Отслеживание вирусных нейронов - Viral neuronal tracing

Нейрон PC12, инфицированный вирусом псевдобешенства PRV GS443 (отмечен зеленым). Зеленые точки, удаляющиеся от тела клетки, демонстрируют антероградный транспорт.

Отслеживание вирусных нейронов это использование вирус проследить нервные пути, обеспечивая самовоспроизводящийся трассирующий. Вирусы обладают преимуществом саморепликации перед молекулярными индикаторами, но также могут распространяться слишком быстро и вызывать деградацию нервной ткани. Вирусы, которые могут поражать нервную систему, называются нейротропные вирусы распространяются через пространственно близкие ансамбли нейронов через синапсы, что позволяет использовать их при изучении функционально связанных нейронных сетей.[1][2] Использование вирусов для маркировки функционально связанных нейронов является результатом работы, проделанной Альберт Сабин кто разработал биоанализ который может оценить заражение вирусами через нейроны.[3] Последующие исследования позволили включить иммуногистохимический методы систематической маркировки нейронных связей.[3] На сегодняшний день вирусы используются для изучения нескольких цепей нервной системы.

История

Наиболее нейроанатомы согласны с тем, что понимание того, как мозг связан с самим собой и тело, имеет первостепенное значение.[4] Таким образом, не менее важно иметь способ визуализировать и изучать связи между нейроны. Методы нейронного отслеживания предлагают беспрецедентный взгляд на морфология и возможность подключения нейронных сетей. В зависимости от используемого индикатора, это может быть ограничено одним нейроном или может транс-синаптически распространяться на соседние нейроны. После того, как индикатор достаточно распространился, степень может быть измерена либо флуоресценция (для красителей) или иммуногистохимия (для биологических индикаторов). Важным нововведением в этой области является использование нейротропные вирусы как трассеры. Они не только распространяются по первоначальному очагу заражения, но и могут перескакивать через синапсы. Использование вируса обеспечивает самовоспроизводящийся индикатор. Это может позволить прояснить нейронную микросхему до такой степени, которая ранее была недостижима. Это имеет серьезные последствия для реального мира. Если мы сможем лучше понять, какие части мозга тесно связаны, мы сможем предсказать эффект локального повреждения мозга. Например, если у пациента случился инсульт в миндалина, в первую очередь отвечает за эмоция, у пациента также могут быть проблемы с обучением выполнять определенные задачи, потому что миндалевидное тело тесно связано с орбитофронтальная кора, ответственный за вознаграждение за обучение. Как всегда, первым шагом к решению проблемы является ее полное понимание, поэтому, если у нас есть хоть какая-то надежда на исправление травмы головного мозга, мы должны сначала понять ее масштабы и сложность.[5]

Жизненный цикл вируса

В жизненный цикл вирусов, таких как те, которые используются при отслеживании нейронов, отличается от клеточного организмы. Вирусы паразитический в природе и не могут размножаться сами по себе. Следовательно, они должны заразить другой организм и эффективно захватить клеточные механизмы, чтобы завершить свой жизненный цикл. Первый этап жизненного цикла вируса называется вирусное проникновение. Это определяет способ заражения вирусом новой клетки-хозяина. В природе нейротропные вирусы обычно передаются через укусы или царапины, как в случае Вирус бешенства или определенные штаммы Вирусы герпеса. В исследованиях по отслеживанию этот этап выполняется искусственно, обычно с помощью шприца. Следующий этап жизненного цикла вируса называется вирусная репликация. На этом этапе вирус берет на себя управление клеткой-хозяином, заставляя клетку создавать больше вирусных белков и собирать больше вирусов. Как только клетка произвела достаточное количество вирусов, вирус попадает в вирусное выделение сцена. На этом этапе вирусы покидают исходную клетку-хозяин в поисках нового хозяина. В случае нейротропных вирусов эта передача обычно происходит в синапс. Вирусы могут перепрыгивать через относительно короткое пространство от одного нейрона к другому. Именно эта черта делает вирусы столь полезными в исследованиях индикаторов. Как только вирус попадает в следующую клетку, цикл начинается заново. Исходная клетка-хозяин начинает разлагаться после стадии шеддинга. Это причина, по которой при изучении индикаторов необходимо строго контролировать время. Если вирусу позволяют распространиться слишком далеко, исходная интересующая микросхема ухудшается, и невозможно получить полезную информацию. Как правило, вирусы могут инфицировать только небольшое количество организмов, и даже тогда только определенный тип клеток в организме. Специфичность конкретного вируса для конкретной ткани известна как его тропизм. Все вирусы в трассерных исследованиях нейротропный (способен заражать нейроны).[6]

