ウイルスニューロン追跡

ウイルス神経細胞追跡は、ウイルスを使用して神経経路を追跡し、自己複製トレーサーを提供することです。ウイルスは分子トレーサーよりも自己複製するという利点がありますが、あまりにも急速に広がり、神経組織の劣化を引き起こすこともあります。神経系に感染するウイルスは神経向性ウイルスと呼ばれ、シナプスを介して空間的に近いニューロンの集合体に広がるため、機能的に接続された神経ネットワークの研究に使用できます。^{[1] [2] [3]}

機能的に接続されたニューロンを標識するためにウイルスを使用するという発想は、アルバート・セービンが開発した研究と生物学的検定法に端を発しています。^{[4]その後の研究では、}免疫組織化学技術を取り入れてニューロンの接続を体系的に標識することが可能になりました。 ^[4]現在までに、ウイルスは神経系の複数の回路を研究するために使用されてきました。

ニューロンの個々の接続は、長い間、神経解剖学者の理解を逃れてきました。^{[5]ニューロン追跡法は、神経ネットワークの}形態と接続性に関する前例のない視点を提供します。使用するトレーサーに応じて、これは単一のニューロンに限定される場合もあれば、隣接するニューロンに横断的に進む場合もあります。トレーサーが十分に広がった後、その範囲は蛍光（染料の場合）または免疫組織化学（生物学的トレーサーの場合）のいずれかによって測定されます。この分野における重要な革新は、神経向性ウイルスをトレーサーとして使用することです。これらは、感染の最初の部位全体に広がるだけでなく、シナプスを飛び越えることもできます。^[要出典]

ニューロン追跡で使用されるようなウイルスのライフサイクルは、細胞生物とは異なります。ウイルスは本質的に寄生性であり、単独では増殖できません。したがって、ライフサイクルを完了するには、別の生物に感染し、細胞機構を効果的に乗っ取る必要があります。

ウイルスのライフサイクルの最初の段階は、ウイルス侵入と呼ばれます。これは、ウイルスが新しい宿主細胞に感染する方法を定義します。自然界では、神経向性ウイルスは通常、狂犬病ウイルスや特定のヘルペスウイルス株の場合のように、咬傷や引っかき傷によって伝染します。追跡研究では、このステップは、通常、注射器を使用して人工的に行われます。ウイルスのライフサイクルの次の段階は、ウイルス複製と呼ばれます。この段階では、ウイルスは宿主細胞の機構を乗っ取り、細胞にウイルスタンパク質をさらに生成させ、ウイルスをさらに組み立てさせます。

細胞が十分な数のウイルスを生産すると、ウイルスはウイルス排出段階に入ります。この段階では、ウイルスは元の宿主細胞を離れ、新しい宿主を探します。神経向性ウイルスの場合、この伝達は通常シナプスで発生します。ウイルスは比較的短い距離を 1 つのニューロンから次のニューロンに飛び移ることができます。この特性により、ウイルスはトレーサー研究で非常に役立ちます。^{[引用が必要]}

ウイルスが次の細胞に入ると、サイクルが新たに始まる。元の宿主細胞は脱落段階の後に分解し始める。トレーサー研究では、タイミングを厳密に制御する必要があるのはこのためである。ウイルスが広がりすぎると、元の微小回路が劣化し、有用な情報を取得できなくなる。通常、ウイルスは少数の生物にしか感染できず、感染したとしても、体内の特定の細胞タイプにしか感染しない。特定のウイルスが特定の組織に特異性を持つことは、そのウイルスの向性として知られている。トレーサー研究におけるウイルスはすべて神経向性（ニューロンに感染できる）である。^[6]

ウイルストレーサーは、筋肉や腺などの末梢臓器に導入されることがあります。^[7]アデノ随伴ウイルスなどの特定のウイルスは、血流に注入され、血液脳関門を通過して脳に感染する可能性があります。^[8]また、神経節に導入したり、定位装置を使用して脳に直接注入したりする こともできます。これらの方法は、脳とその末梢がどのようにつながっているかについて独自の洞察を提供します。

ウイルスはさまざまな方法で神経組織に導入されます。標的組織にトレーサーを導入する方法は主に 2 つあります。

1. 圧力注入では、液体状のトレーサーを細胞内に直接注入する必要があります。これが最も一般的な方法です。
2. イオントフォレシスでは、電極内のトレーサー溶液に電流を流します。トレーサー分子は電荷を帯び、電界を介して細胞内に送り込まれます。これは、パッチクランプ法を行った後に細胞にラベルを付けたい場合に便利な方法です。^[9]

