Отслеживание вирусных нейронов
Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( июнь 2015 г. ) |
Отслеживание вирусных нейронов — это использование вируса для отслеживания нервных путей , обеспечивая самовоспроизводящийся индикатор . Вирусы обладают преимуществом саморепликации перед молекулярными индикаторами, но также могут распространяться слишком быстро и вызывать деградацию нервной ткани. Вирусы, способные инфицировать нервную систему, называемые нейротропными вирусами , распространяются через пространственно близкие группы нейронов через синапсы , что позволяет использовать их при изучении функционально связанных нейронных сетей. [1] [2] [3]
Использование вирусов для маркировки функционально связанных нейронов основано на работах и биоанализе, разработанных Альбертом Сабином . [4] Последующие исследования позволили использовать иммуногистохимические методы для систематической маркировки нейронных связей. [4] На сегодняшний день вирусы используются для изучения множества цепей нервной системы.
Нейрональная картография
[ редактировать ]Отдельные связи нейронов долгое время ускользали от нейроанатомов . [5] Методы трассировки нейронов предлагают беспрецедентный взгляд на морфологию и связность нейронных сетей. В зависимости от используемого индикатора это может быть ограничено одним нейроном или может распространяться транссиноптически на соседние нейроны. После того, как индикатор достаточно распространился, его степень можно измерить либо с помощью флуоресценции (для красителей), либо с помощью иммуногистохимии (для биологических индикаторов).Важным нововведением в этой области является использование нейротропных вирусов в качестве индикаторов. Они не только распространяются по первоначальному месту заражения, но и могут проникать через синапсы . [ нужна ссылка ]
Жизненный цикл вируса
[ редактировать ]Жизненный цикл вирусов, например тех, которые используются для отслеживания нейронов, отличается от жизненного цикла клеточных организмов . Вирусы являются паразитическими по своей природе и не могут размножаться самостоятельно. Следовательно, им приходится заражать другой организм и эффективно захватывать клеточные механизмы, чтобы завершить свой жизненный цикл.
Первая стадия жизненного цикла вируса называется проникновением вируса . Это определяет способ, которым вирус заражает новую клетку-хозяина. В природе нейротропные вирусы обычно передаются через укусы или царапины, как в случае с вирусом бешенства или некоторыми штаммами вирусов герпеса . В исследованиях по отслеживанию этот этап происходит искусственно, обычно с помощью шприца. Следующий этап жизненного цикла вируса называется репликацией вируса . На этом этапе вирус берет на себя управление механизмами клетки-хозяина, заставляя клетку создавать больше вирусных белков и собирать больше вирусов.
Как только клетка продуцирует достаточное количество вирусов, вирус вступает в стадию выделения вируса . На этом этапе вирусы покидают исходную клетку-хозяина в поисках нового хозяина. В случае нейротропных вирусов эта передача обычно происходит в синапсе . Вирусы могут перепрыгивать относительно короткое пространство от одного нейрона к другому. Именно эта особенность делает вирусы такими полезными в исследованиях с помощью индикаторов. [ нужна ссылка ]
Как только вирус попадает в следующую клетку, цикл начинается заново. Исходная клетка-хозяин начинает деградировать после стадии отторжения. Именно по этой причине в исследованиях трассеров необходимо строго контролировать время. Если вирусу позволить распространиться слишком далеко, исходная микросхема, представляющая интерес, деградирует, и никакая полезная информация не может быть получена. Обычно вирусы могут заразить лишь небольшое количество организмов, и даже тогда только определенный тип клеток в организме. Специфичность конкретного вируса к конкретной ткани известна как его тропизм . В исследованиях с помощью индикаторов все вирусы являются нейротропными (способными инфицировать нейроны). [6]
Методы
[ редактировать ]Инфекция
[ редактировать ]Вирусный индикатор может быть введен в периферические органы, такие как мышца или железа . [7] Некоторые вирусы, такие как аденоассоциированный вирус , могут проникать в кровоток и преодолевать гематоэнцефалический барьер , инфицируя мозг. [8] Его также можно ввести в ганглий или ввести непосредственно в мозг с помощью стереотаксического устройства . Эти методы предлагают уникальное понимание того, как связаны мозг и его периферия.