Методы

Инфекционное заболевание

Вирусный индикатор может быть введен в периферические органы, такие как мышца или же железа.[7] Некоторые вирусы, например аденоассоциированный вирус можно вводить в кровоток и пересекать гематоэнцефалический барьер чтобы заразить мозг.[8] Его также можно ввести в ганглий или вводится непосредственно в мозг с помощью стереотаксическое устройство. Эти методы предлагают уникальное понимание того, как связаны мозг и его периферия. Вирусы проникают в нервную ткань разными способами. Есть два основных метода введения индикатора в ткани-мишени. Впрыск под давлением требует, чтобы индикатор в жидкой форме вводился непосредственно в ячейку. Это самый распространенный метод. Ионофорез включает приложение тока к раствору индикатора внутри электрода. Молекулы индикаторов собирают заряд и под действием электрического поля проникают в ячейку. Это полезный метод, если вы хотите пометить ячейку после выполнения патч зажим техника.[5] Как только индикатор вводится в клетку, вышеупомянутые транспортные механизмы вступают во владение. Как только вирус попадает в нервную систему, он начинает инфицировать клетки в определенной области. Вирусы функционируют за счет включения собственного генетического материала в геном инфицированных клеток.[9] Затем клетка-хозяин будет производить белки, кодируемые геном. Исследователи могут встраивать в инфицированные нейроны многочисленные гены, в том числе флуоресцентный белки, используемые для визуализации.[9] Дальнейшие достижения в отслеживании нейронов позволяют нацеливать экспрессию флуоресцентных белков на определенные типы клеток.[9]

Гистология и визуализация

Как только вирус распространился до желаемой степени, мозг нарезают и помещают на предметные стекла. Затем флуоресцентный антитела специфический для вируса или флуоресцентный комплементарная ДНК зонды на вирусную ДНК промывают срезы и визуализируют под флуоресцентный микроскоп.[5]

Направление передачи

Вирусы могут передаваться в одном из двух направлений. Во-первых, нужно понять основной механизм аксоплазматический транспорт. В рамках аксон длинные тонкие белковые комплексы, называемые микротрубочки. Они действуют как цитоскелет чтобы помочь клетке сохранить свою форму. Они также могут действовать как магистрали в аксоне и облегчать транспортировку нейротрансмиттер -заполненный пузырьки и ферменты вперед и назад между телом клетки, или сома и окончание аксона, или синапс. Транспорт может происходить в любом направлении: антероградно (от сомы к синапсу) или ретроградно (от синапса к соме). Нейроны переносят естественным образом белки, нейротрансмиттеры и другие макромолекулы через эти клеточные пути. Нейрональные индикаторы, включая вирусы, используют преимущества этих транспортных механизмов для распространения индикатора по клетке. Исследователи могут использовать это для изучения синаптических схем.

Антероградный транспорт

Антероградное отслеживание это использование индикатора, который перемещается от сомы к синапсу. Антероградный транспорт использует белок, называемый кинезин перемещать вирусы по аксону в антероградном направлении.[5]

Ретроградный транспорт

Ретроградная трассировка это использование индикатора, который перемещается от синапса к соме. Ретроградный транспорт использует белок, называемый динеин перемещать вирусы по аксону в ретроградном направлении.[5][10] Важно отметить, что разные индикаторы проявляют характерное сродство к динеину и кинезину и поэтому распространяются с разной скоростью.

