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母体感染是神经发育障碍的危险因素。母体免疫激活(MIA)小鼠模型可以阐明感染对大脑发育和功能的影响。在这里,提供了一般指南和程序,以产生暴露于MIA的可靠弹性和易感后代。
怀孕期间的母体免疫激活(MIA)始终与后代神经发育和神经精神疾病的风险增加有关。MIA的动物模型用于测试因果关系,研究机制,并开发这些疾病的诊断和治疗方法。尽管它们被广泛使用,但许多MIA模型缺乏可重复性,并且几乎都忽略了该风险因素的两个重要方面:(i)许多后代对MIA具有弹性,以及(ii)易感后代可以表现出不同的表型组合。为了提高可重复性并模拟对MIA的易感性和恢复力,雌性小鼠在怀孕前的基线免疫反应性(BIR)用于预测哪些怀孕将导致有弹性的后代或暴露于MIA后具有明确行为和分子异常的后代。本文提供了在妊娠12.5天时通过腹膜内(ip)注射双链RNA(dsRNA)病毒模拟物poly(I:C) 诱导 MIA的详细方法。这种方法在大坝中诱导急性炎症反应,导致小鼠大脑发育的扰动,这些扰动映射到人类精神和神经发育障碍(NDD)中类似受影响的结构域。
流行病学证据将母体感染与精神和NDD的风险增加联系起来,包括精神分裂症(SZ)和自闭症谱系障碍(ASD)1,2,3,4,5,6,7。开发MIA小鼠模型是为了测试MIA在这些疾病的病因中的因果关系和机制作用,以及鉴定分子生物标志物并开发诊断和治疗工具4,6。尽管该模型具有实用性并且越来越受欢迎,但该领域内MIA诱导方案存在相当大的差异,因此难以比较研究之间的结果并重复研究结果8,9。此外,该模型的大多数迭代都没有研究MIA的两个重要翻译方面:(i)许多后代对MIA具有弹性,以及(ii)易感后代可以表现出表型8的不同组合。
为了生成可重复的MIA模型,研究人员应报告至少一个关于大坝中诱导的MIA幅度的定量测量。为了在妊娠期间诱导MIA,我们的实验室进行腹膜内(ip)注射双链RNA病毒模拟聚肌醇:聚胞苷酸[poly(I:C)]。 Poly(I:C)诱导类似于流感病毒的免疫级联反应,因为它被toll样受体3(TLR3)10识别。结果,poly(I:C)激活急性期反应,导致促炎细胞因子8,11,12快速升高。先前的研究表明,由于MIA11,12,13,导致后代的行为异常和神经病理学,包括白细胞介素-6(IL-6)的升高是必要的。因此,在注射聚(I:C)后2.5小时达到峰值期间收集的母体血清中IL-6水平是MIA的一种令人信服的定量测量方法,可用于比较该领域内实验室的结果。
为了生成一个MIA模型,通过单一诱导方案解决弹性和易感性的翻译基本要素8,14,研究人员可以将典型的诱导方法与怀孕前大坝基线免疫反应性(BIR)的特征相结合8。最近,发现处女雌性C57BL / 6小鼠在怀孕前对低剂量暴露于poly(I:C)表现出广泛的IL-6反应8。只有这些雌性中的一个子集继续产生易感的后代,并且仅在BIR和poly(I:C)剂量8的组合所决定的一定程度的免疫激活下。MIA 以倒 U 型诱导表型;当DAM具有中等免疫反应性时,后代表现出最大的行为和分子畸变,并且母体炎症的程度达到但不超过临界范围8。本文提供了一种详细的方法,说明如何可靠地创建具有不同行为表型的弹性和易感后代,这些后代是由于妊娠中期注射poly(I:C)的结果。
所有方案均在加州大学戴维斯分校机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准下进行。
1. 动物制备
2. 聚(I:C)批次测试和准备
3. 基线免疫反应性 (BIR) 检测
注: 图 1 显示了这些步骤的示意图。与妊娠相比,使用不同分子量的poly(I:C)进行BIR测试,以降低对该化合物的适应性免疫反应的可能性。
4.采血尾部出血法
注意:为避免使用潜在的免疫调节镇静剂,请使用尾部出血方法进行采血。
图1.测试处女基线免疫反应和交配的时间表。 命令小鼠在 7 周大时到达并适应设施 1 周。给动物注射5mg / kg的聚(I:C),2.5小时后抽血。让血液凝结过夜,然后在3,768× g,4°C下离心8分钟。收集血清并通过 ELISA 或多重检测 评估 相对 IL-6 水平。在 9 周大时,设置交配对。创建使用 BioRender.com 请点击此处查看此图的大图。