Вирусы проникают в нейрональную ткань разными способами. Существует два основных метода введения индикаторов в ткани-мишени.
- Инъекция под давлением требует введения индикатора в жидкой форме непосредственно в клетку. Это самый распространенный метод.
- Ионофорез предполагает подачу тока на раствор индикатора внутри электрода. Молекулы-индикаторы приобретают заряд и попадают в клетку посредством электрического поля. Это полезный метод, если вы хотите пометить ячейку после выполнения техники патч-зажима . [9]
Как только индикатор попадает в клетку, вступают в силу вышеупомянутые механизмы транспорта. Затем вирус начинает заражать локальные клетки, как только попадает в нервную систему. Вирусы функционируют путем включения собственного генетического материала в геном инфицированных клеток. [10] Клетка-хозяин затем будет производить белки, кодируемые этим геном. Исследователи могут включать в инфицированные нейроны многочисленные гены, в том числе флуоресцентные белки, используемые для визуализации. [10] Дальнейшие достижения в отслеживании нейронов позволяют целенаправленно экспрессировать флуоресцентные белки в определенных типах клеток. [10]
Гистология и визуализация
[ редактировать ]Как только вирус распространился в желаемой степени, мозг разрезают и монтируют на предметные стекла. Затем флуоресцентными антителами , специфичными для вируса, или флуоресцентными комплементарными ДНК- срезы промывают зондами для вирусной ДНК и визуализируют под флуоресцентным микроскопом . [9]
Направление передачи
[ редактировать ]Передача вируса основана на механизме аксоплазматического транспорта . Внутри аксона находятся длинные тонкие белковые комплексы, называемые микротрубочками . Они действуют как цитоскелет, помогая клетке сохранять свою форму. Они также могут действовать как магистрали внутри аксона и облегчать транспортировку наполненных везикул нейротрансмиттерами и ферментов туда и обратно между телом клетки, или сомой , и окончанием аксона, или синапсом .
Вирусы могут транспортироваться в одном из двух направлений: антероградном (от сомы к синапсу) или ретроградном (от синапса к соме). Нейроны естественным образом транспортируют белки , нейротрансмиттеры и другие макромолекулы по этим клеточным путям. Нейрональные индикаторы, включая вирусы, используют эти транспортные механизмы для распределения индикатора по клетке. Исследователи могут использовать это для изучения синаптических схем.
Антероградный транспорт
[ редактировать ]Антероградное отслеживание — это использование индикатора, который перемещается от сомы к синапсу. Антероградный транспорт использует белок кинезин для перемещения вирусов по аксону в антероградном направлении. [9]
Ретроградный транспорт
[ редактировать ]Ретроградное отслеживание — это использование индикатора, который перемещается от синапса к соме. Ретроградный транспорт использует белок динеин для перемещения вирусов по аксону в ретроградном направлении. [9] [11] Важно отметить, что разные трассеры проявляют характерное сродство к динеину и кинезину и поэтому будут распространяться с разной скоростью.
Двойной транспорт
[ редактировать ]Иногда желательно проследить нейроны вверх и вниз по течению, чтобы определить как входы, так и выходы нейронных цепей. При этом используется комбинация вышеперечисленных механизмов. [12]
Преимущества и недостатки
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]Одним из преимуществ использования вирусных индикаторов является способность вируса перемещаться через синапсы. Это позволяет отслеживать микросхемы, а также проводить проекционные исследования. Немногие молекулярные индикаторы способны на это, и те, которые обычно могут иметь уменьшенный сигнал во вторичных нейронах, что приводит к другому преимуществу вирусного отслеживания — вирусы могут самовоспроизводиться. Как только вторичный нейрон заражается, вирус начинает размножаться и размножаться. Потери сигнала при распространении трассера через мозг не происходит. [6]
Недостатки
[ редактировать ]По мере распространения вирусов по нервной системе вирусные индикаторы заражают нейроны и в конечном итоге разрушают их. Таким образом, время проведения исследований с помощью индикаторов должно быть точным, чтобы обеспечить адекватное распространение до того, как произойдет гибель нейронов, что нанесет крупномасштабный вред организму. [13]
Было трудно найти вирусы, идеально подходящие для этой задачи. Вирус, используемый для отслеживания, в идеале должен быть слегка заразным, чтобы дать хорошие результаты, но не смертельным, поскольку он слишком быстро разрушает нервную ткань или представляет ненужный риск для тех, кто подвергается воздействию.
