Создание воспроизводимой модели иммунной активации матери в середине беременности с использованием Poly (I: C) для изучения восприимчивости и устойчивости у потомства
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
Representative Results
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
- 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).
- Brown, A. S., et al. Serologic evidence of prenatal influenza in the etiology of schizophrenia. Archives of General Psychiatry. 61 (8), 774-780 (2004).
- 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).
- Patterson, P. H. Immune involvement in schizophrenia and autism: etiology, pathology and animal models. Behavioural Brain Research. 204 (2), 313-321 (2009).
- Patterson, P. H. Maternal infection and immune involvement in autism. Trends in Molecular Medicine. 17 (7), 389-394 (2011).
- 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).
- Estes, M. L., McAllister, A. K. Maternal immune activation: Implications for neuropsychiatric disorders. Science. 353 (6301), 772-777 (2016).
- 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).
- 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).
- Zhou, Y., et al. TLR3 activation efficiency by high or low molecular mass poly I:C. Innate Immunity. 19 (2), 184-192 (2013).
- 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).
- 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).
- Choi, G. B., et al. The maternal interleukin-17a pathway in mice promotes autism-like phenotypes in offspring. Science. 351 (6276), 933-939 (2016).
- Meyer, U. Neurodevelopmental resilience and susceptibility to maternal immune activation. Trends in Neurosciences. 42 (11), 793-806 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shaw, A. C., Goldstein, D. R., Montgomery, R. R. Age-dependent dysregulation of innate immunity. Nature Reviews Immunology. 13 (12), 875-887 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hutchinson, E., Avery, A., VandeWoude, S. Environmental enrichment for laboratory rodents. ILAR Journal. 46 (2), 148-161 (2005).
- Bayne, K. Environmental enrichment and mouse models: Current perspectives. Animal Models and Experimental Medicine. 1 (2), 82-90 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mueller, F. S., et al. neuroanatomical, and molecular correlates of resilience and susceptibility to maternal immune activation. Molecular Psychiatry. 26 (2), 396-410 (2021).
- 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).
- 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).
- Vigli, D., et al. Maternal immune activation in mice only partially recapitulates the autism spectrum disorders symptomatology. Neuroscience. 445, 109-119 (2020).
- 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).
- Shin Yim, Y., et al. Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature. 549 (7673), 482-487 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Spencer, S. J., Meyer, U. Perinatal programming by inflammation. Brain, Behavior, and Immunity. 63, 1-7 (2017).
- 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).
- 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).
