Konveksjon Enhanced levering av Optogenetic Adeno-Associated viral Vector til cortex på rhesus macaque under veiledning av online MRI bilder
Summary
Her viser vi magnetisk resonans (MR)-guidet konveksjon forbedret levering (CED) av viral vektorer i cortex som en effektiv og forenklet tilnærming for å oppnå optogenetic uttrykk på tvers av store kortikale områder i macaque hjernen.
Abstract
I ikke-menneskelige primater (NHP) optogenetics, infiserer store kortikale områder med viral vektorer er ofte en vanskelig og tidkrevende oppgave. Her viser vi bruken av magnetisk resonans (MR)-guidet konveksjon forbedret levering (CED) av optogenetic viral vektorer i primær somatosensory (S1) og motor (M1) Barken av aper å få effektiv, utbredt kortikale uttrykk for lysfølsomme ion-kanaler. Adeno-Associated viral (AAV) vektorer koding av rød-forskjøvet opsin C1V1 smeltet til gult fluorescerende protein (EYFP) ble injisert i cortex på rhesus aper under MR-guidet CED. Tre måneders etter infusjon bekreftet epifluorescent Imaging store områder av optogenetic uttrykk (> 130 mm2) i M1 og S1 i to aper. Videre var vi i stand til å spille inn pålitelige lys-fremkalt elektrofysiologi svar fra uttrykker områder ved hjelp av mikro-electrocorticographic arrays. Senere histologiske analyse og immunostaining mot reporteren avdekket utbredt og tett optogenetic uttrykk i M1 og S1 tilsvarende fordelingen indikert av epifluorescent Imaging. Denne teknikken gjør det mulig for oss å få uttrykk på tvers av store områder av cortex i løpet av en kortere periode med minimal skade i forhold til de tradisjonelle teknikkene og kan være en optimal tilnærming for optogenetic viral levering i store dyr som NHPs. Denne tilnærmingen demonstrerer stort potensial for nettverk-nivå manipulering av nevrale kretser med celle-type spesifisitet i dyremodeller evolutionarily nær mennesker.
Introduction
Optogenetics er et kraftig verktøy som gjør det mulig for manipulering av nevrale aktivitet og studiet av nettverkstilkoblinger i hjernen. Implementering av denne teknikken i ikke-menneskelige primater (NHPs) har potensial til å forbedre vår forståelse av storstilt nevrale beregning, kognisjon, og atferd i primater hjernen. Selv om optogenetics har blitt implementert i NHPs de siste årene1,2,3,4,5,6,7, en utfordring som Forskerne står overfor er å oppnå høye nivåer av uttrykk på tvers av store hjerneområder i disse dyrene. Her gir vi en effektiv og forenklet tilnærming for å oppnå høye nivåer av optogenetic uttrykk på tvers av store områder av cortex i aper. Denne teknikken har stort potensial for å forbedre dagens optogenetic studier i disse dyrene i kombinasjon med State-of-the-art innspillingen8,9 og optisk stimulering10 Technologies.
Konveksjon forbedret levering (CED) er en etablert metode for levering av farmakologiske midler og andre store molekyler, inkludert viral vektorer, til sentrale nervesystemet11,12,13. Mens konvensjonelle leveringsmetoder involverer flere infusjoner med lavt volum fordelt på små områder i hjernen, kan CED oppnå bredere og jevnere agent fordeling med færre infusjoner. Trykk drevet bulkvæske strømning (konveksjon) under infusjon gjør det mulig for mer utbredt og jevnt fordelt Transduction av målet vev når levere viral vektorer med CED. I nyere studier, demonstrerte vi Transduction og påfølgende optogenetic uttrykk for store områder av primær motor (M1) og somatosensory (S1) barken9 og thalamus14 ved hjelp av magnetisk resonans (Mr)-guidet CED.
Her skisserer vi bruken av CED for å oppnå optogenetic uttrykk på tvers av store kortikale områder med bare noen få kortikale injeksjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her skisserer vi en gjennomførbar og effektiv teknikk for å oppnå stor skala optogenetic uttrykk i NHP primære somatosensory og motor cortex av MR-guidet CED. Bruken av MR-guidede CED presenterer betydelige fordeler fremfor tradisjonelle metoder for viral infusjon i NHP hjernen. En slik fordel er evnen til å oppnå uttrykk over store områder med færre nødvendige infusjoner. For eksempel, med konvensjonelle metoder, flere injeksjoner av 1-2 μL av vektoren yield uttrykk i en 2-3 mm diameter region<sup class="xref"…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av American Heart Association postdoktor fellesskap (AY), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) omorganisering og plastisitet å akselerere skade utvinning (REPAIR; N66001-10-C-2010), R01. NS073940, og av UCSF nevrovitenskap Imaging Center. Dette arbeidet ble også støttet av Eunice Kennedy skjelve National Institute of Child Health & Human utvikling av National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National primater Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), og Center for Neurotechnology (CNT, en National Science Foundation engineering Research Center under Grant EØF-1028725). Vi takker Camilo Diaz-Botia, Tim Hanson, Viktor Kharazia, Daniel sølvsmed, Karen J. MacLeod, Juliana Milani, og Blakely Andrews for deres hjelp med eksperimenter og Nan Tian, Jiwei he, Peter Ledochowitsch, Michel Maharbiz, og Toni Haun for teknisk hjelp.
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 |
References
- 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).