Еще одним недостатком является то, что отслеживание вирусных нейронов в настоящее время требует дополнительного этапа прикрепления флуоресцентных антител к вирусам для визуализации пути. Напротив, большинство молекулярных индикаторов ярко окрашены и их можно увидеть невооруженным глазом без дополнительных модификаций.
Текущее использование
[ редактировать ]Отслеживание вирусов в основном используется для отслеживания нейронных цепей. Исследователи используют один из ранее упомянутых вирусов для изучения того, как нейроны мозга связаны друг с другом, с очень высокой степенью детализации. [14] Связь во многом определяет, как функционирует мозг. Вирусы использовались для изучения ганглиозных цепей сетчатки. [15] корковые цепи, [16] и спинномозговые цепи, среди прочего.
Используемые вирусы
[ редактировать ]Ниже приводится список вирусов, которые в настоящее время используются для отслеживания нейронов.
- Вирус простого герпеса ( Herpesviridae ) – антероградный. семейство [17] [18]
- Вирус псевдобешенства PRV ( семейство Herpesviridae ) – ретроградный транссинаптический. [19] и антероградный [20]
- Вирус бешенства ( семейство Rhabdoviridae ) – ретроградный транссинаптический. [14] [21] [22]
- Вирус везикулярного стоматита ( семейство Rhabdoviridae ) – антероградный. [23] [24]
- Вирус Синдбис ( семейство Togaviridae ) – антероградный с небольшим количеством ретроградный. [25]
- Аденоассоциированный вирус AAV ( семейство Parvoviridae ) – антероградный. [26]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Уголини, Габриэлла (2010). «Достижения в области вирусного транснейронального отслеживания». Журнал методов нейробиологии . 194 (1): 2–20. doi : 10.1016/j.jneumeth.2009.12.001 . ПМИД 20004688 . S2CID 43490041 .
- ^ Коюнджу, Оркиде О.; Хог, Ян Б.; Энквист, Линн В. (2013). «Вирусные инфекции нервной системы» . Клетка-хозяин и микроб . 13 (4): 379–393. дои : 10.1016/j.chom.2013.03.010 . ПМЦ 3647473 . ПМИД 23601101 .
- ^ Ладлоу, Мартин; Кортекаас, Йерун; Херден, Кристиана; Хоффманн, Бернд; Таппе, Деннис; Требст, Коринна; Гриффин, Дайан Э.; Бриндл, Ханна Э.; Соломон, Том; Браун, Алан С.; ван Риель, Дебби; Уолтерс, Катя С.; Пайкрт, Дася; Вольсейн, Питер; Мартина, Байрон Э.Э. (2016). «Нейротропные вирусные инфекции как причина немедленной и отсроченной невропатологии» . Акта Нейропатологика . 131 (2): 159–184. дои : 10.1007/s00401-015-1511-3 . ISSN 0001-6322 . ПМЦ 4713712 . ПМИД 26659576 .
- ^ Jump up to: а б Сэмс, Дж. М.; Янсен, А.С.; Меттенляйтер, TC; Лоуи, AD (31 июля 1995 г.). «Мутанты вируса псевдобешенства как транснейрональные маркеры». Исследования мозга . 687 (1–2): 182–190. дои : 10.1016/0006-8993(95)00484-8 . ISSN 0006-8993 . ПМИД 7583303 . S2CID 21516719 .
- ^ Перкель, Джеффри М. (18 января 2013 г.). «ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ: Это ваш мозг: картирование коннектома» . Наука . 339 (6117): 350–352. Бибкод : 2013Sci...339..350P . дои : 10.1126/science.339.6117.350 . ISSN 0036-8075 .
- ^ Jump up to: а б Джинджер, Мелани; Бони, Гийом; Хаберль, Матиас; Фрик, Андреас (28 октября 2014 г.). Биология и патогенез рабдо- и филовирусов . МИРОВАЯ НАУЧНАЯ. стр. 263–287. дои : 10.1142/9789814635349_0011 . ISBN 9789814635332 .
