Summary

Создание воспроизводимой модели иммунной активации матери в середине беременности с использованием Poly (I: C) для изучения восприимчивости и устойчивости у потомства

Published: August 17, 2022
doi:

Summary

Материнская инфекция является фактором риска развития нервной системы. Мышиные модели материнской иммунной активации (MIA) могут пролить свет на влияние инфекции на развитие и функцию мозга. Здесь представлены общие рекомендации и процедура для получения надежно устойчивого и восприимчивого потомства, подвергшегося воздействию MIA.

Abstract

Материнская иммунная активация (MIA) во время беременности последовательно связана с повышенным риском нервно-психических расстройств и нервно-психических расстройств у потомства. Животные модели MIA используются для проверки причинно-следственной связи, исследования механизмов и разработки диагностики и лечения этих расстройств. Несмотря на их широкое использование, многие модели MIA страдают от отсутствия воспроизводимости и почти все игнорируют два важных аспекта этого фактора риска: (i) многие потомки устойчивы к MIA, и (ii) восприимчивое потомство может демонстрировать различные комбинации фенотипов. Чтобы повысить воспроизводимость и смоделировать как восприимчивость, так и устойчивость к MIA, базовая иммунореактивность (BIR) самок мышей до беременности используется для прогнозирования того, какие беременности приведут либо к устойчивому потомству, либо к потомству с определенными поведенческими и молекулярными аномалиями после воздействия MIA. Здесь представлен подробный метод индукции MIA путем внутрибрюшинной (в/) инъекции двухцепочечной РНК (дцРНК) вирусной имитирующей поли (I: C) на 12,5 день беременности. Этот метод вызывает острую воспалительную реакцию в плотине, что приводит к возмущениям в развитии мозга у мышей, которые сопоставляются с аналогичными пораженными доменами при психических расстройствах и расстройствах развития нервной системы человека (NDD).

Introduction

Эпидемиологические данные связывают материнскую инфекцию с повышенным риском психиатрических и NDD, включая шизофрению (SZ) и расстройство аутистического спектра (ASD)1,2,3,4,5,6,7. Модель мышей MIA была разработана для проверки причинно-следственной связи и механистической роли MIA в этиологии этих расстройств, а также для идентификации молекулярных биомаркеров и разработки как диагностических, так и терапевтических инструментов 4,6. Несмотря на полезность этой модели и ее растущую популярность, существует значительная вариабельность протоколов индукции MIA в полевых условиях, что затрудняет сравнение результатов в разных исследованиях и воспроизведение результатов 8,9. Кроме того, большинство итераций модели не исследуют два важных трансляционных аспекта MIA: (i) многие потомки устойчивы к MIA, и (ii) восприимчивое потомство может демонстрировать различные комбинации фенотипов8.

Чтобы создать воспроизводимую модель MIA, исследователи должны сообщить, по крайней мере, об одной количественной мере величины MIA, индуцированной в плотинах. Чтобы индуцировать MIA во время беременности, наша лаборатория выполняет внутрибрюшинные (внутривенные) инъекции двухцепочечной РНК, имитирующей полиинозитную РНК: полицитидиловую кислоту [поли(I:C)]. Поли (I: C) индуцирует иммунный каскад, подобный вирусам гриппа, поскольку он распознается толл-подобным рецептором 3 (TLR3)10. В результате поли(I:C) активирует реакцию острой фазы, что приводит к быстрому повышению уровня провоспалительных цитокинов 8,11,12. Предыдущие исследования показали, что повышение уровня провоспалительных цитокинов, включая интерлейкин-6 (IL-6), необходимо для возникновения поведенческих аномалий и невропатологии у потомства в результате MIA11,12,13. Таким образом, уровень IL-6 в материнской сыворотке, собранный во время его пика через 2,5 часа после инъекции поли (I: C), является убедительным количественным показателем MIA, который может быть использован для сравнения результатов в разных лабораториях в полевых условиях.

Чтобы создать модель MIA, которая учитывает трансляционно важные элементы устойчивости и восприимчивости с помощью одного протоколаиндукции 8,14, исследователи могут комбинировать типичные индукционные подходы с характеристикой базовой иммунореактивности (BIR) матери до беременности8. Недавно было обнаружено, что девственные самки мышей C57BL / 6 демонстрируют широкий спектр ответов IL-6 на воздействие низких доз поли (I: C) до беременности8. Только подгруппа этих самок продолжает производить восприимчивое потомство и только при определенных величинах иммунной активации, продиктованной комбинацией BIR и поли (I: C) дозы8. MIA индуцирует фенотипы в перевернутом U-образном паттерне; Потомство демонстрирует наибольшие поведенческие и молекулярные аберрации, когда матери умеренно иммунореактивны, а величина материнского воспаления достигает, но не превышает критический диапазон8. Здесь представлен подробный метод того, как надежно создать как упругое, так и восприимчивое потомство с расходящимися поведенческими фенотипами в результате среднегестационной инъекции поли(I:C).

