脑积水Ccdc13突变小鼠中由视神经头轴浆运输受损引起的进行性视神经病变

Progressive Optic Neuropathy in Hydrocephalic Ccdc13 Mutant Mice Caused by Impaired Axoplasmic Transport at the Optic Nerve Head

作者信息Mingjuan Wu, Xinyi Zhao, Shanzhen Peng, Xiaoyu Zhang, Jiali Ru, Lijing Xie, Tao Wen, Yingchun Su, Shujuan Xu, Dianlei Guo, Jianmin Hu, Haotian Lin, Tiansen Li, Chunqiao Liu
PMID39499510
发布时间2024-11
DOI10.1167/iovs.65.13.5

实验完整度

包含基因敲除模型、组织学、电镜、功能检测及示踪实验,但未直接测量颅内压,部分机制推断需进一步验证。

主要模型

Ccdc13基因敲除小鼠(Ccdc13b/b) 小鼠视网膜及视神经组织 视网膜神经节细胞

重点核对

Ccdc13基因敲除的确认(Southern blot、Western blot) 脑积水表型的评估(侧脑室扩大、生存率) 视神经头形态变化(高度、宽度测量) 轴突超微结构(TEM)和神经丝表达(免疫荧光) 顺行轴突运输(CTB示踪)和RGC功能(pERG)

摘要

目的:视神经头萎缩常与脑积水状况相关。含有脑脊液的脑膜形成终止于视神经头的蛛网膜下腔,对其产生物理影响。本研究旨在表征Ccdc13基因遗传破坏的先天性脑积水小鼠的视神经病变。方法:生成Ccdc13种系敲除小鼠。使用常规组织学和伊文思蓝染色评估脑积水表型和视神经周围的蛛网膜下腔。通过免疫组织化学和透射电子显微镜检查视神经病变。轴突运输由霍乱毒素B亚单位荧光缀合物指示。通过视网膜电图评估视网膜功能,并通过敲入Gfp报告基因揭示Ccdc13表达。结果:Ccdc13突变小鼠出生时即表现脑积水。视神经头移位或负性凹陷以及视神经末端蛛网膜下腔扩大在出生后1个月即发生。眼内压正常。视神经病变首先在视神经头观察到,随后出现视神经病理的从远端到近端的进展,表现为轴突超微结构改变和未磷酸化神经丝重链沉积。顺行轴突运输也受到阻碍。视网膜神经节细胞功能在出生后第21天即受损,同时神经丝重链表达减少。由Ccdc13破坏引起的视神经病变是非细胞自主性的,源于脑积水并伴有推定高颅内压,通过增加跨板层压力梯度对视神经头产生物理影响。结论:我们提供了来自先天性脑积水小鼠模型的视神经病变知识。小鼠脑积水可通过增加跨板层压力梯度和负性凹陷损伤视神经头,导致轴浆运输受损和视网膜神经节细胞病理。我们的发现强调了眼内压和颅内压相互作用在青光眼发展中的重要性。关键词:视神经病变、脑积水、Ccdc13突变小鼠、视神经头。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
先天性脑积水小鼠模型中,视神经病变的病理特征及其是否由跨板层压力梯度改变导致。
核心机制
脑积水导致颅内压升高,通过脑脊液传递至视神经鞘蛛网膜下腔,扩大蛛网膜下腔,引起视神经头位移(负性凹陷),增加跨板层压力梯度,导致轴浆运输受阻,最终引发RGC功能障碍。
主要证据
Ccdc13突变小鼠出生即脑积水,P35起视神经头处轴突肿胀、空泡化,远端至近端进行性神经丝病变,CTB示踪显示顺行轴突运输受损,pERG从P21起振幅下降。
研究意义
该模型为研究脑积水相关视神经病变提供了遗传动物模型,并强调IOP与ICP平衡在青光眼发病中的重要性。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立Ccdc13基因敲除小鼠模型

通过敲除Ccdc13基因建立先天性脑积水小鼠模型,以研究其对视神经的影响。

采用knockout-first策略构建基因陷阱等位基因(Ccdc13a),经Cre重组产生缺失外显子3的null等位基因(Ccdc13b),并引入Gfp报告基因。通过Southern blot和PCR鉴定基因型,Western blot确认蛋白缺失。