5.基于体重的交配和妊娠E12.5注射方法
注: 图 2 显示了这些步骤的示意图。有两种方法可用于设置配对和确定E12.5时间点。第一种是定时交配,在别处有描述22.基于体重的计算也可用于评估E12.5妊娠23。这种方法的好处是它允许在交配时锁定大坝的年龄,减少免疫反应的变异性。此处使用此过程。
图2.MIA感应。 MIA诱导需要评估妊娠,腹腔注射poly(I:C)和垫料检查,以确保母体炎症的正确时间。通过定时交配或增重法 评估 妊娠日后,在 E12.5 处腹腔注射聚(I:C)。注射后2.5小时收集血液样本以确认免疫激活并确定IL-6激活水平。窝大约在E18.5-E20.5出生。创建使用 BioRender.com 请点击此处查看此图的大图。
6.调查成年MIA和对照后代的行为改变(可选)
并非所有在E12.5暴露于30mg / kg聚(I:C)的动物都会产生具有一致行为异常的后代8,31。尽管 30 mg/kg 和 40 mg/kg 的聚(I:C) 都能可靠地在大坝中产生疾病行为,包括活动水平降低、体温过低和体重减轻,并且还会导致 IL-6 显著升高,但只有一部分暴露于 MIA 的窝产仔会继续在类似于人类精神病学和 NDD 中观察到的领域出现行为异常(图 3A-C)8.较低剂量的20mg / kg聚(I:C)也会诱导疾病行为和体重减轻,但与较高剂量相比,即使IL-6反应远高于注射盐水的水坝,它也不会始终产生足够高的IL-6反应以诱导后代的行为畸变(图3D)8。
图3.不同剂量的聚(I:C)导致大坝效应不同。(A)暴露于20毫克/千克、30毫克/千克或40毫克/千克聚(I:C)的大坝在主观量表上经历了活性降低(单因素方差分析;P < 0.0001)。(B)仅暴露于30 mg / kg聚(I:C)的水坝以低温反应的形式显示出温度的显着改变(单因素方差分析;F3,35 = 4.289,P < 0.05)。(C)30毫克/千克的聚(I:C)和40毫克/千克的聚(I:C)均诱导了显着的体重减轻(单因素方差分析;F7,187 = 26.93,P < 0.0001)和(D)显示IL-6水平升高超过诱导行为改变所需的阈值(单因素方差分析;F3,35 = 25.54,P < 0.0001)。(E)同基因雌性C57BL / 6J动物的基线免疫反应性是高度可变的,将雌性BIR分为低,中和高组,使研究人员能够预测哪些后代最有可能受到MIA的影响。 条形表示 SEM ±平均值。这个数字是从Estes等人8修改而来的。请点击此处查看此图的大图。
出乎意料的是,处女雌性C57BL / 6小鼠在怀孕前对低剂量的poly(I:C)(5mg / kg的poly(I:C))表现出相当不同的基线免疫反应性(BIR),即使它们是同基因的,并且这种变异性与体重无关(图3E,补充图1)8。怀孕前注射 5 mg/kg 聚 (I:C) 的水坝,其 IL-6 反应在中间 50%(中等 BIR 水坝)产生成年雄性后代,P0纹状体组织中的 STAT3、MEF2 和酪氨酸羟化酶蛋白水平改变(图 4C-E)8。暴露于30mg / kg聚(I:C)的中型BIR坝的雄性后代在解离的神经元培养中也表现出突触密度降低,并且主要组织相容性复合物I(MHCI)升高(图4A,B)8。怀孕前注射 5 mg/kg 聚 (I:C) 的水坝,其 IL-6 反应在中间 50%(中等 BIR 水坝)可靠地产生成年雄性后代,当暴露于 E12.5 的 30 mg/kg 聚 (I:C) 时,重复行为升高,探索行为减少(图 5A-F)8。
相反,来自高BIR组的小鼠(在怀孕前暴露于5mg / kg聚(I:C)时IL-6水平在前25%)可靠地产生后代,MIA后没有重复的行为改变。然而,这些高BIR水坝的雄性后代在MIA后确实表现出升高的探索行为(图5D)8。总之,这些结果表明,MIA可以在后代中引起不同的结果,这取决于大坝的BIR8。
