Konvektion förbättrad leverans av Optogenetiska Adeno-associerad viral vektor till cortex av Rhesus macaque under ledning av online MRI-bilder
Summary
Här demonstrerar vi magnetisk resonans (MR)-guidad konvektion förbättrad leverans (CED) av virala vektorer i cortex som en effektiv och förenklad metod för att uppnå optogenetiska uttryck över stora kortikala områden i makak hjärnan.
Abstract
I icke-mänskliga primater (NHP) optogenetik, infekterar stora kortikala områden med virala vektorer är ofta en svår och tidskrävande uppgift. Här visar vi användningen av magnetisk resonans (MR)-guidad konvektion förbättrad leverans (CED) av optogenetiska virala vektorer i primär somatosensorisk (S1) och motor (M1) cortices av makaker för att få effektiva, utbredda kortikala uttryck av ljuskänsliga jonkanaler. Adeno-Associated viral (AAV) vektorer kodning den rödskiftade opsin C1V1 smält till gult fluorescerande protein (EYFP) injicerades i cortex av Rhesus makaker under MR-ledda CED. Tre månader efter infusion bekräftade epilys Imaging stora regioner av optogenetiskt uttryck (> 130 mm2) i M1 och S1 i två makaker. Dessutom kunde vi spela in tillförlitlig ljus-framkallade elektrofysiologi svar från att uttrycka områden med mikro-elektrokortikographic arrayer. Senare histologisk analys och immunofärgning mot reportern avslöjade omfattande och täta optogenetiska uttryck i M1 och S1 som motsvarar den fördelning som indikeras av epilys Imaging. Denna teknik gör det möjligt för oss att få uttryck över stora delar av cortex inom en kortare tid med minimal skada jämfört med de traditionella teknikerna och kan vara en optimal metod för optogenetisk viral leverans hos stora djur som NHPs. Denna metod visar stor potential för nätverk-nivå manipulation av neurala kretsar med cell-typ specificitet i djurmodeller evolutionärt nära människor.
Introduction
Optogenetics är ett kraftfullt verktyg som gör det möjligt för manipulation av neurala aktivitet och studiet av nätverksanslutningar i hjärnan. Implementera denna teknik i icke-mänskliga primater (NHPs) har potential att förbättra vår förståelse av storskaliga neurala beräkningar, kognition, och beteende i primater hjärnan. Även om optogenetik har genomförts framgångsrikt i NHPS under de senaste åren1,2,3,4,5,6,7, en utmaning som forskare ansikte uppnår höga uttrycks nivåer över stora hjärnområden hos dessa djur. Här ger vi en effektiv och förenklad metod för att uppnå höga halter av optogenetiska uttryck över stora delar av cortex i makaker. Denna teknik har stor potential att förbättra nuvarande optogenetiska studier hos dessa djur i kombination med State-of-the-art inspelning8,9 och optisk stimulering10 Technologies.
Konvektion förbättrad leverans (CED) är en etablerad metod för leverans av farmakologiska medel och andra stora molekyler, inklusive virala vektorer, till centralanervsystemet11,12,13. Medan konventionella leveransmetoder innebär flera låg volym infusioner fördelas över små regioner i hjärnan, CED kan uppnå bredare och jämnare agentdistribution med färre infusioner. Tryck driven bulk Fluid Flow (konvektion) under infusion möjliggör en mer utbredd och jämnt fördelad transduktion av målvävnaden vid leverans av virala vektorer med CED. I nyare studier, vi visade transduktion och efterföljande optogenetiska uttryck för stora områden av primär motor (M1) och somatosensorisk (S1) cortices9 och thalamus14 med hjälp av magnetisk resonans (Mr)-guidad CED.
Här, vi beskriver användningen av CED att uppnå optogenetiska uttryck över stora kortikala områden med endast ett fåtal kortikala injektioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Här skisserar vi en genomförbar och effektiv teknik för att uppnå storskaliga optogenetiska uttryck i NHP primära somatosensoriska och motoriska cortex av MR-guidad CED. Användningen av MR-Guided CED presenterar betydande fördelar jämfört med traditionella metoder för viral infusion i NHP hjärnan. En sådan fördel är förmågan att uppnå uttryck över stora områden med färre nödvändiga infusioner. Till exempel, med konventionella metoder, multipla injektioner av 1-2 μl av vektor avkastning uttryck i en…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av American Heart Association postdoktorala Fellowship (AY), Defense Advanced forskningsprojekt Agency (DARPA) omorganisation och plasticitet att påskynda skada återhämtning (reparation; N66001-10-C-2010), R01. NS073940, och av UCSF Neuroscience Imaging Center. Detta arbete stöddes också av Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & mänsklig utveckling av National Institutes of Health under tilldelning nummer K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), och Centrum för neuroteknik (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEG-1028725). Vi tackar Camilo Diaz-Botia, Tim Hanson, Viktor Kharazia, Daniel silversmed, Karen J. MacLeod, Juliana Milani, och Blakely Andrews för deras hjälp med experiment och Nan Tian, Jiwei han, Peter Ledochowitsch, Michel Maharbiz, och Toni Haun för teknisk hjälp.
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).