2

评估脑积水表型和蛛网膜下腔扩张

确定Ccdc13突变小鼠是否出现脑积水,并检查视神经鞘蛛网膜下腔是否扩张。

通过H&E染色观察侧脑室大小,使用Evans blue染料示踪脑脊液流动,评估视神经蛛网膜下腔面积。

3

检查视神经头形态和轴突超微结构

评估视神经头位移和轴突损伤情况。

利用抗MBP和upNFH抗体免疫荧光染色测量视神经头高度和宽度,通过TEM观察P35和P56轴突超微结构。

4

分析神经丝蛋白表达和分布

检测神经丝蛋白(upNFH、pNFH、Tubb3)在视神经和视网膜中的表达变化。

对P35、P42、P56视神经切片进行免疫荧光染色,对P26视网膜进行Western blot和RT-qPCR检测NFH表达。

5

评估RGC功能和存活

检测RGC功能是否受损,并排除RGC丢失的影响。

进行pERG记录评估RGC功能,使用Rbpms染色计数RGC数量。

6

检测轴突运输

验证轴突运输是否受损,并确定损伤位点。

通过玻璃体腔注射CTB-555,在2周或48小时后观察其在视网膜、视神经、视束和上丘的分布。

7

评估胶质细胞反应

检查星形胶质细胞和小胶质细胞是否激活。

通过GFAP和Iba1免疫荧光检测胶质细胞活化情况。

8

排除视网膜原发损伤

确认视神经病变是非细胞自主性的,排除视网膜自身病变的影响。

进行RNA-seq和Gfp报告基因分析检查Ccdc13在视网膜的表达;测量IOP;进行全视野ERG检测光感受器功能;视网膜特异性敲除小鼠进行pERG检测。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Sox2-Cre转基因小鼠JAX Laboratory014094
TIANGEN DNA提取试剂盒TIANGENDP304
快速Taq预混液VazymeP222-01
振动切片机LeicaVT1000 S
OCT包埋剂Tissue-Tek4583
Technovit包埋试剂盒Technovit14653
切片机LeicaRM 223
EMBED812树脂Electron Microscopy Sciences14120
超薄切片机LeicaEM UC7
铜网Electron Microscopy SciencesFCF200-Cu-50
HT-7700透射电子显微镜Hitachi--
脑立体定位仪Thinker Tech Nanjing Bioscience Inc.--
伊文思蓝Sigma-AldrichE2129
微量注射针Hamilton Company700
Triton X-100Sigma-AldrichX100
Fluoro-mount G封片剂Southern Biotech0100-01
RIPA裂解液----
蛋白酶抑制剂Sigma-AldrichP7626
FuturePAGE预制胶ACE BiotechnologyET12412
PVDF膜MilliporeIPVH00010
化学发光底物Thermo Scientific34580
总RNA提取试剂盒VazymeRC112-01
HiScript III逆转录预混液VazymeR323-01
ChamQ SYBR Color qPCR预混液VazymeQ411-02
复方托吡卡胺滴眼液SINQIH20055546
CELERIS系统Diagnosys LLCD430
羟丙甲纤维素滴眼液ZOCH20071448
Alexa Fluor 555标记霍乱毒素B亚单位InvitrogenC34776
FastPure细胞/组织总RNA提取试剂盒VazymeRC112-01
Tonolab回弹式眼压计iCare Finland--
LSM 880共聚焦显微镜Zeiss--
GraphPad Prism 9----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
小鼠模型
基因敲除策略、小鼠品系、基因型确认方法
阅读提示:Materials and Methods: Experimental Animals, Generation of Ccdc13 Mutant Alleles
脑积水评估
脑室大小、蛛网膜下腔面积、生存率统计
阅读提示:Materials and Methods: Tissue Preparation, Evans Blue Histology; Results: 图1、2
视神经头形态测定
视神经头高度和宽度测量方法、免疫染色标记
阅读提示:Materials and Methods: Immunostaining; Results: 图2F-I
轴突超微结构
TEM样品制备方法、观察区域(ONH vs 髓鞘化区)
阅读提示:Materials and Methods: Transmission Electron Microscopy; Results: 图3
神经丝蛋白表达
免疫荧光染色的抗体、固定和切片的处理方法、Western blot和RT-qPCR的条件
阅读提示:Materials and Methods: Immunostaining, Western blotting, RT-qPCR; Results: 图4、5
RGC功能检测
pERG和全视野ERG的刺激参数、记录条件
阅读提示:Materials and Methods: Electroretinography; Results: 图5K-N
轴突运输
CTB注射浓度、体积、观察时间
阅读提示:Materials and Methods: Anterograde Cholera Toxin Subunit B Conjugate Tracing; Results: 图6
胶质细胞反应
GFAP和Iba1免疫染色的条件和定量方法
阅读提示:Materials and Methods: Immunostaining; Results: 补充图S5
排除视网膜原发病变
RNA-seq的样本量和时间点、IOP测量方法、全视野ERG条件、视网膜特异性敲除小鼠的构建和pERG检测
阅读提示:Materials and Methods: RNA-Sequencing Analysis, Intraocular Pressure Measurement, Electroretinography; Results: 补充图S6、S7