焦点放射線阻害と大人の視床下部ニューロン新生の機能的な尋問

Summary

アダルト生まれの哺乳動物の神経細胞の機能は、調査のアクティブエリアのまま。電離放射線は、新たな神経細胞の誕生を阻害する。コンピュータ断層撮影誘導焦点照射（CFIR）を用いて、特定の神経前駆細胞集団の三次元解剖学的ターゲティングは現在、成体神経新生の機能的役割を評価するために使用することができる。

Abstract

アダルト生まれのニューロンの機能解析は重要な課題である。浸潤性ウイルス送達またはトランスジェニック動物を介した大人の神経新生を阻害するアプローチは、これらの研究から、難しい結果の解釈をする可能性のある交絡を持っています。新しい放射線のツールは、1が非侵襲的に小動物での正確かつ精密な解剖学的ターゲティングを通して、成人生まれのニューロンの選択のグループの機能を調べるために可能にする、しかし、浮上している。焦点電離放射線は、新しいニューロンの誕生および分化を阻害し、特定の神経前駆領域の標的化を可能にする。大人の視床下部ニューロン新生が生理的プロセスの調節に果たしている可能性のある機能的役割を照明するために、我々は選択的に視床下部正中隆起における成人生まれのニューロンの誕生を阻害する非侵襲的な焦点照射技術を開発しました。我々は、Cの omputer方法を説明断層誘導小動物ターゲティング精密かつ正確な解剖学的を有効にするには、F OCAL IR放射線（CFIR）配達。 CFIRローカリゼーションのための三次元ボリューム画像ガイダンスを使用し、放射線量の標的、非標的脳領域への放射線被曝を最小限に抑え、シャープなビーム境界のコンフォーマルな線量分布を可能にする。このプロトコルは、1が大人生まれのニューロンの機能に関する質問をすることを可能にするだけでなく、放射線生物学、腫瘍生物学、免疫学の分野での質問にエリアをオープンします。これらの放射線のツールは、ベッドサイドにベンチでの発見の翻訳を促進します。

Introduction

最近の発見は、成体哺乳類の脳の可塑性の顕著度を受けることができることを実証した。アダルト生まれのニューロンは、哺乳類の脳¹の専門のニッチで成人期を通じて生成されます。これらのアダルト生まれのニューロンの機能は何ですか？そしてより多くのように、彼らは生理学および行動の役割を果たしているのですか？このトピックに関する研究は、伝統的に側脳室および海馬の下帯の脳室下帯に焦点を当てているが、最近の研究では、このような哺乳動物の視床下部²などの他の脳領域で神経新生を特徴としている。神経発生は、出生後および成体視床下部^2-10に報告されており、これらの新生児の視床下部ニューロンの機能は、調査の活性領域のままである。

アダルト生まれのニューロンの機能的特徴は、一般的な神経科学分野のための重要な課題である。スペックの選択的阻害IFIC神経前駆細胞集団の単一の神経前駆細胞集団¹¹に固有の利用可能な分子マーカーの不足によって制限されたままである。このように、遺伝的標的を経由して、これらの神経前駆細胞からアダルト生まれのニューロンの選択的削除が困難なまま。同様に、成人生まれのニューロンを標的とするウイルス送達は、このような環境¹²への傷害や炎症を導入するなどの潜在的な交絡変数の影響を受けている。

新しい放射線のツールは、1がこれら交絡を回避し、小型の動物での正確かつ精密な解剖学的な標的を介してこれらの質問を調査できるようにするということが、浮上している。電離放射線は、新しい神経細胞の誕生と分化を阻害し、神経前駆細胞集団^13〜15を対象とする非侵襲的な方法を可能にする。最近、我々は^（HPZ）2視床下部増殖ゾーンと呼ばれる哺乳類の視床下部正中隆起（ME）の胚領域に記載され</suP>。私たちは、若い成体雌マウスに高脂肪食（HFD）を与えられたとき、HFDを与えたマウスでは神経新生のレベルは、このME地域²で供給を制御し、それらの通常の固形飼料（NC）よりも実質的に高いことがわかった。視床私の中の大人の神経新生が代謝と体重を調節するかどうかテストするために、我々はこのプロセスを混乱させるように努めた。正中隆起は、規制のホルモンが放出されるから、第三脳室の底部にある小さな一方的な構造です。この脳領域の他の生理機能を変えることなく、増殖およびその後の神経新生を阻害するために、我々は、選択的に、視床下部正中隆起²で新たに生まれた成体ニューロンの誕生を阻害するための非侵襲焦点照射技術を開発した。