トレーサーが細胞に導入されると、前述の輸送メカニズムが働き始めます。その後、ウイルスは神経系に入ると、局所領域で細胞に感染し始めます。ウイルスは、自身の遺伝物質を感染細胞のゲノムに組み込むことで機能します。 ^{[10]その後、宿主細胞は遺伝子によってコード化されたタンパク質を生成します。研究者は、可視化に使用される}蛍光タンパク質を含む多数の遺伝子を感染ニューロンに組み込むことができます。 ^[10]ニューロン追跡のさらなる進歩により、特定の細胞タイプに蛍光タンパク質を標的とした発現が可能になります。^[10]

ウイルスが望ましい範囲まで広がると、脳はスライスされ、スライド上に載せられる。次に、ウイルスに特異的な蛍光抗体、またはウイルスDNAの蛍光相補DNAプローブがスライスに塗布され、蛍光顕微鏡で画像化される。^[9]

ウイルスの伝染は軸索輸送のメカニズムに依存しています。軸索内には、微小管と呼ばれる細長いタンパク質複合体があります。これらは細胞骨格として機能し、細胞がその形状を維持するのに役立ちます。これらは軸索内の高速道路としても機能し、神経伝達物質が満たされた小胞と酵素を細胞体（細胞体）と軸索末端（シナプス）の間で往復輸送するのに役立ちます。

ウイルスは、順行性（細胞体からシナプスへ）または逆行性（シナプスから細胞体へ）のいずれかの方向に輸送されます。ニューロンは、これらの細胞経路を介して、タンパク質、神経伝達物質、およびその他の高分子を自然に輸送します。ウイルスを含むニューロントレーサーは、これらの輸送メカニズムを利用して、トレーサーを細胞全体に分散させます。研究者はこれを利用してシナプス回路を研究することができます。

順行性トレーシングは、細胞体からシナプスに移動するトレーサーの使用です。順行性輸送はキネシンと呼ばれるタンパク質を使用して、ウイルスを軸索に沿って順行方向に移動させます。^[9]

逆行性トレーシングは、シナプスから細胞体に移動するトレーサーの使用です。逆行性輸送では、ダイニンと呼ばれるタンパク質を使用して、ウイルスを軸索に沿って逆方向に移動させます。^{[9] [11]}異なるトレーサーはダイニンとキネシンに対して特徴的な親和性を示し、異なる速度で広がることに注意することが重要です。

時には、神経回路の入力と出力の両方を決定するために、上流と下流のニューロンを追跡することが望ましい場合があります。これは、上記のメカニズムの組み合わせを使用します。^[12]

ウイルストレーサーを使用する利点の 1 つは、ウイルスがシナプスを飛び越える能力があることです。これにより、マイクロ回路のトレースと投影研究が可能になります。これが可能な分子トレーサーは少なく、可能なものは通常、二次ニューロンでの信号が減少します。これは、ウイルスのトレースのもう 1 つの利点、つまりウイルスが自己複製できることにつながります。二次ニューロンが感染するとすぐに、ウイルスは増殖し、複製を開始します。トレーサーが脳内を伝播しても、信号が失われることはありません。^[6]

ウイルスが神経系を通じて増殖するにつれて、ウイルストレーサーはニューロンに感染し、最終的にはニューロンを破壊します。そのため、神経細胞が死滅して身体に大規模な害を及ぼす前に、十分な増殖ができるようにトレーサー研究のタイミングを正確に行う必要があります。^[13]

この作業に完全に適するウイルスを見つけるのは困難でした。追跡に使用するウイルスは、良好な結果を得るためには感染力が弱く、神経組織を急速に破壊したり、感染者に不必要なリスクをもたらしたりするほど致命的ではないものが理想的です。

もう 1 つの欠点は、ウイルスのニューロン追跡には現在、ウイルスに蛍光抗体を付着させて経路を視覚化するという追加の手順が必要であることです。対照的に、ほとんどの分子トレーサーは明るい色で、追加の変更を加えなくても肉眼で見ることができます。

ウイルストレーシングは主に神経回路のトレースに使用されます。研究者は前述のウイルスの1つを使用して、脳内のニューロンが互いにどのように接続されているかを非常に詳細なレベルで研究します。^{[14]接続性は脳の機能のほとんどを決定します。ウイルスは、網膜神経節回路、 [15]}皮質回路、^[16]脊髄回路などの研究に使用されてきました。

以下は、ニューロン追跡の目的で現在使用されているウイルスのリストです。

• 単純ヘルペスウイルス（ヘルペスウイルス科） – 順行性^{[17] [18]}
• 仮性狂犬病ウイルスPRV（ヘルペスウイルス科） - 逆行性トランスシナプス^[19]および順行性^[20]
• 狂犬病ウイルス（ラブドウイルス科） - 逆行性トランスシナプス。^{[14] [21] [22]}
• 水疱性口内炎ウイルス（ラブドウイルス科） – 順行性。^{[23] [24]}
• シンドビスウイルス（トガウイルス科） - 順行性で少量の逆行性がある。^[25]
• アデノ随伴ウイルスAAV（パルボウイルス科） – 順行性。^[26]