图4.中等剂量的poly(I:C)和BIR在MIA模型中导致最大的结果。(A)暴露于妊娠中期母体免疫激活的后代的皮质神经元仅在给予母体免疫激活30mg / kg的聚(I:C)(单向方差分析;F3,19 = 5.156,P < 0.01)。(B)相比之下,所有剂量(20mg / kg,30mg / kg和40mg / kg)导致解离神经元培养物中的突触密度显着降低(单因素方差分析;F3,43 = 11.01,P < 0.0001)。(中欧)P0纹状体蛋白质印迹显示STAT3、MEF2A和TH升高,仅在母亲具有中等BIR并暴露于30mg / kg聚(I:C)的动物中(单因素方差分析;MEF2A: F3,24 = 3.968, P < 0.05;统计3: F3,24 = 6.401, P < 0.01;TH:F3,24 = 3.668,P < 0.05)。条形表示 SEM ±平均值。这个数字是从Estes等人8修改而来的。请点击此处查看此图的大图。
BIR 30 mg/kg中等和高BIR 30 mg/kg组的易感动物不仅可以与对照组进行比较,还可以与有弹性的动物进行比较。注入更高剂量的40 mg / kg聚(I:C)的中等BIR大坝会产生后代,使用迄今为止使用的测定方法确定的行为没有显着改变(图5A-F)8。这表明免疫激活与MIA易感性之间存在倒U关系。
图5.暴露于中等剂量聚(I:C)的水坝的雄性后代表现出最大的行为改变。(A-F)暴露于30 mg/kg聚(I:C)的水坝的雄性后代(嵌套单向方差分析;F3,27 = 8.775;最低价: P = 0.0427;介质:P = 0.0062;高:(P = 0.9568)但不是20毫克/千克或40毫克/千克的聚(I:C)表明重复梳理和探索性饲养行为的改变。此外,30 mg/kg多聚(I:C)治疗组的动物表现出不同形式的易感性,中等BIR母亲的雄性后代表现出增加的重复行为和减少的探索,而高BIR母亲的雄性后代表现出重复行为的改变,但探索行为增加(A,D;嵌套单向方差分析;F3,15 = 9.407, 低: P = 0.4910;介质: P < 0.001;高:P = 0.0117)。暴露于20mg / kg聚(I:C)的后代似乎没有达到改变神经元发育所需的免疫激活阈值,因为它们在测试的行为中没有改变,而暴露于40mg / kg聚(I:C)的后代也大多对其作用具有弹性(B,C,E,F)。条形表示 SEM ±平均值。这个数字是从Estes等人8修改而来的。请点击此处查看此图的大图。
补充图1。基线免疫反应性与动物体重无关。 处女雌性小鼠对怀孕前注射的5mg / kg聚(I:C)表现出大范围的IL-6反应,与体重无关,R2 = 0.0086,P = 0.9。 请点击此处下载此文件。
母体感染会改变人类以及啮齿动物和非人灵长类动物的大脑发育过程4,5,7。在这里,概述了使用poly(I:C)在妊娠中期时间点诱导小鼠MIA的程序。该方法结合了怀孕前对BIR的评估,这增加了可重复性,并提供了机械地研究导致后代对MIA8的弹性和易感性的机制的机会。MIA后,来自中等BIR组的母体(IL-6水平在中间50%)可靠地产生成年后代,重复行为改变,通过免疫细胞化学确定新生后代神经元MHCI水平改变,以及新生后代的纹状体酪氨酸羟化酶,MEF2和STAT3蛋白水平升高,如蛋白质印迹8确定。
使用MIA作为环境模型可以提高转化相关性,因为它符合疾病模型的标准:构建,面部和预测有效性7。但是,与任何环境模型一样,必须非常小心地最小化外部变量。许多因素,如供应商、聚(I:C)批次、注入时间、大坝年龄,甚至笼养系统,都可以改变MIA对后代8,9,39的影响。如前所述,由于 dsRNA 浓度和分子量8,40 的高度可变性,制造商、批次甚至批次内的瓶子之间 poly(I:C) 的效力不一致。由于这种变异性会增加母体免疫应答的异质性,因此实验室确定每个批次的有效剂量以保持可观察表型的最大重现性至关重要。例如,已经注意到暴露于MIA的Charles River小鼠在后代中产生一致的BIR和剂量依赖性表型,来自Taconic的小鼠也可能以类似的方式受到影响,并且在治疗组之间有一些差异8。此外,研究人员必须标准化饲养实践并保留详细记录,以提高模型的可重复性。由Kentner等人撰写的出版物概述了应包含在实验报告中的许多细节,也可以作为研究人员最终确定协议的清单9。
使用来自原始雌性小鼠的相对血清白细胞介素-6(IL-6)水平评估BIR。将这些小鼠分为三组(低,中和高)揭示了可重复的弹性和易感模型8。由于BIR是IL-6相对浓度的问题,因此严格测试高分子量聚(I:C)效力并不重要,因为混合分子量聚(I:C)用于在妊娠期间诱导母体免疫激活。BIR是一种相对较新的衡量标准,可能不会减少所有可变结果。
