本方案介绍了一种在小鼠心肌梗死后利用修饰型mRNA(modRNA)瞬时上调目的基因的简单且连贯的方法。
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本方案介绍了一种在小鼠心肌梗死后利用修饰型mRNA(modRNA)瞬时上调目的基因的简单且连贯的方法。
心肌梗死(MI)是西方国家发病率和死亡率的主要原因。在过去十年中,由于基因治疗具有高效性和显著的治疗效果,已成为心脏病治疗的一种有前景的策略。为了修复心肌梗死后受损的心肌组织,已有多种研究采用基于DNA或病毒的基因治疗方法,但因目的基因表达水平低且难以控制,以及存在水肿、心律失常和心肌肥厚等问题而面临重大挑战。合成修饰的mRNA(modRNA)是一种新型基因治疗策略,可实现高效、短暂、安全、无免疫原性且可控的mRNA向心肌组织递送,且无基因组整合风险。由于这些显著特性,加之其在心脏中呈钟形的药代动力学特征,modRNA已成为治疗心脏病的一种颇具吸引力的方法。然而,为了提高其在体内的有效性,必须采用一种稳定且可靠的递送方法。因此,为最大限度地提高modRNA递送效率,并确保其在体内应用中结果的一致性,本文介绍了一种在小鼠心肌梗死模型中优化的modRNA心内注射制备与递送方法。该方案将使modRNA递送在基础研究和转化研究中更易于实施。
基因治疗是一种通过递送核酸来治疗、治愈或预防人类疾病的强大工具。尽管在心脏病的诊断和治疗方法上已取得进展,但在心肌梗死(MI)和心力衰竭(HF)中实现有效的基因递送仍面临较大挑战。尽管基因治疗的过程看似简单,但考虑到在选择特定递送载体前需要优化的诸多因素,该方法实际上极为复杂。理想的递送载体应在人体内具有非免疫原性、高效性和稳定性。目前该领域已发展出两类递送系统:病毒性和非病毒性。常用的病毒系统包括腺病毒、逆转录病毒、慢病毒或腺相关病毒介导的基因转移,这些系统表现出卓越的转导能力。然而,由于其可引发强烈的免疫反应1、存在致瘤风险2或体内存在中和抗体3,限制了其在临床中的应用,这些因素仍是病毒载体在人类基因治疗中广泛而有效应用的主要障碍。另一方面,尽管裸质粒DNA递送具有良好的表达模式,但其转染效率较低;而mRNA递送则表现出高免疫原性,并易被RNase降解4。
随着mRNA领域的广泛研究,与传统载体相比,修饰mRNA(modRNA)因其多种优势而成为向心脏及其他多种器官递送基因的有力工具5。用天然存在的假尿苷完全取代尿苷可实现更强且更短暂的蛋白表达,同时几乎不激活先天免疫反应,并降低基因组整合的风险6。近期建立的实验方案采用优化剂量的抗反向帽类似物(ARCA),可进一步提高合成mRNA的稳定性和可翻译性,从而增强蛋白翻译效率7。
既往研究已表明,在心肌梗死(MI)后,通过修饰mRNA(modRNA)递送的多种报告基因或功能基因可在啮齿类动物心肌中表达。应用modRNA后,心肌损伤后较大范围的心肌区域(包括心肌细胞和非心肌细胞)均成功实现了转染8,从而诱导血管生成9,10、促进心肌细胞存活11以及心肌细胞增殖12。单次给予编码突变型人follistatin样蛋白1的modRNA可诱导成年小鼠心肌细胞(CMs)增殖,并在MI后4周显著改善心脏功能,减小瘢痕面积,增加毛细血管密度12。最近一项研究报道,在猪模型中应用VEGFA modRNA可改善MI后的心脏功能10。
因此,随着修饰mRNA(modRNA)在心脏领域的应用日益广泛,建立并优化一种在心肌梗死(MI)后向心脏递送modRNA的实验方案显得至关重要。本文介绍了一种制备和递送经纯化与优化的modRNA的方案,该modRNA采用生物相容性的柠檬酸盐-生理盐水配方,可在不引发任何免疫反应的前提下实现强效且稳定的蛋白质表达。本方案及配套视频展示了通过永久性结扎左前降支冠状动脉(LAD)建立小鼠心肌梗死模型的标准手术操作,随后进行三个位点的心内注射modRNA。本文旨在明确建立一种高度精确且可重复的modRNA递送方法,以促进modRNA技术在小鼠心肌组织中的应用,推动其在心脏基因治疗领域的广泛使用。
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本文所述所有动物实验程序均已获得西奈山伊坎医学院机构动物护理和使用委员会的批准。
1. modRNA 的合成
注意:modRNA 合成的详细信息可参见 Kondrat 等人13。
2. 体内递送用修饰RNA注射液的制备
3. 心肌梗死手术
4. modRNA的心脏递送
5. 心肌梗死后心脏中蛋白质表达的验证
6. 统计分析
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8至10周龄的小鼠使用异氟烷进行麻醉并实施气管插管。动物进入麻醉状态后,剃除左侧胸区毛发并用乙醇消毒,随后暴露心脏以进行左前降支(LAD)结扎。通过在左冠状动脉下方牢固打结缝合线实现动脉闭塞(示意图见图1A)。成功诱导心肌梗死(表现为左心室游离壁变苍白)后,使用胰岛素注射器将100 µg溶于柠檬酸蔗糖缓冲液中的Luc或Cre修饰RNA(modRNA)直接注射至损伤区域周围三个不同位点的心肌组织中(图1B)。每只动物的MI手术及modRNA注射过程持续30−45分钟。术后动物存活率约为90%。手术完成后,逐层紧密缝合胸腔和皮肤,并在动物恢复自主正常呼吸后立即撤除呼吸机支持。
在完成左前降支(LAD)结扎并随后注射 Luc modRNA 后,我们通过生物发光成像系统检测了注射后 24 小时的 Luc 蛋白表达,以验证 Luc modRNA 的转染效果(图 2A)。根据我们先前发表的研究,尽管转染后蛋白表达可持...
