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Method Article
定位固定装置フレームを使用して、げっ歯類の特定の脳領域に溶液をうまく注入する方法について説明します。このサバイバル手術は、パーキンソン病のさまざまな側面を模倣するために使用される確立された方法です。
パーキンソン病(PD)は、主に黒質のドーパミン作動性ニューロンの喪失により、安静時振戦と無動症によって伝統的に定義される進行性の障害です。罹患した脳領域は、主にα-シヌクレイン(asyn)タンパク質からなるニューロン内線維封入体を示します。これまでのところ、この疾患のすべての特徴を再現した動物モデルはありませんでした。ここでは、PDのさまざまな側面を模倣するために、脳定位固定装置注射を使用して化学物質、タンパク質、またはウイルスベクターを頭蓋内に送達する方法について説明します。これらの方法は確立されており、PD分野全体で広く使用されています。脳定位注射は非常に柔軟です。それらは、濃度、注射に使用される動物の年齢、対象となる脳領域、および使用される動物種で調整することができます。物質の組み合わせにより、治療を評価したり、病状の重症度や行動障害を変更したりするための迅速なバリエーションが可能になります。脳に毒素を注入することにより、炎症やドーパミン作動性ニューロンの深刻な喪失を模倣することができ、その結果、かなりの運動表現型が得られます。ウイルスベクターは、遺伝的または機構的な側面を模倣するために細胞を形質導入するために使用できます。事前に形成された線維性無糖注射は、長期間にわたって進行性の表現型を最もよく再現します。これらの方法が確立されると、新しいトランスジェニック系統を作成するよりも、新しいモデルを生成する方が経済的です。ただし、この方法は、使用するモデルにもよりますが、動物ごとに30分から4時間かかるため、労働集約的です。各動物はわずかに異なるターゲティングを持つため、多様なコホートが作成され、一方では結果を解釈するのが難しい場合があります。一方、患者に見られるより現実的な多様性を模倣するのに役立ちます。誤って標的化された動物は、行動または画像の読み取り値を使用して、または屠殺された後にのみ特定でき、研究がすでに終了した後にコホートサイズが小さくなります。全体として、この方法は、PDの多様な側面を評価するための初歩的ですが効果的な方法です。
パーキンソン病(PD)は、60歳以上の人々の最大1%が罹患する比較的一般的な進行性神経変性疾患です1。PDは不均一ですが、臨床的には主に安静時振戦、運動緩慢、無動症、硬直、歩行障害、姿勢不安定などの運動症状を特徴としています。運動症状の大部分は、通常、線条体ドーパミン(DA)の60〜70%が黒質(SN)の進行性で明確な神経変性の結果として失われたときに現れます2,3。生き残ったドーパミン作動性ニューロンには、レビー小体4として知られる細胞内封入体が含まれています。これらの凝集体は主に、脳内のニューロンに小さくても高度に発現するタンパク質であるα-シヌクレイン(asyn)で構成されています5。
PDにおける神経変性の根本的なメカニズムはまだ不明です。老化は依然としてこの障害の最大の危険因子です6。さらに、PDを自然に発症するのは人間だけです。そこで、PDの病態調査や疾患進行予防のための新薬の試験を行うために、さまざまな動物モデルが開発されてきた7。理想的には、PDの動物モデルは、SNのDAニューロンの年齢依存性の進行性の喪失を示し、細胞内封入体とそれに続く運動機能障害を示し、DA補充療法に反応するべきです。現在利用可能な動物モデルはいずれも、PDのすべての臨床症状と病理を完全に再現するものではありません。各モデルは疾患の異なる側面を示しているため、尋ねられた質問に基づいて、実験で使用する適切なモデルを慎重に検討することが重要です。
歴史的に、動物モデルは、6-ヒドロキシドーパミン(6-OHDA)や1-メチル-4-フェニル-1,2,3,6-テトラヒドロピリジン(MPTP)などの毒物や、ロテノンやパラコートなどの農薬に基づいていました8。各毒物には異なる作用機序があり、DAニューロンに特異的なものから一般的に脳細胞に有害なものまでさまざまです。毒素は、経口投与するか、腹腔内に注射するか、血液脳関門の透過性に応じて定位注射を使用して脳に直接投与することができます。他のモデルとは異なり、毒素モデルは高度の黒質線条体ドーパミン作動性細胞の損失と行動表現型を保証します。一部のモデルは、微妙な病状を示すことさえあります。これらの特徴により、毒素PDモデルは、補充療法やPD9,10の発症に対する環境毒素の影響を研究するための優れたツールとなっています。