Protocol

Все протоколы выполняются с одобрения Комитета по уходу за животными и их использованию (IACUC) Калифорнийского университета в Дэвисе. 1. Подготовка животных При приобретении животных соблюдайте следующие параметры, чтобы обеспечить максимальную воспроизво…

Representative Results

Не все животные, подвергшиеся воздействию 30 мг/кг поли(I:C) при E12.5, производят потомство с последовательными поведенческими отклонениями 8,31. Хотя и 30 мг/кг, и 40 мг/кг поли(I:C) надежно вызывают болезненное поведение у плотин, включая снижение уровня активност…

Discussion

Материнская инфекция изменяет ход развития мозга у людей, а также у грызунов и нечеловекообразных приматов 4,5,7. Здесь описана процедура индуцирования MIA у мышей в середине гестационного периода времени с использованием poly (I: C). Этот мет…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы благодарим д-ра Мику Эстес за ее настойчивость в решении проблемы изменчивости в модели MIA мышей и всех участников Estes et al.8 за их работу, которая привела к разработке протокола методов, описанных здесь. Исследование, представленное здесь, было поддержано NIMH 2P50 MH106438-06 (A.K.M.) и NIMH T32MH112507 (K.P.).

Materials

0.9% NaCl physiological endotoxin free saline Sigma-Aldrich 7647-14-5 Control and vehicle for Poly(I:C)
35mm petri dish Thomas Scientific 1219Z45 Used to hold oil during tail bleed
7.5% TGX gels Bio-rad 4561084 Optional
Ancare Nestlets Fisher Scientific NC9365966 Optional
anti-β-tubulin Millipore MAB3408 Optional
Bio-Plex Pro Mouse Cytokine Standards Group I Bio-rad 171I50001
Bio-Plex Pro Reagent Kit with Flat Plate Bio-rad 171304070M
Bovine Serum Albumin ThermoFisher 23209 Optional
Centrifuge Eppendorf 5810R Optional
Covidien Monoject 1/2 mL Insulin Syringe with 28G x 1/2 in. Needle Spectrum 552-58457-083
Dithiothreitol Sigma-Aldrich D9779-10G Optional
Environmental enrichment Bio-serv K3327 and K3322 Optional
Ethovision Noldus Ethovision Optional
Fluorsecent-tagged seondary ntibodies Li-cor 925-32213 and 925-68072 Optional
Food-grade edible oil (like olive, canola or grapeseed) Various vendors Use to lubricate tail during tail bleeds
HBSS ThermoFisher 14060040 Optional
High molecular weight polyinositic:polycytidilic acid Invivogen #tlrl-pic-5 Used to establish females' BIR
Humane Mouse Restrainer AIMS 1000 Used to restrain mouse during tail bleeds
Image Studio Software Licor 5.2 Optional
Laemmli buffer Bio-rad 1610737EDU Optional
Luminex200 ThermoFisher APX10031
Microvette CB300 300μl Serum capillary tube Sarstedt 16.440.100
Mixed molecular weight polyinositic:polycytidilic acid Sigma-Aldrich #P0913 Gestational induction of MIA
monoclonal anti-MEF2A AbCam ab76063 Optional
monoclonal anti-STAT3 Cell signaling 12640S Optional
Observer Noldus Observer Optional
Odyssey blocking buffer (TBS) Li-cor 927-50003 Optional
Odyssey CLx imaging system Li-cor 9140 Optional
Omnipure PBS Millipore 65054L Optional
Pierce BCA Protein Assay Kit ThermoFisher 23227 Optional
polyclonal anti_TH Pel-Freez P4101-150 Optional
PVDF membrane Bio-rad 162-0177 Optional
Qsonica Sonicator Q500 Fisher Scientific 15-338-282 Optional
Quick blood stopper Petco 17140
Seal-Rite 1.5 ml microcentrifuge tube, natural non-sterile USA Scientific 1615-5500
Soldering stand Amazon B08Y12QC73 Used to hold capillary tube during tail bleeds
Sunflower seeds Bio-serv S5137-1 Use to increase breeding efficiency
The Bio-Plex Pro Mouse IL-6 set, Bio-rad 171G5007M
Tris base Fisher Scientific BP152-1 Optional
Tween 20 Bio-rad 23209 Optional