Двойной транспорт

Иногда желательно отслеживать нейроны вверх и вниз по течению, чтобы определить как входы, так и выходы нейронной схемы. При этом используется комбинация вышеуказанных механизмов.[11]

Преимущества и недостатки

Использование вирусов в качестве индикаторов имеет свои преимущества и недостатки. Таким образом, есть некоторые приложения, в которых вирусы являются отличным средством отслеживания, и другие приложения, в которых есть более эффективные методы.

Преимущества

Одним из преимуществ использования вирусных индикаторов является способность вируса перепрыгивать через синапсы. Это позволяет отслеживать микросхемы, а также проводить исследования проекций. Немногие молекулярные индикаторы способны на это, и те, которые обычно могут иметь пониженный сигнал во вторичных нейронах. Следовательно, еще одно преимущество отслеживания вирусов - это способность вирусов к самовоспроизведению. Как только вторичный нейрон заражен, вирус начинает размножаться и размножаться. Сигнал не теряется, так как индикатор распространяется через мозг.[6]

Недостатки

Хотя некоторые характеристики вирусов предоставляют ряд преимуществ при отслеживании, другие представляют потенциальные проблемы. Распространяясь по нервной системе, вирусные индикаторы заражают нейроны и в конечном итоге разрушают их. Следовательно, время проведения трассерных исследований должно быть точным, чтобы обеспечить адекватное распространение до наступления гибели нейронов. Вирусы могут быть вредными не только для нервной ткани, но и для всего организма. Поэтому было сложно найти вирусы, идеально подходящие для этой задачи. Вирус, используемый для отслеживания, в идеале должен быть достаточно заразным, чтобы давать хорошие результаты, но не настолько, чтобы слишком быстро разрушать нервную ткань или представлять ненужный риск для зараженных. Другой недостаток заключается в том, что отслеживание вирусных нейронов в настоящее время требует дополнительного этапа присоединения флуоресцентных антител к вирусам для визуализации пути. Напротив, большинство молекулярных индикаторов ярко окрашены и могут быть просмотрены невооруженным глазом без дополнительной модификации.

Текущее использование

Отслеживание вирусов в основном используется для отслеживания нейронных цепей. Исследователи используют один из ранее упомянутых вирусов, чтобы изучить, как нейроны мозга связаны друг с другом с очень высокой степенью детализации.[12] Связь во многом определяет работу мозга. Вирусы использовались для изучения контуров ганглиев сетчатки,[13] корковые цепи,[14] и спинномозговые цепи, среди прочего.

Используемые вирусы

Ниже приводится список вирусов, которые в настоящее время используются для отслеживания нейронов.