- ^ Уголини Дж. (1995). «Специфика вируса бешенства как транснейронального индикатора двигательных сетей: передача от подъязычных мотонейронов к связанным группам клеток центральной нервной системы второго и более высокого порядка. [Поддержка исследований, правительство за пределами США]». Джей Комп Нейрол . 356 (3): 457–480. дои : 10.1002/cne.903560312 . ПМИД 7642806 . S2CID 519638 .
- ^ «Инъекция отправляет «генетический груз» нейронам по всему телу – Будущее» . Будущее . 29 июня 2017 г. Проверено 1 апреля 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с д Озтас Э (2003). «Нейронное отслеживание». Нейроанатомия . 2 : 2–5.
- ^ Jump up to: а б с Каллауэй, Эдвард М. (2008). «Трассировка транснейрональных цепей с помощью нейротропных вирусов» . Современное мнение в нейробиологии . 18 (6): 617–623. дои : 10.1016/j.conb.2009.03.007 . ПМЦ 2698966 . ПМИД 19349161 .
- ^ Уикершам, ИК; Финке С.; Конзельманн К.К.; Каллауэй Э.М. (2007). «Ретроградное отслеживание нейронов с помощью вируса бешенства с делеционной мутацией. [Исследовательская поддержка, НИЗ, поддержка заочных исследований, правительство за пределами США]» . Нат-методы . 4 (1): 47–49. дои : 10.1038/nmeth999 . ПМЦ 2755236 . ПМИД 17179932 .
- ^ Лопес ИП; Салин П.; Качидян П.; Баррозо-Кинеа П.; Рико Эй Джей; Гомес-Баутиста В.; Лансьего Дж.Л. (2010). «Дополнительная ценность вируса бешенства в качестве ретроградного индикатора в сочетании с двойным антеградным отслеживанием путей. [Исследовательская поддержка, правительство за пределами США]». J Неврологические методы . 194 (1): 21–27. doi : 10.1016/j.jneumeth.2010.01.015 . ПМИД 20096304 . S2CID 214343 .
- ^ Ши, XW (2022 г.). «Новый антероградный транссинаптический индикатор на основе вируса Синдбис» . Исследование регенерации нейронов . 17 (12): 2761–2764. дои : 10.4103/1673-5374.339495 . ПМЦ 9165366 . ПМИД 35662226 .
- ^ Jump up to: а б Джинджер М.; Хаберл М.; Конзельманн К.-К.; Шварц М.; Фрик А. (2013). «Раскрытие секретов нейронных цепей с помощью технологии рекомбинантного вируса бешенства. [Исследовательская поддержка, Обзор правительства за пределами США]» . Передний. Нейронные цепи . 7 :2. дои : 10.3389/fncir.2013.00002 . ПМЦ 3553424 . ПМИД 23355811 .
- ^ Вайни Ти Джей; Балинт К.; Хиллер Д.; Зигерт С.; Болдогкой З.; Энквист Л.В.; Роська Б. (2007). «Локальные цепи сетчатки меланопсин-содержащих ганглиозных клеток, идентифицированные с помощью транссинаптического вирусного отслеживания. [Исследовательская поддержка, поддержка исследований правительства за пределами США, правительство США, не-PHS]» . Курр Биол . 17 (11): 981–988. дои : 10.1016/j.cub.2007.04.058 . ПМИД 17524644 . S2CID 2388142 .
- ^ Уголини Дж. (2011). «Вирус бешенства как транснейрональный индикатор нейронных связей. [Поддержка исследований, обзор правительства за пределами США]». Adv вирус Res . 79 : 165–202. дои : 10.1016/B978-0-12-387040-7.00010-X . ПМИД 21601048 .