グループの数は、標準領域^14-28における神経発生を抑制するための放射線を用いている。しかし、以前の放射線のアプローチは、一般的に広い領域を対象とするか、ofteているN無意識にも困難を明確に特定の神経前駆細胞集団の欠陥で観察あらゆる行動の欠陥を関連付けすること、神経発生が報告されている複数の脳領域を対象とした。よりターゲットを絞った照射のための機能が^29-36を対象と^した 、正確な解剖学的を有効にするには、F OCALビーム赤外放射（CFIR）配信を持つC omputer断層撮影ガイド下イメージングを組み合わせた放射線のプラットフォームで提供されています。直径0.5mmと小さい放射線ビームは、特定の神経前駆細胞集団^35を標的とするために利用可能である。この方法論は、私たちは、視床下部MEを対象と増殖を阻止し、小型の動物で神経新生をブロックすることができます。これらの前駆細胞集団上で放射線治療後の、生理学的および行動試験は、成人生まれ細胞のポテンシャル関数を照明するために行うことができる。焦点ターゲティングは、以来、我々のアプリケーションのために特に重要です下垂体は、視床下部正中隆起の近くに位置しています。下垂体の照射は、ホルモンの機能に影響を与え、その後、結果を混乱させることがあります。

照射後の神経新生を抑制するための生物学的基礎は依然として不明のままである。以前の放射線の研究は、大面積のビームに頼っており、神経新生の抑制は、炎症反応^14、37を介して媒介されると結論している。このように、それは相当な炎症応答を誘発しないため、非常に焦点照射は、神経新生を抑制することができるかどうかは不明である。しかし、海馬における古典的な神経形成領域の私たちのグループによる最近の研究では、10 Gyでの線量の高い焦点照射は、照射³⁵後少なくとも4週間は神経発生を抑制できることを実証した。

正中隆起の成人生まれの視床下部ニューロンの機能を調べるために、我々は、高精度放射線dを使用するMEの神経新生を阻害するために小径の放射線ビームと組み合わせてCT撮影を送達することができるevice。 360度の範囲にわたって回転するガントリに取り付けX線管を使用して、我々は、放射線治療中の動物被験体の回転を可能にするロボット制御試料台（ 図1）を用いてアークビームマイクロ照射ビームを送達。高分解能X線検出器は、ガントリ³³が水平位置にあるときに画像を取得するために使用される。この研究では、CT画像を0.20ミリメートルの等方性ボクセルサイズで再構成した。動物が治療位置にある間、オンボードCTイメージングは​​、標的の同定を可能にした。ターゲットは、当社の市販の放射線プラットフォームに含まれていた、CTナビゲーション用量計画ソフトウェアを使用して、ローカライズされた。 CTイメージングにより、当社のROIをローカライズした後、動物を4度を持つロボット試料ステージによって適切な治療位置に移動した自由リース（X、Y、Z、θ）。ガントリーロボットステージ角度の組み合わせにより、ビームは、動物に対して、ほぼすべての方向から送達することができ、定位円弧状の治療が可能である^29。これらおよび他のすべてのイメージング研究のために、マウスの動きを制限しながら、イソフルラン麻酔ガスを送達することを可能にする固定装置内に配置した。固定床は、CT互換性があり、かつ、ロボット試料ステージ³⁴に接続します。

私たちは、CFIRは、研究領域の数の概念的な進歩を提供することを期待しています。我々はこの技術の原理の証明として、視床下部正中隆起の放射線ターゲティングを使用していますが、CFIRは原則的に任意の小さなモデル生物の体の任意の領域を標的とするために使用することができます。神経科学において、例えば、我々は、この技術がexisに提案されている能動的に増殖前駆細胞集団の機能を評価するために使用することができる思い描くこのような最後野^38、39、脳弓下器官^40、および下垂体⁴¹などの他の室周囲の臓器、中のT。大人の神経新生の機能的役割について、そして行動の因果的役割を特定する長年の論争にも今より良い対処することができる。小鳥では、この技術は、選択的、特定の脳領域において神経新生を阻害する能力によって妨げられてきた鳥の鳴き声⁴²の堅牢で季節の動作を維持するのに大人の神経新生の役割に取り組むかもしれません。この堅牢なビヘイビア·モデルを理解することは、他の性的二型行動を調節する神経新生の役割に新たな洞察を当てることがあります。代わりに、代謝分野において、CFIRは、肝細胞増殖の役割と代謝とエネルギーバランスにおけるその役割の側面を探求するために使用される可能性があります。複数の研究分野の概念を予めための可能性は、この技術を導入することによって増強される。