Рекомендации

  1. ^ Уголини, Габриэлла (2010). «Достижения в вирусном транснейрональном отслеживании». Журнал методов неврологии. 194 (1): 2–20. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2009.12.001. PMID  20004688. S2CID  43490041.
  2. ^ Koyuncu, Orkide O .; Hogue, Ян Б.; Энквист, Линн В. (2013). «Вирусные инфекции в нервной системе». Клеточный хозяин и микроб. 13 (4): 379–393. Дои:10.1016 / j.chom.2013.03.010. ЧВК  3647473. PMID  23601101.
  3. ^ а б Sams, J.M .; Jansen, A. S .; Mettenleiter, T. C .; Лоуи, А. Д. (31 июля 1995 г.). «Мутанты вируса псевдобешенства как транснейрональные маркеры». Исследование мозга. 687 (1–2): 182–190. Дои:10.1016/0006-8993(95)00484-8. ISSN  0006-8993. PMID  7583303. S2CID  21516719.
  4. ^ Перкель, Джеффри М. (18 января 2013 г.). «ЖИЗНЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: Это ваш мозг: отображение коннектома». Наука. 339 (6117): 350–352. Bibcode:2013Научный ... 339..350П. Дои:10.1126 / science.339.6117.350. ISSN  0036-8075.
  5. ^ а б c d е Озтас Э (2003). «Нейрональное отслеживание». Нейроанатомия. 2: 2–5.
  6. ^ а б Джинджер, Мелани; Бони, Гийом; Хаберл, Матиас; Фрик, Андреас (28 октября 2014 г.). Биология и патогенез рабдо- и филовирусов. МИРОВАЯ НАУЧНАЯ. С. 263–287. Дои:10.1142/9789814635349_0011. ISBN  9789814635332.
  7. ^ Уголини Г (1995). «Специфика вируса бешенства как транснейронального индикатора моторных сетей: передача от подъязычных мотонейронов к связанным группам клеток центральной нервной системы второго и более высокого порядка. [Поддержка исследований, правительство не США]». J Comp Neurol. 356 (3): 457–480. Дои:10.1002 / cne.903560312. PMID  7642806.
  8. ^ «Инъекция отправляет« генетический груз »нейронам по всему телу - будущее». Будущее. 2017-06-29. Получено 2018-04-01.
  9. ^ а б c Каллавей, Эдвард М (2008). «Прослеживание транснейронального контура с помощью нейротропных вирусов». Текущее мнение в нейробиологии. 18 (6): 617–623. Дои:10.1016 / j.conb.2009.03.007. ЧВК  2698966. PMID  19349161.
  10. ^ Викершем И. Р .; Finke S .; Конзельманн К. К .; Каллавей Э. М. (2007). «Ретроградное отслеживание нейронов с помощью мутантного с делецией вируса бешенства. [Research Support, N.I.H., Extramural Research Support, Non-USA Gov't]». Нат методы. 4 (1): 47–49. Дои:10.1038 / nmeth999. ЧВК  2755236. PMID  17179932.
  11. ^ Лопес И. П .; Салин П .; Качидиан П .; Barroso-Chinea P .; Rico A. J .; Gomez-Bautista V .; Лансьего Дж. Л. (2010). «Дополнительная ценность вируса бешенства в качестве ретроградного индикатора в сочетании с двойным антероградным отслеживанием тракта. [Поддержка исследований, правительство не США]». J Neurosci методы. 194 (1): 21–27. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2010.01.015. PMID  20096304. S2CID  214343.
  12. ^ а б Имбирь М .; Haberl M .; Конзельманн К.-К .; Schwarz M .; Фрик А. (2013). «Раскрытие секретов нейронных цепей с помощью технологии рекомбинантного вируса бешенства. [Поддержка исследований, Обзор неамериканского правительства]». Передний. Нейронные цепи. 7: 2. Дои:10.3389 / fncir.2013.00002. ЧВК  3553424. PMID  23355811.
  13. ^ Вини Т. Дж .; Балинт К .; Hillier D .; Siegert S .; Болдогкой З .; Энквист Л. У .; Роска Б. (2007). «Локальные контуры сетчатки из меланопсинсодержащих ганглиозных клеток, идентифицированные с помощью транссинаптического вирусного отслеживания. [Поддержка исследований, неамериканское правительство, поддержка исследований, правительство США, не-P.H.S.]». Curr Biol. 17 (11): 981–988. Дои:10.1016 / j.cub.2007.04.058. PMID  17524644. S2CID  2388142.
  14. ^ Уголини Г (2011). «Вирус бешенства как транснейронный индикатор нейронных связей. [Поддержка исследований, Обзор правительства США]». Adv Virus Res. 79: 165–202. Дои:10.1016 / B978-0-12-387040-7.00010-X. PMID  21601048.