さらに、種々のプロモーターおよびPD関連遺伝子11を用いて、多数のトランスジェニックマウスモデルが作製されている。ほとんどのマウスは黒質線条体の病状を呈しますが、神経変性の明確な証拠はありません。トランスジェニックモデルには、動物とコホート間で一貫性があり、一度生成されると維持と配布が容易であるという利点があります。それらは神経変性をもたらさないが、それでも、複合体in vivoシステムにおける遺伝的変異および可能性のある薬剤候補によって引き起こされる細胞変化を研究するための有用なモデルである12。
トランスジェニックモデルとは対照的に、PD関連遺伝子のウイルスベクター媒介発現は、より柔軟なアプローチを提供します13。定位固定装置注射は、マウス、ラット、ブタ、ヒト以外の霊長類など、幅広い動物種に対して、さまざまな脳領域、細胞型、発現レベルを選択することを可能にします。最初に、asynをコードする組換えウイルスベクターを使用して、ラットSNに位置するニューロンを形質導入しました。タンパク質の蓄積と細胞機能障害は、進行性のドーパミン作動性細胞の喪失に先行し、行動障害を引き起こします。ターゲティングの違いは、動物間の細胞損失の大きな変動(30〜80%)につながる可能性があり、これは注射されたラットの約25%にしか見られない変動行動障害の原因です14。
最近確立されたモデルは、マウスまたは患者の脳組織15,16からの予め形成されたasyn線維(PFF)または凝集抽出物の頭蓋内注射である。複数の研究により、PFFまたは抽出物の注射は、動物の脳に広範な無症候群の病理をもたらし、SNのドーパミン作動性ニューロンの喪失をもたらすことが示されています。アシンの蓄積は、注入された領域を神経支配するニューロン内に現れます。ウイルスベクターベースのモデルとは異なり、PFFモデルは数か月にわたってゆっくりと進行し、6か月で運動障害が発生します。このモデルは、無症候性病理学17,18のメカニズムまたは予防を研究するための大きな可能性を秘めています。
上記のすべてのモデルは十分に確立されており、人間の障害のさまざまな側面を研究するために何度も使用されています。脳に直接物質を定位注射することは、PDの分野だけでなく、他の神経疾患においても、これらの動物モデルの開発に大きな役割を果たしてきました。定位固定装置手術は、手間がかかりますが、使用する動物の年齢、標的とする脳領域、注入する物質の柔軟性が高いという利点があり、研究課題に応じて調整することができます。例えば、物質は、単独でまたは組み合わせて(ベクター+フィブリルまたは毒物+ベクター)注射して、疾患のより多くの側面を再現したり、治療を評価したりすることができる19,20。さらに、物質を一方的に注入することができ、注入されていない側を内部制御として残し、行動や神経変性を評価することができます。したがって、この原稿では、定位固定剤注射を使用してPDモデルを生成するための詳細な手順を概説します。
この研究におけるすべての実験は、国立衛生研究所の実験動物のケアと使用に関するガイドの推奨事項に厳密に従って実施され、米国国立老化研究所の動物ケアおよび使用委員会によって承認されました。
開始する前に、この手順を実行するために必要な適切なトレーニングと倫理的承認を所属機関から取得していることを確認してください。さらに、使用する麻酔薬(ケタミンとブプレノルフィン、またはフェンタニルとメデトミジンなど)は、所属機関の関連規則に従って取得および取り扱う必要があります。
1. 準備(所要時間1時間)
2.手術(所要時間は1匹あたり平均1時間)
3. 術後ケア(期間3-7日)
ミスターゲティングを避けるため、毎回の実験の前に、色素注入を使用して座標を確認してください。動物に同じプロトコルを使用して0.2〜0.5μLのトリプトファンブルーを注射し、注射後に毛細血管を急速に引き抜き、拡散を避けるために脳を急速に凍結しました。ミクロトームで切片を作製した後、注入部位は青色で見えます(図2C、E
脳定位固定装置注射は、他の外科的処置と同様に、動物の健康と生存を保証することが主な困難である。したがって、手順全体を通して動物を注意深く監視することが不可欠です。呼吸の不規則性、呼吸の喪失、反射神経や動きの再発に注意することは、特に経験の浅い外科医にとって、主な焦点となるべきです。さらに、鎮痛剤の適用は、回復プロセスを支援する...