<p class本論文では= "jove_content">、我々は焦点照​​射ビームを標的精密解剖学のためのCFIRの能力を示しています。我々は当初、我々の研究のために、この小動物放射線研究プラットフォーム（SARRP）を開発したが、他の同様の装置は、同様のCTガイド下焦点照射^43、44を達成することができるようになりました、市販されている。したがって、我々はすべての研究のプラットフォームではなく、SARRPに特異的なもののために必要な手順でこのCFIRプロトコルを一般化する。神経新生を阻害するための以前の放射線学的アプローチよりCFIRの利点は、この技術は局在化のための三次元ボリューム画像ガイダンスを可能にし、投与量の標的化、コンフォーマルな線量が非標的脳領域への曝露を最小限に抑え、高精度なビーム形状を有するコンフォーマルな線量分布を可能にすることである鋭いビームの境界。我々は、特定の解剖学的領域であり、そうする際に用量を標的とするためにCTガイド下イメージングを使用する方法を概説し、放射線を可視化する方法組織中に直接線量分布γ-H2AX、DNA二本鎖切断の³⁵マーカーについての免疫組織化学的染色を使用して^{、45〜48。}神経性のニッチを選択的に照射するためのこのアプローチの使用は、生理学および疾患に対する新たな大人の生まれのニューロンの機能的役割を明らかにすることの重要な意味があるかもしれません。

Protocol

動物に使用標準ケアと使用するプロトコルのための制度的動物実験委員会の認可を受けなければならない。現在のプロトコルは、前述したように、5.5から10週齢の大人のC57BL6 / Jマウスに焦点照射研究のために開発された（ 図2）2。しかし、他の年齢や小さな動物種（ラット、ハムスター、ジリスなど ） を用いることもできるが、有効な麻…

Representative Results

CTガイド下標的化および精度を評価システムの機械的校正は、様々な角度からのビームすべてが一点で交差することを確保するために重要です。較正は、エンドツーエンドの位置合わせ精度が0.2mm 29であることが測定された半自動イメージングに基づく方法を用いて達成した。視床下部正中隆起構造体の体積が2小さいので、この精度は非常に重要です。こ?…

Discussion

CTガイド下焦点照射（CFIR）は^、CT-32のガイダンス^を使用してロボットに制御されている小動物のターゲットに放射線場を提供することができる新規および完全なシステム·アプローチである。小動物モデルに非常に集束ビームを提供するCFIRの能力は実験室での研究と臨床の翻訳を埋めるために新たな研究の機会を提供します。本稿では、特に、視床下部の神経前駆細胞集団を…

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments
SARRP research platform	Xstrahl	RS225A	http://www.xstrahl.com/xstrahlrs225.htm
SARRP irradiation bunker	Xstrahl		Optional, but radiation exposure should be contained with alternative lead shielding
GAF chromic film	IPS	GAFchromic ETB2
Mouse phantom	Gammex	457	Purchase 0.5 cm x 30 cm x 30 cm solid water slabs from Gammex and cut to desired size.
Mouse anti-phospho-histone H2AX Ser139 antibody	Millipore, Inc.	05-636	clone JBW301
High-fat rodent diet	Research Diets	D12492i	60% of the calories as fat, food should be irradiated
Isoflurane	Baxter Healthcare Corporation	10019-360-40
0.01 M Sodium citrate	Fisher Scientific		1.471 g of sodium citrate dissolved in 500 ml deionized water
Superfrost Plus slides	Fisher Scientific	12-550-15
DAPI	Fisher Scientific		nuclear counterstain
Mounting medium	Fisher Scientific		Vectashield or Gelvatol is preferred