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基因治疗在显著推进心脏疾病治疗方面展现出巨大潜力。然而,早期临床试验中用于治疗心力衰竭(HF)的传统工具效果有限,且伴随严重副作用。修饰RNA(modRNA)作为一种非病毒基因递送方式,正日益成为心脏基因转移的热门工具。modRNA无需将基因定位于细胞核内即可进行翻译,因而能够实现高效且快速的蛋白表达。此外,由于mRNA不会整合到宿主基因组中,通过modRNA进行基因递送可避免诱变风险。因此,得益于相较于传统基因递送载体的诸多优势,modRNA已成为向心脏递送单个基因或基因组合最具吸引力的平台之一。然而,迄今为止,尚无标准化的操作流程用于损伤后将modRNA制备并递送至心脏。本研究旨在建立一种标准且优化的modRNA心内注射递送方案,以提升modRNA作为基因治疗工具的应用价值,并推动其向治疗用途转化。
在本实验方案中,通过用假尿苷替代尿苷,并在5’端使用ARCA加帽,制备修饰mRNA(modRNA)。这些对mRNA二级结构的修饰已被证明可实现比其他多种核苷酸修饰更高的蛋白质翻译效率8。此外,这种修饰后的mRNA结构可通过限制其被To...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Ann Anu Kurian 在本手稿撰写过程中提供的帮助。本研究由授予 Zangi 实验室的心脏病学启动基金以及 NIH 资助项目 R01 HL142768-01 资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三磷酸腺苷 | Invitrogen | AMB13345 | 包含于Megascript试剂盒中 |
| 南极磷酸酶 | New England Biolabs | M0289L | |
| 抗反向帽类似物,30-O-Mem7G(5')ppp(5')G | TriLink Biotechnologies | N-7003 | |
| 生物发光成像系统 | Perkin Elmer | 124262 | IVIS100电荷耦合器件成像系统 |
| 钝性拉钩 | FST | 18200-09 | |
| 心肌肌钙蛋白I | Abcam | 47003 | |
| 三磷酸胞苷 | Invitrogen | AMB13345 | 包含于Megascript试剂盒中 |
| 双通道麻醉系统 | Harvard Apparatus | 75-2001 | |
| 镊子-Adson | FST | 91106-12 | |
| 镊子-Dumont #7 | FST | 91197-00 | |
| 三磷酸鸟苷 | Invitrogen | AMB13345 | 包含于Megascript试剂盒中 |
| 体外转录试剂盒 | Invitrogen | AMB13345 | 5X MEGAscript T7试剂盒 |
| 插管套管 | Harvard Apparatus | ||
| Megaclear试剂盒 | Life Technologies | ||
| 小鼠呼吸机 | Harvard Apparatus | 73-4279 | |
| N1-甲基假尿苷-5-三磷酸 | TriLink Biotechnologies | N-1081 | |
| NanoDrop分光光度计 | Thermo Scientific | ||
| Olsen Hegar持针器(带缝合剪) | FST | 12002-12 | |
| 质粒模板 | GeneArt, Thermo Fisher Scientific | ||
| 尖头解剖剪 | FST | 14200-12 | |
| 体视显微镜 | Zeiss | ||
| 缝合线 | Ethicon | Y433H | 5.00 |
| 缝合线 | Ethicon | Y432H | 6.00 |
| 缝合线 | Ethicon | 7733G | 7.00 |
| T7 DNase酶 | Invitrogen | AMB13345 | 包含于Megascript试剂盒中 |
| 胶带站 | Aligent | 4200 | |
| 转录纯化试剂盒 | Invitrogen | AM1908 | Megaclear |
| Ultra-4离心滤器 10k | Amicon | UFC801096 |
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