Apuntando al tracto corticoespinal en ratas neonatas con un vector viral doble utilizando cirugía combinada de cerebro y columna vertebral

Si bien la LME es una ocurrencia relativamente rara en la población pediátrica, es particularmente traumática y causa una discapacidad permanente que requiere una inmensa previsión logística. Además, una mayor proporción de LME pediátricas se clasifica como cervical y completa en comparación con la población adulta ^1,2. Un sello distintivo entre las especies de mamíferos es que los recién nacidos se recuperan notablemente mejor de la LME que los adultos, y esto ofrece una oportunidad para evaluar los mecanismos impulsores de la recuperación en poblaciones más jóvenes ^3,4,5. A pesar de esto, hay menos estudios multimodales que aborden la investigación de roedores neonatos y lactantes, en parte debido a la dificultad adicional de dirigirse con precisión a poblaciones seleccionadas de neuronas en los puntos de referencia anatómicos mucho más estrechos de animales más jóvenes⁶. Este artículo se centra en la inyección directa de vectores adenoasociados anterógrados y retrógrados altamente eficientes en la médula espinal de rata para modular las principales vías motoras con la aplicación de Cre-dependiente-DREADDs, ampliando el alcance de los estudios de regeneración multimodal.

Los vectores virales son herramientas biológicas importantes con una amplia gama de aplicaciones, incluida la introducción de material genético para sustituir genes diana, regular al alza las proteínas de crecimiento y trazar el paisaje anatómico del SNC ^7,8,9. Muchos de los detalles anatómicos de las vías motoras espinales se han estudiado utilizando trazadores clásicos, es decir, amina dextrano biotinilada. Si bien los trazadores tradicionales han sido fundamentales para desenterrar la neuroanatomía, no están exentos de desventajas: etiquetan indiscriminadamente las vías incluso si se inyectan correctamente, y los estudios han encontrado que son absorbidos por axones dañados^10,11,12. En consecuencia, esto podría llevar a interpretaciones incorrectas en estudios de regeneración donde los axones cortados podrían confundirse con fibras regeneradoras.

El siguiente método utiliza el sistema de vectores bivirales recientemente popularizado en estudios de modulación, con dos vectores virales diferentes en dos áreas separadas de la misma neurona^13,14. El primero es un vector que infecta localmente los cuerpos celulares de las neuronas de proyección. El otro es un vector retrógrado que se transporta desde los terminales axónicos de las neuronas de proyección (Figura 1). El vector retrógrado lleva Cre recombinasa, y el vector local incorpora la secuencia de doble floxed “Cre-On” en la que se codifica una proteína fluorescente (mCherry). El transgén nativo que expresa tanto hM3Dq como mCherry está invertido en relación con el promotor y está flanqueado por dos sitios LoxP (Figura 2). Por lo tanto, mCherry solo se expresa en las neuronas de proyección doblemente transducidas donde Cre recombinase induce un evento de recombinación entre los sitios LoxP, volteando la orientación del transgén en el marco de lectura apropiado y permitiendo la expresión tanto del DREADD como de la proteína fluorescente. Una vez que el transgén viral está en la orientación correcta, y cuando corresponda, los DREADDs pueden inducir transitoriamente la neuromodulación a través de un ligando inyectado por separado, es decir, clozapina-N-óxido. El protocolo fue diseñado para autenticar la investigación de neuromodulación inducible en neonatos, en la que se inyectan DREADDS para modular los CST selectivamente. El sistema de dos virus actúa como una póliza de seguro, asegurando que cada célula DREADD positiva sea trazable bajo fluorescencia con alta fidelidad para validar las inyecciones.

Este método también ayuda a cerrar la brecha en la investigación neonatal. La LME pediátrica presenta sus desafíos, y la investigación que analiza la regeneración, la germinación o la plasticidad debe enfatizar las diferencias entre neonatos y adultos 3,15,16,17. Al optimizar el procedimiento quirúrgico y realizar estudios anatómicos previos con tinción de Nissl, se validaron las coordenadas para las inyecciones craneales y espinales. El objetivo era proporcionar un método para inyecciones duales en una rata neonatal con mayor fidelidad y capacidad de supervivencia.