母马在第一次暴露于妊娠剂量的poly(I:C)期间的免疫反应可能与随后怀孕和暴露期间的反应不同。为此,使用处女可以减少多胎妊娠引起的免疫反应改变可能出现的变异性的可能性。基于体重的怀孕时间点估计方法是必要的,因为小鼠通常不会在交配的前24小时内怀孕。
需要注意的是,此模型存在统计挑战。由于MIA是在大坝中诱导的,因此后代无法随机分配到治疗条件。因此,必须将每个窝视为 n 的 19,41,42,并且应对该窝中的个体进行平均以创建每个数据点。因此,这些数据最合适的统计设计利用嵌套分析8.每组至少需要六窝(BIR x 剂量)才能可靠地检测行为和分子测量的改变。在MIA文献中已经广泛注意到显着的性别差异,因此在分析8,9,43,44中永远不应该合并性别。
BIR是一种相对较新的预测工具,尚未根据机制影响进行定义。BIR是否与特定的妊娠免疫反应有关仍然未知,但是小鼠在怀孕前的IL-6反应并不等同于它们在怀孕期间的反应8。因此,BIR代表了一种相关的预测措施,正在进行更多的研究来确定其起源。
尽管MIA模型固有的可变性,但迄今为止,没有其他神经精神疾病和NDD的环境模型可以提供相同水平的转化相关性。准备和广泛的试点测试对于在MIA模型中产生一致性是必要的,但表型结果的稳健性弥补了这一初始投资。最终,MIA动物模型提供了无与伦比的潜力来研究单一风险因素,该风险因素在后代中产生不同且不同的行为和分子改变簇,类似于在人群中观察到的。
作者没有利益冲突需要披露。
我们感谢Myka Estes博士坚持不懈地解决小鼠MIA模型中的变异性,并感谢Estes等人8的所有贡献者所做的工作 ,这些工作导致了此处描述的方法方案的开发。这里报告的研究得到了NIMH 2P50 MH106438-06(AKM)和NIMH T32MH112507(K.P.)的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.9% NaCl physiological endotoxin free saline | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | Control and vehicle for Poly(I:C) |
35mm petri dish | Thomas Scientific | 1219Z45 | Used to hold oil during tail bleed |
7.5% TGX gels | Bio-rad | 4561084 | Optional |
Ancare Nestlets | Fisher Scientific | NC9365966 | Optional |
anti-β-tubulin | Millipore | MAB3408 | Optional |
Bio-Plex Pro Mouse Cytokine Standards Group I | Bio-rad | 171I50001 | |
Bio-Plex Pro Reagent Kit with Flat Plate | Bio-rad | 171304070M | |
Bovine Serum Albumin | ThermoFisher | 23209 | Optional |
Centrifuge | Eppendorf | 5810R | Optional |
Covidien Monoject 1/2 mL Insulin Syringe with 28G x 1/2 in. Needle | Spectrum | 552-58457-083 | |
Dithiothreitol | Sigma-Aldrich | D9779-10G | Optional |
Environmental enrichment | Bio-serv | K3327 and K3322 | Optional |
Ethovision | Noldus | Ethovision | Optional |