- ^ Макговерн А.Е., Дэвис-Пойнтер Н., Ракоци Дж., Фиппс С., Симмонс Д.Г., Маццоне С.Б.; Дэвис-Пойнтер; Ракоци; Фиппс; Симмонс; Маццоне (30 июля 2012 г.). «Отслеживание антероградных нейрональных цепей с использованием генетически модифицированного вируса простого герпеса, экспрессирующего EGFP». J Неврологические методы . 209 (1): 158–67. doi : 10.1016/j.jneumeth.2012.05.035 . ПМИД 22687938 . S2CID 20370171 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Норгрен, РБ-младший и Леман, Миннесота; Леман (1998). «Вирус простого герпеса как транснейрональный индикатор. [Обзор]». Neurosci Biobehav Rev. 22 (6): 695–708. дои : 10.1016/s0149-7634(98)00008-6 . ПМИД 9809305 . S2CID 40884240 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Коюнджу О.О., Перлман Д.Х., Энквист Л.В.; Перлман; Энквист (16 января 2013 г.). «Эффективный ретроградный транспорт вируса псевдобешенства внутри нейронов требует локального синтеза белка в аксонах» . Микроб-хозяин клетки . 13 (1): 54–66. дои : 10.1016/j.chom.2012.10.021 . ПМЦ 3552305 . ПМИД 23332155 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Крачмаров Р., Тейлор М.П., Энквист Л.В.; Тейлор; Энквист (2013). «Роль фосфорилирования us9 в аксональной сортировке и антероградном транспорте вируса псевдобешенства» . ПЛОС ОДИН . 8 (3): e58776. Бибкод : 2013PLoSO...858776K . дои : 10.1371/journal.pone.0058776 . ПМЦ 3602541 . ПМИД 23527020 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Келли, RM, и Стрик, PL; Стрик (2000). «Бешенство как транснейрональный индикатор цепей в центральной нервной системе. [Поддержка исследований, правительство США, поддержка исследований, не связанных с PHS, правительство США, обзор PHS]». J Неврологические методы . 103 (1): 63–71. дои : 10.1016/S0165-0270(00)00296-X . ПМИД 11074096 . S2CID 17492937 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Уголини, Г. (2008). «Использование вируса бешенства в качестве транснейронального индикатора нейрональных связей: значение для понимания патогенеза бешенства. [Исследовательская поддержка, Обзор правительства за пределами США]». Дев Биол (Базель) . 131 : 493–506. ПМИД 18634512 .
- ^ Бейер КТ; Сондерс А.; Ольденбург, Айова; Миямичи К.; Ахтар Н.; Ло Л.; Веланг СПДж; Сабатини Б; Чепко К.Л. (2011). «Антероградное или ретроградное транссинаптическое мечение нейронов ЦНС векторами вируса везикулярного стоматита» . Proc Natl Acad Sci США . 108 (37): 15414–15419. дои : 10.1073/pnas.1110854108 . ПМК 3174680 . ПМИД 21825165 .
- ^ Бейер К.Т., Сондерс А.Б., Ольденбург И.А., Сабатини Б.Л., Чепко К.Л.; Сондерс; Ольденбург; Сабатини; Чепко (2013). «Вирус везикулярного стоматита с гликопротеином вируса бешенства направляет ретроградный транссинаптический транспорт между нейронами in vivo» . Границы в нейронных цепях . 7 (11): 1–13. дои : 10.3389/fncir.2013.00011 . ПМК 3566411 . ПМИД 23403489 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бейер К.Т., Сондерс А.Б., Ольденбург И.А., Сабатини Б.Л., Чепко К.Л.; Томиока; Таки; Накамура; Тамамаки; Канеко (2001). «Трансдукция центральных нейронов in vivo с использованием рекомбинантного вируса Синдбис: маркировка дендритов и аксонов по принципу Гольджи мембрано-ориентированными флуоресцентными белками» . Журнал гистохимии и цитохимии . 49 (12): 1497–1507. дои : 10.1177/002215540104901203 . ПМИД 11724897 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Чемберлен Н.Л., Дю Б., де Лакаль С., Сапер CB; Ду; Де Лакаль; Сапер (18 мая 1998 г.). «Рекомбинантный аденоассоциированный вирусный вектор: использование для экспрессии трансгена и отслеживания антероградного тракта в ЦНС» . Мозговой Рес . 793 (1–2): 169–75. дои : 10.1016/s0006-8993(98)00169-3 . ПМК 4961038 . ПМИД 9630611 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )