Albumin, a protein produced by liver hepatocytes, represents the most abundant protein in blood plasma. We have previously engineered a liver-targeting adeno-associated viral vector (AAV) that expresses fluorescent protein-tagged albumin to visualize blood plasma in mice. While this approach is versatile for imaging in adult mice, transgene expression vanishes when AAV is administered in neonates due to dilution of the episomal AAV genome in the rapidly growing liver. Here, we use CRISPR/Cas9 genome editing to insert the fluorescent protein mNeonGreen (mNG) gene into the albumin (Alb) locus of hepatocytes to produce fluorescently labeled albumin (Alb-mNG). We constructed a CRISPR AAV that includes ∼1 kb homologous arms around Alb exon 14 to express Alb-mNG. Subcutaneous injection of this AAV with AAV-CMV-Cas9 in postnatal day 3 mice resulted in two-photon visualization of the cerebral cortex vasculature within ten days. The expression levels of Alb-mNG were persistent for at least three months and were so robust that vasomotion and capillary blood flow could be assessed transcranially in early postnatal mice. This knock-in approach provides powerful means for micro- and macroscopic imaging of cerebral vascular dynamics in postnatal and adult mice.

Abstract Studying blood microcirculation is vital for gaining insights into vascular diseases. Acute administration of fluorescent tracers is currently used for deep tissue blood flow imaging. This is invasive, and the plasma fluorescence decreases within an hour of administration. We report a novel approach for the longitudinal study of vasculature. Using a single systemic administration of viral vectors, we express fluorescent secretory albumin-fusion proteins in the liver to label the blood in mice. All segments of the vasculature in brain and peripheral tissue are observable by two-photon microscopy within two weeks of vector administration. This approach allows for observation of circulation without the need for repeated administration for several months. We demonstrate the chronic assessment of vascular functions at micro-and mesoscopic scales. This genetic plasma labeling approach represents a versatile and cost-effective method for the chronic investigation of vasculature functions across the body in health and disease.

Abstract Significance Photothrombosis is a widely used model of ischemic stroke in rodent experiments. In the photothromboris model, the photosensitizer Rose Bengal is systemically introduced to the blood stream and activated by green light to induce aggregation of platelets that eventually cause vessel occlusion. Since the activation of Rose Bengal is a one-photon phenomenon and the molecules in the illuminated area (light path) are subject to excitation, targeting of thrombosis is unspecific especially in the depth dimension. We have developed a photothrombosis protocol that can target a single vessel in the cortical parenchyma by two-photon excitation. Aim We aim to induce a thrombotic stroke in the cortical parenchyma by two-photon activation of Rose Bengal so that we confine photothrombosis within a vessel of a target depth. Approach FITC-dextran is injected into the blood stream to visualize the cerebral blood flow in anesthetized adult mice with a cranial window. After a target vessel is chosen by two-photon imaging (950 nm), Rose Bengal is injected into the blood stream. The scanning wavelength is changed to 720 nm and photothrombosis was induced by scanning the target vessel. Results Two-photon depth-targeted single vessel photothrombosis was achieved with a success rate of 84.9±1.7% within 80 s. Attempts without Rose Bengal (i.e., only with FITC) did not result in photothrombosis at the excitation wavelength of 720 nm. Conclusions We described a protocol that achieves depth-targeted single vessel photothrombosis by two-photon excitation. Simultaneous imaging of blood flow in the targeted vessel using FITC dextran enabled the confirmation of vessel occlusion and prevention of excess irradiation that possibly induces unintended photodamage.