  15. ^ Макговерн А.Е., Дэвис-Пойнтер Н., Ракоци Дж., Фиппс С., Симмонс Д.Г., Маццон С.Б .; Дэвис-Пойнтер; Ракоци; Фиппс; Симмонс; Mazzone (30 июля 2012 г.). «Антероградное отслеживание нейронных цепей с использованием генетически модифицированного вируса простого герпеса, экспрессирующего EGFP». J Neurosci методы. 209 (1): 158–67. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2012.05.035. PMID  22687938. S2CID  20370171.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  16. ^ Norgren, R. B., Jr., & Lehman, M. N .; Леман (1998). «Вирус простого герпеса как транснейрональный индикатор. [Обзор]». Neurosci Biobehav Rev. 22 (6): 695–708. Дои:10.1016 / s0149-7634 (98) 00008-6. PMID  9809305. S2CID  40884240.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Коюнку О.О., Перлман Д.Х., Энквист Л.В.; Перлман; Enquist (16 января 2013 г.). «Эффективный ретроградный транспорт вируса псевдобешенства внутри нейронов требует локального синтеза белка в аксонах». Клеточный микроб-хозяин. 13 (1): 54–66. Дои:10.1016 / j.chom.2012.10.021. ЧВК  3552305. PMID  23332155.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  18. ^ Кратчмаров Р., Тейлор М.П., ​​Энквист Л.В.; Тейлор; Энквист (2013). «Роль фосфорилирования us9 в аксональной сортировке и антероградном транспорте вируса псевдобешенства». PLOS ONE. 8 (3): e58776. Bibcode:2013PLoSO ... 858776K. Дои:10.1371 / journal.pone.0058776. ЧВК  3602541. PMID  23527020.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ Kelly, R.M. & Strick, P.L .; Стрик (2000). «Бешенство как транснейронный индикатор цепей в центральной нервной системе. [Поддержка исследований, Правительство США, Поддержка исследований, не связанных с Физической службой США, Правительство США, Обзор P.H.S.]». J Neurosci методы. 103 (1): 63–71. Дои:10.1016 / S0165-0270 (00) 00296-X. PMID  11074096. S2CID  17492937.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  20. ^ Уголини, Г. (2008). «Использование вируса бешенства в качестве транснейронального индикатора нейронных связей: значение для понимания патогенеза бешенства. [Поддержка исследований, Обзор правительства США]». Dev Biol (Базель). 131: 493–506. PMID  18634512.
  21. ^ Байер К. Т .; Saunders A .; Ольденбург И. А .; Miyamichi K .; Ахтар Н .; Luo L .; Whelang SPJ; Sabatini B; Чепко К. Л. (2011). «Антероградное или ретроградное транссинаптическое мечение нейронов ЦНС векторами вируса везикулярного стоматита». Proc Natl Acad Sci U S A. 108 (37): 15414–15419. Дои:10.1073 / pnas.1110854108. ЧВК  3174680. PMID  21825165.
  22. ^ Байер К.Т., Сондерс А.Б., Ольденбург И.А., Сабатини Б.Л., Цепко С.Л. Сондерс; Ольденбург; Сабатини; Чепко (2013). «Вирус везикулярного стоматита с гликопротеином вируса бешенства направляет ретроградный транссинаптический транспорт среди нейронов in vivo». Границы в нейронных цепях. 7 (11): 1–13. Дои:10.3389 / fncir.2013.00011. ЧВК  3566411. PMID  23403489.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  23. ^ Байер К.Т., Сондерс А.Б., Ольденбург И.А., Сабатини Б.Л., Чепко С.Л.; Томиока; Таки; Накамура; Тамамаки; Канеко (2001). «Трансдукция центральных нейронов in vivo с использованием рекомбинантного вируса Синдбис: мечение дендритов и аксонов по методу Гольджи с помощью мембранно-направленных флуоресцентных белков». Журнал гистохимии и цитохимии. 49 (12): 1497–1507. Дои:10.1177/002215540104901203. PMID  11724897.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  24. ^ Чемберлен Н. Л., Дю Б, де Лакаль С., Сапер С. Б.; Ду; Де Лакаль; Сапер (18 мая 1998 г.). «Рекомбинантный аденоассоциированный вирусный вектор: использование для экспрессии трансгена и отслеживания антероградного тракта в ЦНС». Мозг Res. 793 (1–2): 169–75. Дои:10.1016 / с0006-8993 (98) 00169-3. ЧВК  4961038. PMID  9630611.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)