著者は何も開示していません。
この研究は、国立老化研究所の国立衛生研究所の学内研究プログラムによって部分的に支援されました。CES は NS099416 でサポートされています。著者らは、NIMH IRP Rodent Behavioral Core (ZIC MH002952 and MH002952 to Yogita Chudasama) と NICHD IRP Microscopy and Imaging Core によるサポートに感謝したいと思います。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Allen brain atlas | Allen Institute | mouse brain - reference atlas | |
analgesic: ketoprofin OR buprenorphine | |||
anesthetic: Isoflurane OR ketamine / xylazine OR fentanyl / medetomidine | |||
blades - surgical sterile | Oasis Medical | No 10 | |
capillaries - glass | Stoelting | 50811 | |
capillary puller | Sutter Instruments | P-97 | |
cotton-tipped applicators | Stoelting | 50975 | |
drill - dental | Foredom | MH-170 | |
Ethanol 70% | |||
eye drops (Liquigel) | CVS | NDC 0023-9205-02 | Carboxymethylcellulose Sodium (1%), Boric acid; calcium chloride; magnesium chloride; potassium chloride; purified water; PURITE® (stabilized oxychloro complex); sodium borate; and sodium chloride |
forceps - full curved | Stoelting | 52102-38P | |
forceps - hemostatic delicate | Stoelting | 52110-13 | |
gauze - cotton absorbent | |||
H2O - sterile | |||
H2O2 30% | Sigma Aldrich | 216763 | |
Hamilton 5ul syringe | Hamilton Company | 7634-01 | |
Hamilton blunt metal needle | Hamilton Company | 7770-01 | |
heat pad - far infrared | Kent Scientific | 2665967 | |
Iodine solution (Dynarex) 10% | Indemedical | 102538 | |
isoflurane | Baxter | 1001936040 | |
lidocaine 0.5% | |||
lighter / matches | |||
microscope (Stemi 508 Boom stand) | Zeiss | 435064-9000-000 | |
PBS sterile | Gibco - Thermo Fischer | 10010-023 | |
pump (injector) | Stoelting | 53311 | |
scalpel handle | Stoelting | 52171P | |
shaver - electrical | andis | 64800 | |
solution to inject / material to implant | |||
stereotax - small animal digital | Kopf | Model 940 | |
sterilizer - glass bead | BT Lab Systems | BT1703 | |
tubing - heat-shrink | Nelco | NP221-3/64 | |
tweezers - dumont fine curved | Roboz | RS-5045A | |
underpad - absorbent | |||
vaporizer for isoflurane (package) | Scivena Scientific | M3000 | |
wound clips and applier / remover | Stoelting | 59040 | |
wound glue (Vetbond) | 3M corporation | 1469SB |
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