本方案旨在引入一种生产和纯化间充质干细胞(MSC)来源的细胞外囊泡仿生物的方法,用于基因治疗。纳米囊泡被MSC来源的脂质双层包裹,并包裹携带目标基因的重组AAVs。该纳米囊泡为 体内 基因递送提供了增强载体。
方法文章
本方案旨在引入一种生产和纯化间充质干细胞(MSC)来源的细胞外囊泡仿生物的方法,用于基因治疗。纳米囊泡被MSC来源的脂质双层包裹,并包裹携带目标基因的重组AAVs。该纳米囊泡为 体内 基因递送提供了增强载体。
间充质干细胞(MSC)来源的细胞外囊泡(EVs)在治疗应用和再生医学方面具有巨大潜力。电子细胞是所有已知细胞类型分泌的纳米级囊泡,携带多种物质,包括膜锚定蛋白、可溶性因子、多种RNA物种以及调控受体细胞生理和行为的代谢物。虽然MSC衍生或工程化的EV可以递送治疗性蛋白和RNA,但由于缺乏高效机制将DNA序列分选为囊泡,EV介导的DNA递送仍具挑战性。我们团队及其他团队的先前研究表明,含有腺相关病毒(AAV)的EVs能够实现靶向核递送,并在 体外 和 体内持续实现基因表达。然而,由于产量低且工艺耗时,其产量和分离受到限制。本文报道了通过尺寸定义挤出方法生成的MSC膜包膜纳米囊泡的开发,以实现高效的基因递送。这些囊泡直径约200纳米,模仿天然电子代谢的特性,同时包裹携带治疗基因序列的重组AAV载体。与传统AAV相比,工程化的MSC囊泡提高了基因递送效率,并以显著更高的产量和更低的时间和成本,相较于自然分泌的EV-AAV更低。总之,我们提出了一种新型基于MSC的膜纳米囊泡平台,结合了EV模拟结构与AAV介导基因转移的优势。这种方法提升了递送效率和生产可扩展性,为推动基因治疗迈向临床转化提供了有前景的策略。
基因治疗通过引入、替代或沉默特定基因,恢复正常细胞功能,代表了一种治疗遗传和获得性疾病的变革性方法。在过去二十年里,载体工程和递送策略的进步显著拓展了基因治疗的领域。在开发的多种载体系统中,腺相关病毒(AAV)因其良好的安全性、高效的转导以及在分裂和非分裂细胞中的长期基因表达,成为最成功且被广泛采用的平台之一1,2。迄今为止,多种基于AAV的治疗药物已获得临床监管批准,包括脊髓性肌萎缩症、视网膜营养不良和血友病的治疗,标志着转化医学的重要里程碑。AAV载体广泛的嗜向性和低免疫原性也使其能够应用于多种组织,包括肝脏、肌肉、中枢神经系统和眼4。因此,AAV已成为体内基因递送的领先平台,支持针对代谢、神经和心血管疾病的临床前和临床研究。
尽管AAV基因疗法临床取得显著成功,但它仍面临若干内在挑战,限制了其更广泛的应用。一个主要限制在于AAV衣壳(~4.7 kb)的基因组包装能力有限,这限制了其用于传递大型或多个治疗基因5,6。此外,AAV载体的生物分布和细胞嗜性主要由其血清型决定,每种细胞型对特定组织表现出独特的亲和力。尽管广泛采用了胶壳工程和肽展示策略以提升组织靶向和转导效率,但在多样生物学环境中实现精确且可预测的趋向性仍是一个重大难题7。另一个关键限制是人类群体中针对自然AAV血清型的先天中和抗体(NAbs)的普遍存在。即使是低滴度的NAbs,也可能显著降低载体转导效率,限制患者资格并使重复剂量更复杂。多种策略,如理性衣壳重设计、免疫抑制方案和瞬时血浆交换,已被探索以减轻抗体介导的中和,但这些方法仅能带来部分或短暂的缓解。综合来看,这些限制降低了AAV介导基因递送在临床环境中的整体治疗效果和可重复性。
近年来,细胞外囊泡包膜型AAV(EV-AAV)被探索为替代载体,有望克服传统AAV12、13、14、15的若干关键局限。在载体包装过程中,部分AAV颗粒可通过囊泡运输途径分泌,并被包裹在细胞外囊泡中。该过程被认为涉及AAV编码的膜相关辅助蛋白(MAAP),该蛋白促进病毒排出并促进膜结合16,17。所得的EV-AAV颗粒相比传统AAV表现出更好的转导效率和增强的中和抗体抗性,主要得益于其囊泡膜促进细胞摄取并部分屏蔽抗体识别18。然而,尽管有这些优势,电动-AAV的生产效率依然低落。通常,载体基因组中只有极小部分(约0.5%-12%)以EV相关AAVs的形式分泌到培养基中,而大多数仍存在于细胞内或以游离AAV的形式存在12,13。因此,需要大规模生产以获得足够的矢量产量。此外,EV-AAV的产生主要通过HEK293T生产细胞得到验证,其EV可能表现出快速的肝脏清除、短循环半衰期以及潜在的生物安全隐患。这些局限凸显了对更高效、可定制膜包覆策略的需求,促使本研究开发细胞膜包膜AAV(CME-AAV)平台。