Fluorsecent-tagged seondary ntibodies | Li-cor | 925-32213 and 925-68072 | Optional |
Food-grade edible oil (like olive, canola or grapeseed) | Various vendors | Use to lubricate tail during tail bleeds | |
HBSS | ThermoFisher | 14060040 | Optional |
High molecular weight polyinositic:polycytidilic acid | Invivogen | #tlrl-pic-5 | Used to establish females' BIR |
Humane Mouse Restrainer | AIMS | 1000 | Used to restrain mouse during tail bleeds |
Image Studio Software | Licor | 5.2 | Optional |
Laemmli buffer | Bio-rad | 1610737EDU | Optional |
Luminex200 | ThermoFisher | APX10031 | |
Microvette CB300 300μl Serum capillary tube | Sarstedt | 16.440.100 | |
Mixed molecular weight polyinositic:polycytidilic acid | Sigma-Aldrich | #P0913 | Gestational induction of MIA |
monoclonal anti-MEF2A | AbCam | ab76063 | Optional |
monoclonal anti-STAT3 | Cell signaling | 12640S | Optional |
Observer | Noldus | Observer | Optional |
Odyssey blocking buffer (TBS) | Li-cor | 927-50003 | Optional |
Odyssey CLx imaging system | Li-cor | 9140 | Optional |
Omnipure PBS | Millipore | 65054L | Optional |
Pierce BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher | 23227 | Optional |
polyclonal anti_TH | Pel-Freez | P4101-150 | Optional |
PVDF membrane | Bio-rad | 162-0177 | Optional |
Qsonica Sonicator Q500 | Fisher Scientific | 15-338-282 | Optional |
Quick blood stopper | Petco | 17140 | |
Seal-Rite 1.5 ml microcentrifuge tube, natural non-sterile | USA Scientific | 1615-5500 | |
Soldering stand | Amazon | B08Y12QC73 | Used to hold capillary tube during tail bleeds |
Sunflower seeds | Bio-serv | S5137-1 | Use to increase breeding efficiency |
The Bio-Plex Pro Mouse IL-6 set, | Bio-rad | 171G5007M | |
Tris base | Fisher Scientific | BP152-1 | Optional |
Tween 20 | Bio-rad | 23209 | Optional |
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