Konvektion forbedret levering af Optogenetic adeno-associeret viral vektor til cortex af rhesus Macaque under vejledning af online MRI-billeder
Summary
Her viser vi magnetisk resonans (MR)-guidet konvektion forbedret levering (CED) af virale vektorer i cortex som en effektiv og forenklet tilgang til opnåelse af optogenetisk udtryk på tværs af store kortikale områder i makak hjernen.
Abstract
I ikke-menneskelige primat (NHP) optogenetik, inficere store kortikale områder med virale vektorer er ofte en vanskelig og tidskrævende opgave. Her viser vi brugen af magnetisk resonans (MR)-guidet konvektion forbedret levering (CED) af optogenetiske virale vektorer til primære somatosensoriske (S1) og motor (M1) corticer af macaques at opnå effektiv, udbredt kortikale udtryk for lysfølsomme ion-kanaler. Adeno-associerede virale (AAV) vektorer kodning af rødt forskudt opsin C1V1 smeltet til gult fluorescerende protein (EYFP) blev injiceret i cortex af rhesus macaques under MR-Guided CED. Tre måneder efter infusionen bekræftede epifluorescerende billeddannelse store områder af optogenetisk ekspression (> 130 mm2) i M1 og S1 i to makakaber. Desuden var vi i stand til at registrere pålidelige lys-fremkaldte Elektrofysiologi svar fra de udtrykte områder ved hjælp af mikro-elektro kortikografiske arrays. Senere histologisk analyse og immun farvning mod indberetteren afslørede udbredt og tæt optogenetisk ekspression i M1 og S1 svarende til fordelingen indikeret ved epifluorescerende billeddannelse. Denne teknik gør det muligt for os at opnå udtryk på tværs af store områder af cortex inden for en kortere periode med minimal skade i forhold til de traditionelle teknikker og kan være en optimal tilgang til optogenetisk viral levering i store dyr, såsom NHP’er. Denne fremgangsmåde viser et stort potentiale for manipulation på netværksniveau af neurale kredsløb med celletype specificitet i dyremodeller evolutionært tæt på mennesker.
Introduction
Optogenetics er et kraftfuldt værktøj, der giver mulighed for manipulation af neurale aktivitet og studiet af netværksforbindelser i hjernen. Gennemførelsen af denne teknik i ikke-menneskelige primater (NHP’er) har potentiale til at forbedre vores forståelse af storstilet neurale beregning, kognition, og adfærd i primat hjernen. Selv om optogenetik er blevet gennemført med succes i NHP’er i de seneste år1,2,3,4,5,6,7, en udfordring, der forskere ansigt er at opnå høje niveauer af udtryk på tværs af store hjerneområder i disse dyr. Her giver vi en effektiv og forenklet tilgang til at opnå høje niveauer af optogenetisk udtryk på tværs af store områder af cortex i macaques. Denne teknik har et stort potentiale til at forbedre nuværende optogenetiske undersøgelser i disse dyr i kombination med state-of-the-art optagelse8,9 og optisk stimulation10 teknologier.
Konvektion forbedret levering (CED) er en etableret metode til levering af farmakologiske midler og andre store molekyler, herunder virale vektorer, til centralnervesystemet11,12,13. Mens konventionelle leveringsmetoder involverer flere lav volumen infusioner fordelt på små regioner i hjernen, CED kan opnå bredere og mere jævn agent fordeling med færre infusioner. Tryk styret bulk fluid flow (konvektion) under infusionen giver mulighed for mere bredt og ensartet distribueret transduktion af målvævet, når de leverer virale vektorer med CED. I nylige undersøgelser demonstrerede vi transduktionen og den efterfølgende optogenetiske ekspression af store områder af primær motor (M1) og somatosensoriske (S1) corticer9 og thalamus14 ved hjælp af magnetisk resonans (MR)-guidet CED.
Her skitserer vi brugen af CED for at opnå optogenetisk ekspression på tværs af store kortikale områder med kun få kortikale injektioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her skitserer vi en gennemførlig og effektiv teknik til at opnå storstilet optogenetisk ekspression i NHP primær somatosensorisk og motorisk cortex af MR-Guided CED. Brugen af MR-Guided CED giver betydelige fordele i forhold til traditionelle metoder til viral infusion i NHP hjernen. En sådan fordel er evnen til at opnå udtryk over store områder med færre nødvendige infusioner. For eksempel, med konventionelle metoder, flere injektioner af 1-2 μl af vektor udbytte udtryk i en 2-3 mm diameter region<sup class="xr…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af American Heart Association postdoktorat Fellowship (AY), Defense Advanced forskningsprojekter Agency (DARPA) reorganisering og plasticitet for at fremskynde skaden inddrivelse (reparation; N66001-10-C-2010), R01. NS073940, og af UCSF Neuroscience Imaging Center. Dette arbejde blev også støttet af Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & menneskelig udvikling af de nationale institutter for sundhed under Award nummer K12HD073945, Washington national Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), og Center for Neuroteknologi (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center i henhold til Grant EØF-1028725). Vi takker Camilo Diaz-Botia, Tim Hanson, Viktor Kharazia, Daniel Silversmith, Karen J. MacLeod, Juliana Milani og Blakely Andrews for deres hjælp med eksperimenterne og Nan Tian, Jiwei HE, Peter Ledochowitsch, Michel Maharbiz og Toni Haun for teknisk hjælp.