间充质干细胞(MSCs)及其EVs因其再生潜力和免疫规避特性已被广泛研究。除了基于细胞或自然分泌的电子代谢疗法外,近期研究还展示了一种利用包裹MSC膜的纳米颗粒增强药物递送的替代方法。MSC膜涂层赋予主动靶向能力,降低免疫清除率,延长循环时间,这些效应很可能归因于MSC来源膜的内在分子组成22,23。基于这一概念,我们利用MSC衍生的膜材料构建了细胞膜包覆的AAV(CME-AAV)纳米囊泡用于基因递送。为此,纯化后的MSC膜片段与重组AAV颗粒混合,并进行受控挤出工艺,该技术最初用于脂质体制备24,25。通过尺寸定义挤出,膜组分自发组装成纳米级囊泡,包裹AAV颗粒。所得的CME-AAV通过基于密度梯度的离心法进一步从游离、未封装的AAV纯化。该策略使膜包膜AAV载体能够高效且可重复地制备,其转导效率显著优于传统AAVs,并且对中和抗体的抵抗性与EV-AAV相当。通过替代不同的转基因,CME-AAV平台在治疗多种遗传和获得性疾病方面具有广泛潜力。
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所有动物作均由中国珠海北京师范大学动物护理与使用机构委员会批准。试剂和所用设备列于 材料表中。
1. 通过 孔径定义型挤出制备和形成CME-AAV
2. 通过密度梯度离心纯化CME-AAV
注意:本步骤描述了利用碘二醇密度梯度超速离心法,将纯CME-AAV从未封装的AAVs、蛋白质聚集体和残余核酸中分离出来。通过该步骤获得的纯化CME-AAV适用于体 外 和 体内 研究。所有手术建议在无菌组织培养罩下进行。
3. 利用透射电子显微镜(TEM)对CME-AAV进行表征
注意:透射电子显微镜(TEM)用于观察CME-AAV颗粒的形态、大小和膜结构。该程序遵循与细胞外囊泡类似的标准负染色程序。除非另有说明,所有步骤均在室温下进行。
4. 利用qPCR定量CME-AAV
注意:本步描述了一种基于qPCR的方法用于定量CME-AAV基因组拷贝(g.c./μL)。该方案强调CME-AAV特有的样本制备和数据报告。qPCR的设置和循环的其他所有环节应遵循标准实验室作及制造商对所选qPCR试剂盒的说明。
或
5. CME-AAV颗粒剖面的定量化
6. CME-AAV介导基因转移的 体外 分析
注意:本步描述了评估培养细胞中CME-AAV介导基因递送及转基因表达的程序。该检测方法采用HEK293T细胞和CME-AAV9进行验证。EGFP,但也可以适应其他细胞类型或报告蛋白结构。常规(非膜包膜)AAV9。EGFP作为阳性对照,而PBS或空AAV颗粒作为负对照。

7. 评估CME-AAV介导基因在小鼠模型中的传递
注意:本步描述了利用小鼠模型评估CME-AAV介导基因递送的 体内 表现。
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本研究中使用的MSC根据相关伦理指南的方案从人类脐带组织中分离。MSC膜片段按照所述方案制备。AAV9。EGFP是在HEK293T细胞中采用瞬时双质粒转染系统自行制备的,如先前报道的12,26。用于CME-AAV的制备、膜制备和AAV9。EGFP在协议中规定的1×10¹°病毒基因组中,膜蛋白含量为150微克,共孵育。随后将一毫升混合物装入配备400纳米聚碳酸酯多孔膜的迷你挤出机中,挤出20次,随后再通过200纳米膜再挤出20次。该过程产生了MSC膜包覆的AAV9。EGFP(CME-AAV9。EGFP)。
纯化后,使用透射电子显微镜(TEM)检查CME-AAVs的形态学(见图1A)。透射电子显微镜成像显示,CME-AAVs的尺寸尺寸和膜束缚结构与EV相似。与先前报道的EV-AAV复合物一样,单个包裹的AAV颗粒并不一致地可区分
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CME-AAV协议的关键步骤
