può visualizzare la trascrizione variegata (Thy-EGFP)⁹ o può essere attivato da ricombinazione stocastica (MORF)¹⁰. Per quanto riguarda (b), le strategie all’avanguardia includono la ricombinazione stocastica mediata da Cre nell’ambito di un array transgene di fluoroproteina multi-floscio (Barcobalen)¹¹, nonché l’integrazione genomica di semi-maschera-trasponesi dei geni della fluoroproteina, in precedenza tramite transgenesi somatica (CLoNE)¹².

Per quanto riguarda il terzo numero, l’esito morfometrico è spesso influenzato da una grande variabilità casuale, originata da differenze tra animali e contingenze di iniezione cellulare. Per questo motivo, un gran numero di animali è di solito impiegato per ottenere il potere statistico necessario per valutare l’attività morfometrica GOI.

Gli approcci descritti in precedenza spesso si basano su competenze tecniche avanzate e richiedono risorse finanziarie cospicue, che possono limitare la loro diffusione all’interno della comunità scientifica. Per aggirare questi problemi, abbiamo concepito una pipeline semplice e diretta per sezionare il controllo genetico della neuroarchitettura in vivo in modo rapido e conveniente. Questo è ispirato da un design di co-trapianto simile precedentemente sviluppato per la valutazione veloce in vivo dell’attività transgenica antiblastica¹³.

In particolare, si pensa che il co-trapianto di precursori neurali “verdi” ingegnerizzati in vitro (“test” e cellule “controllo”) in un cervello neoatale ricevente “nero” possa risolvere contemporaneamente le tre questioni chiave sopra elencate. Infatti, in vitro lentivirale dei precursori, in condizioni ben controllate, consente il mantenimento della variabilità dell’espressione transgenica neuronale al minimo, molto al di sotto di quella solitamente associata a manipolazioni somatiche in vivo (eseguite in precedenza ¹⁴ Del sistema ^{, 15} e nei nostri risultati inediti). Il controllo accurato risultante dell’espressione genica è paragonabile a quello ottenuto da modelli transgenici controllati da tet. Tuttavia, i costi di questa procedura sono di gran lunga inferiori a quelli derivanti dal mantenimento di una linea murina transgenica. Successivamente, l’iniezione di celle a mano libera è facile e richiede un addestramento minimo. Inoltre, la quantità di precursori etichettati iniettati in ogni cervello può essere facilmente messa a punto per ottenere un numero cumulativo sufficiente di precursori scarsamente distribuiti, mantenendo al contempo il numero totale di animali trapiantati. Infine, ma non meno importante, la coiniezione di diversi precursori con etichettatura fluoro, “test” e “controllo” e la successiva analisi statistica a coppie dei risultati contrastano gli effetti della variabilità sperimentale interanimale, consentendo il raggiungimento di significato statistico dei risultati, anche dopo l’analisi di un numero limitato di individui¹³.

Va sottolineato che, anche se veloce ed economico, questo metodo ha due limitazioni principali. In primo luogo, è progettato per studiare il controllo genico autonomo delle cellule dell’architettura neuronale e non è appropriato affrontare il controllo ambientale. In secondo luogo, poiché i precursori neuronali trapiantati raggiungono la loro posizione finale da un programma eterocronico, questo metodo è preferibile al controllo neuroarchitettonico modello che si verificano oltre il completamento della migrazione.