Materials
| 0.2 mL High Pressure IV Tubing | Smiths Medical Inc., Dublin, OH, USA | 533640 | |
| 0.32 mm ID, 0.43 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150027 | |
| 0.45 mm ID, 0.76 mm OD Silica Tubing | Polymicro Technologies | 1068150625 | |
| AAV2.5-CamKII-C1V1-EYFP | Penn Vector Core, University of Pennsylvania | ||
| ABS plastic | Stratasys, MN, USA | ABSplus-P430 | |
| Antimicrobial incise drape | 3M | 6650EZ | Ioban Drape |
| Dental Acrylic | Henry Schein, Inc. | 1013117 | Acrylic Bonding Agent |
| Elevators | VWR International, LLC. | 10196-564 | Langenbeck Elevator, Wide Tip |
| Fine suture | McKesson Medical-Surgical Inc. | 1034505 | |
| Gadoteridol | Prohance, Bracco Diagnostics, Princeton, NJ | 0270-1111-04 | |
| Laser for light stimulation | Omicron-Laserage, Germany | PhoxX 488-60 | |
| MR compatible 3cc syringe | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | 59-8377 | |
| MR Imaging Software | Pixmeo | OsiriX MD 10.0 | |
| MR-Compatible Pump | Harvard apparatus, Holliston, MA, USA | Harvard PHD 2000 | |
| MR-compatible stereotaxic frame | KOPF | 1430M MRI | |
| Perifix Clamp Style Catheter Connector | B-Braun, Bethlehem, PA, USA | N/A | |
| Plastic Screws | Plastics 1 | 0-80 x 1/8N | Nylon screws |
| Titanium screws | Crist Instrument Co., Inc. | 6-YCX-0312 | Self-tapping bone screws |
| Trephine | GerMedUSA Inc, | SKU:GV70-42 | |
| uPrinter SE 3D printer | Stratasys, MN, USA | N/A | |
| Vitamin E Capsule | Pure Encapsulations, LLC. | DE1 | |
| Wet sterile absorbable gelatin | Pfizer Inc. | AZL0009034201 | Gelfoam |
Riferimenti
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Diester, I., et al. An optogenetic toolbox designed for primates. Nature Neuroscience. 14 (3), 387-397 (2011).
- Ohayon, S., Grimaldi, P., Schweers, N., Tsao, D. Y. Saccade modulation by optical and electrical stimulation in the macaque frontal eye field. Journal of Neuroscience. 33 (42), 16684-16697 (2013).
- Gerits, A., et al. Optogenetically induced behavioral and functional network changes in primates. Current Biology. 22 (18), 1722-1726 (2012).
- Jazayeri, M., Lindbloom-Brown, Z., Horwitz, G. D. Saccadic eye movements evoked by optogenetic activation of primate V1. Nature Neuroscience. 15 (10), 1368-1370 (2012).
- Dai, J., Brooks, D. I., Sheinberg, D. L. Optogenetic and electrical microstimulation systematically bias visuospatial choice in primates. Current Biology. 24 (1), 63-69 (2014).
- Afraz, A., Boyden, E. S., DiCarlo, J. J. Optogenetic and pharmacological suppression of spatial clusters of face neurons reveal their causal role in face gender discrimination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (21), 6730-6735 (2015).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biology. 16 (8), e2005839 (2018).
- Bankiewicz, K. S., et al. Convection-enhanced delivery of AAV vector in parkinsonian monkeys; in vivo detection of gene expression and restoration of dopaminergic function using pro-drug approach. Experimental Neurology. 164 (1), 2-14 (2000).
- Kells, A. P., et al. Efficient gene therapy-based method for the delivery of therapeutics to primate cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (7), 2407-2411 (2009).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in non-human primates. Elife. 7, (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Lerchner, W., Corgiat, B., Der Minassian, V., Saunders, R. C., Richmond, B. J. Injection parameters and virus dependent choice of promoters to improve neuron targeting in the nonhuman primate brain. Gene Therapy. 21 (3), 233-241 (2014).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), (2016).
- Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- Lieberman, D. M., Laske, D. W., Morrison, P. F., Bankiewicz, K. S., Oldfield, E. H. Convection-enhanced distribution of large molecules in gray matter during interstitial drug infusion. Journal of Neurosurgery. 82 (6), 1021-1029 (1995).
- Lonser, R. R., Gogate, N., Morrison, P. F., Wood, J. D., Oldfield, E. H. Direct convective delivery of macromolecules to the spinal cord. Journal of Neurosurgery. 89 (4), 616-622 (1998).
- Szerlip, N. J., et al. Real-time imaging of convection-enhanced delivery of viruses and virus-sized particles. Journal of Neurosurgery. 107 (3), 560-567 (2007).