该方案描述了一种生成MSC膜包膜AAV的方法,且若干步骤对于成功形成CME-AAV至关重要。首先,对细胞膜进行细致的预处理至关重要。这一步骤的目标是在最大限度地减少来自核DNA、细胞质蛋白和细胞器污染的同时,获得适合挤出的膜片段。此外,膜碎片的大小是挤出效率的关键决定因素。过大的碎片可能会堵塞聚碳酸酯挤出膜,而过度破坏的膜材料在挤出诱导变形下可能难以重组为稳定的纳米囊泡。该方案采用逐渐增加离心力的顺序离心步骤去除非膜组分,随后通过注射器均质化,生成尺寸适宜且可重复分布的膜片段。
在纳米囊泡形成后,高效分离膜包膜AAV与无包膜AAV是另一个关键步骤。这一步骤尤为重要,因为CME-AAV制剂中存在的游离AAVs在体内给药时可通过循环中和抗体被轻易中和,从而降低有效基因递送效率8,9,30
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吴道斌博士是广东恒琴联合生命科学有限公司的员工。该公司未为本研究提供资金支持,也未参与研究设计、数据收集、数据分析、稿件准备或发表决策。其余作者声明没有竞争的财务利益。
该工作得到了广东科技项目(2023B0303010002)对理学部主任、广东基础与应用基础研究基金会(2025A1515011134)和BNU文理学院跨学科研究项目(12900-311324240581)的支持。北京师范大学仪器与技术服务中心提供的仪器和技术专长进一步支持了这项工作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 生物荧光成像系统 | PerkinElmer | IVIS Spectrum 光学成像系统(Lumina III) | |
| D-荧光素钾盐 | Yeasen 生物技术 | 40902ES03 | |
| 胎牛血清 | Yeasen 生物技术 | 40130ES76 | |
| 荧光显微镜 | Zeiss | Axio Observer 7 | |
| 覆膜/碳膜铜网 200 网 | Millipore-Sigma | TEM-FCF400CU | |
| 戊二醛 | Millipore-Sigma | 354400 | |
| HBSS | Gibco | C14175500BT | |
| Hieff Unicon qPCR TaqMan Probe 试剂盒 | Yeasen 生物技术 | 11205ES08 | |
| 高葡萄糖 Dulbecco's 改良 Eagle's 培养基 | Hyclone | SH30243 | |
| 高速离心机 | Beckman Coulter | Avanti J-E | |
| Hoechst 33342 | Beyotime | C1022 | |
| NTA 仪器 | Malvern Panalytical | NanoSight NS300 | |
| 用于超速离心机的开顶薄壁超透明管 | Beckman Coulter | 344059 | |
| OptiPrep 碘海棠素 | Millipore-Sigma | D1556 | |
| 4% 的甲醛 | Beyotime | P0099 | |
| PBS | Biosharp | BL302A | |
| 青霉素-链霉素 | Millipore-Sigma | V900929 | |
| qPCR 仪器 | Applied Biosystems | QS6 实时 PCR 系统 | |
| 高速离心机转子 | Beckman Coulter | JA-25.50 | |
| SW 41 Ti 超速离心机摆瓶转子 | Beckman Coulter | 331362 | |
| 透射电子显微镜 | JEOL | JEM-2100F | |
| 超速离心机 | Beckman Coulter | Optima XE-100 | |
| 醋酸铀酰盐 | Electron Microscopy Sciences | NC1375332 | |
| Whatman Nuclepore 聚碳酸酯膜过滤器(200 nm) | Cytiva | 10417004 | |
| Whatman Nuclepore 聚碳酸酯膜过滤器(400 nm) | Cytiva | 10417104 |
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