References

  1. Adams, W., Kendell, R. E., Hare, E. H., Munk-Jørgensen, P. Epidemiological evidence that maternal influenza contributes to the aetiology of schizophrenia. An analysis of Scottish, English, and Danish data. The British Journal of Psychiatry: The Journal of Mental Science. 163 (4), 522-534 (1993).
  2. Brown, A. S., et al. Serologic evidence of prenatal influenza in the etiology of schizophrenia. Archives of General Psychiatry. 61 (8), 774-780 (2004).
  3. Brown, A. S., Derkits, E. J. Prenatal infection and schizophrenia: a review of epidemiologic and translational studies. The American Journal of Psychiatry. 167 (3), 261-280 (2010).
  4. Patterson, P. H. Immune involvement in schizophrenia and autism: etiology, pathology and animal models. Behavioural Brain Research. 204 (2), 313-321 (2009).
  5. Patterson, P. H. Maternal infection and immune involvement in autism. Trends in Molecular Medicine. 17 (7), 389-394 (2011).
  6. Estes, M. L., McAllister, A. K. Immune mediators in the brain and peripheral tissues in autism spectrum disorder. Nature Reviews. Neuroscience. 16 (8), 469-486 (2015).
  7. Estes, M. L., McAllister, A. K. Maternal immune activation: Implications for neuropsychiatric disorders. Science. 353 (6301), 772-777 (2016).
  8. Estes, M. L., et al. Baseline immunoreactivity before pregnancy and poly(I:C) dose combine to dictate susceptibility and resilience of offspring to maternal immune activation. Brain, Behavior and Immunity. 88, 619-630 (2020).
  9. Kentner, A. C., et al. Maternal immune activation: reporting guidelines to improve the rigor, reproducibility, and transparency of the model. Neuropsychopharmacology. 44 (2), 245-258 (2019).
  10. Zhou, Y., et al. TLR3 activation efficiency by high or low molecular mass poly I:C. Innate Immunity. 19 (2), 184-192 (2013).
  11. Hsiao, E. Y., Patterson, P. H. Activation of the maternal immune system induces endocrine changes in the placenta via IL-6. Brain, Behavior and Immunity. 25 (4), 604-615 (2011).
  12. Smith, S. E., Li, J., Garbett, K., Mirnics, K., Patterson, P. H. Maternal immune activation alters fetal brain development through interleukin-6. The Journal of Neuroscience. 27 (40), 10695-10702 (2007).
  13. Choi, G. B., et al. The maternal interleukin-17a pathway in mice promotes autism-like phenotypes in offspring. Science. 351 (6276), 933-939 (2016).
  14. Meyer, U. Neurodevelopmental resilience and susceptibility to maternal immune activation. Trends in Neurosciences. 42 (11), 793-806 (2019).
  15. Laroche, J., Gasbarro, L., Herman, J. P., Blaustein, J. D. Reduced behavioral response to gonadal hormones in mice shipped during the peripubertal/adolescent period. Endocrinology. 150 (5), 2351-2358 (2009).
  16. Aguila, H. N., Pakes, S. P., Lai, W. C., Lu, Y. S. The effect of transportation stress on splenic natural killer cell activity in C57BL/6J mice. Laboratory Animal Science. 38 (2), 148-151 (1988).
  17. Landi, M. S., Kreider, J. W., Lang, C. M., Bullock, L. P. Effects of shipping on the immune function in mice. American Journal of Veterinary Research. 43 (9), 1654-1657 (1982).
  18. Menees, K. B., et al. Sex- and age-dependent alterations of splenic immune cell profile and NK cell phenotypes and function in C57BL/6J mice. Immunity & Ageing. 18 (1), 3 (2021).
  19. Shaw, A. C., Goldstein, D. R., Montgomery, R. R. Age-dependent dysregulation of innate immunity. Nature Reviews Immunology. 13 (12), 875-887 (2013).
  20. Starr, M. E., Saito, M., Evers, B. M., Saito, H. Age-associated increase in Cytokine production during systemic inflammation-II: the role of IL-1beta in age-dependent IL-6 upregulation in adipose tissue. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 70 (12), 1508-1515 (2015).
  21. Bruce, M., et al. Acute peripheral immune activation alters cytokine expression and glial activation in the early postnatal rat brain. Journal of Neuroinflammation. 16 (1), 200 (2019).
  22. Mader, S. L., Libal, N. L., Pritchett-Corning, K., Yang, R., Murphy, S. J. Refining timed pregnancies in two strains of genetically engineered mice. Lab Animal. 38 (9), 305-310 (2009).
  23. Heyne, G. W., et al. A simple and reliable method for early pregnancy detection in inbred mice. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (4), 368-371 (2015).