Para el modelo actual, el vector anterógrado se inyectó en los cuerpos celulares de la corteza somatomotora utilizando bregma como referencia^18,19. En cuanto a las inyecciones espinales, el vector retrógrado fue inyectado en láminas V-VII, donde residen los terminales axónicos CST^20,21. Hay muchas preguntas fundamentales que subyacen a cómo ciertos modelos de lesiones afectan a los animales más jóvenes de manera diferente, y cómo la recuperación posterior diverge de un animal más viejo. Este estudio demuestra un medio robusto para estudiar las lesiones cervicales y la recuperabilidad de la función de las extremidades anteriores en roedores neonatales. En contraste, la mayoría de los estudios previos han abordado la locomoción de recuperación después de lesiones lumbares o torácicas 5,22,23,24. Al emparejar el vector doble viral con la nueva técnica de inyección descrita aquí, este protocolo ayuda a mitigar ciertos problemas (es decir, la capacidad de supervivencia) que pueden afectar las investigaciones de roedores neonatales. Este método es robusto, práctico y versátil: ligeras variaciones en la técnica permitirán dirigirse a diferentes vías, es decir, CST ventral, CST dorsal y las vías dorsales ascendentes.

Para este sistema, se inyecta un virus de acción local (por ejemplo, AAV2) en la región de los cuerpos celulares neuronales de interés. Un segundo virus transportado retrógradamente que controla la expresión del virus local se inyecta en los terminales axónicos para esa población neuronal. Por lo tanto, por definición, solo se etiquetan las neuronas corticoespinales. El virus retroAAV-Cre se eligió con un promotor CMV constitutivamente activo, ya que el plásmido lanzadera se utiliza para generar varios serotipos AAV para la expresión dependiente de Cre en varios tipos de células. Para las inyecciones corticales, se eligió AAV2 con el transgén impulsado por el promotor sinapsina-1 para limitar cualquier expresión a las neuronas. Debido a que el sistema 2-viral depende más del origen y la terminación de la población neuronal de interés, se podrían usar varios promotores diferentes, si pueden impulsar la expresión de los genes de interés dentro de la población neuronal de interés. Por ejemplo, el promotor neuronal excitatorio, CamKII, podría ser sustituido por la sinapsina-1. Además del uso de estos serotipos AAV, el transporte retrógrado en neuronas motoras corticoespinales adultas inmaduras y, en mucho menor medida, también se puede lograr utilizando el lentivirus transportable retrógrado (HiRet)²⁵. Los lentivirus HiRet utilizan una glicoproteína quimérica de la rabia / VSV para apuntar a la absorción en la sinapsis para el transporte retrógrado. Combinado con un promotor Tet-On, este sistema 2-viral apoya la expresión inducible de una manera retrógrada dependiente^26,27.

Los virus retrógrados insertan vectores en el espacio sináptico de una neurona objetivo, lo que permite que sea absorbida por el axón de esa célula y transportada al cuerpo celular. Si bien los vectores lentivirales han tenido un éxito tremendo anteriormente, proporcionando expresión a largo plazo en estudios de terapia génica, este método giró hacia vectores virales adenoasociados por algunas razones simples^26,28: AAV es más económico, igualmente efectivo y presenta menos carga logística, dado que tiene una designación de nivel de bioseguridad más bajo 29,30,31,32 . Mientras que AAV2, el serotipo más utilizado, demuestra una transfección robusta de axones CST, futuros investigadores pueden notar que AAV1 ofrece cierta versatilidad ya que etiqueta transinápticamente, presentando así varias iteraciones posibles en estudios futuros³³. La adaptación final es codificar el virus retrógrado con Cre-recombinasa para que se puedan introducir múltiples vectores anterógrados simultáneamente, reduciendo así el desperdicio innecesario de virus internos y maximizando la probabilidad de que los DREADDs se expresen en la orientación correcta.

En última instancia, este protocolo demuestra la inyección simultánea en la corteza y la columna cervical, dirigida específicamente a los cuerpos celulares y las terminales axónicas del tracto corticoespinal, respectivamente. La transfección de alta fidelidad se observa en la corteza cerebral y la médula espinal. Si bien el protocolo descrito se perfeccionó para ratas Sprague Dawley de 5 días de edad, es adecuado para los días postnatales 4-10 con ajustes menores a la anestesia y las coordenadas estereotácticas.