  24. Hutchinson, E., Avery, A., VandeWoude, S. Environmental enrichment for laboratory rodents. ILAR Journal. 46 (2), 148-161 (2005).
  25. Bayne, K. Environmental enrichment and mouse models: Current perspectives. Animal Models and Experimental Medicine. 1 (2), 82-90 (2018).
  26. Toth, L. A., Kregel, K., Leon, L., Musch, T. I. Environmental enrichment of laboratory rodents: the answer depends on the question. Comparative Medicine. 61 (4), 314-321 (2011).
  27. Sparling, J. E., Barbeau, K., Boileau, K., Konkle, A. T. M. Environmental enrichment and its influence on rodent offspring and maternal behaviours, a scoping style review of indices of depression and anxiety. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 197, 172997 (2020).
  28. Xiao, R., Ali, S., Caligiuri, M. A., Cao, L. Enhancing effects of environmental enrichment on the functions of natural killer cells in mice. Frontiers in Immunology. 12, 695859 (2021).
  29. Girbovan, C., Plamondon, H. Environmental enrichment in female rodents: considerations in the effects on behavior and biochemical markers. Behavioural Brain Research. 253, 178-190 (2013).
  30. Mueller, F. S., Polesel, M., Richetto, J., Meyer, U., Weber-Stadlbauer, U. Mouse models of maternal immune activation: Mind your caging system. Brain, Behavior, and Immunity. 73, 643-660 (2018).
  31. Mueller, F. S., et al. neuroanatomical, and molecular correlates of resilience and susceptibility to maternal immune activation. Molecular Psychiatry. 26 (2), 396-410 (2021).
  32. Nyffeler, M., Meyer, U., Yee, B. K., Feldon, J., Knuesel, I. Maternal immune activation during pregnancy increases limbic GABAA receptor immunoreactivity in the adult offspring: implications for schizophrenia. Neuroscience. 143 (1), 51-62 (2006).
  33. Babri, S., Doosti, M. H., Salari, A. A. Strain-dependent effects of prenatal maternal immune activation on anxiety- and depression-like behaviors in offspring. Brain, Behavior, and Immunity. 37, 164-176 (2014).
  34. Vigli, D., et al. Maternal immune activation in mice only partially recapitulates the autism spectrum disorders symptomatology. Neuroscience. 445, 109-119 (2020).
  35. Malkova, N. V., Yu, C. Z., Hsiao, E. Y., Moore, M. J., Patterson, P. H. Maternal immune activation yields offspring displaying mouse versions of the three core symptoms of autism. Brain, Behavior, and Immunity. 26 (4), 607-616 (2012).
  36. Shin Yim, Y., et al. Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature. 549 (7673), 482-487 (2017).
  37. Ito, H. T., Smith, S. E., Hsiao, E., Patterson, P. H. Maternal immune activation alters nonspatial information processing in the hippocampus of the adult offspring. Brain, Behavior, and Immunity. 24 (6), 930-941 (2010).
  38. Zuckerman, L., Weiner, I. Maternal immune activation leads to behavioral and pharmacological changes in the adult offspring. Journal of Psychiatric Research. 39 (3), 311-323 (2005).
  39. Mueller, F. S., Polesel, M., Richetto, J., Meyer, U., Weber-Stadlbauer, U. Mouse models of maternal immune activation: Mind your caging system. Brain, Behavior, and Immunity. 73, 643-660 (2018).
  40. Careaga, M., Murai, T., Bauman, M. D. Maternal immune activation and autism spectrum disorder: from rodents to nonhuman and human primates. Biological Psychiatry. 81 (5), 391-401 (2017).
  41. Lazic, S. E., Essioux, L. Improving basic and translational science by accounting for litter-to-litter variation in animal models. BMC Neuroscience. 14, 37 (2013).
  42. Spencer, S. J., Meyer, U. Perinatal programming by inflammation. Brain, Behavior, and Immunity. 63, 1-7 (2017).
  43. Mouihate, A., Kalakh, S. Maternal Interleukin-6 hampers hippocampal neurogenesis in adult rat offspring in a sex-dependent manner. Developmental Neuroscience. 43 (2), 106-115 (2021).
  44. Zhang, Z., van Praag, H. Maternal immune activation differentially impacts mature and adult-born hippocampal neurons in male mice. Brain, Behavior, and Immunity. 45, 60-70 (2015).

Play Video

Cite This Article
Prendergast, K., McAllister, A. K. Generating a Reproducible Model of Mid-Gestational Maternal Immune Activation using Poly(I:C) to Study Susceptibility and Resilience in Offspring. J. Vis. Exp. (186), e64095, doi:10.3791/64095 (2022).

View Video