Die rezellularisierte extrazelluläre Matrix einer dezellularisierten Rattenleber kann als humanisiertes, dreidimensionales ex vivo-Modell verwendet werden, um die Verteilung und Transgenexpression eines Virus oder viralen Vektors zu untersuchen.
Methodenartikel
Die rezellularisierte extrazelluläre Matrix einer dezellularisierten Rattenleber kann als humanisiertes, dreidimensionales ex vivo-Modell verwendet werden, um die Verteilung und Transgenexpression eines Virus oder viralen Vektors zu untersuchen.
Dieses Protokoll beschreibt die Erzeugung eines dreidimensionalen (3D) ex vivo Lebermodell und seine Anwendung auf die Erforschung und Entwicklung von viralen Vektorsystemen. Das Modell wird durch Repopulation die extrazelluläre Matrix eines dezellularisierten Rattenleber mit einem menschlichen Hepatozyten-Zelllinie erhalten. Das Modell ermöglicht Untersuchungen in einem gefäß 3D-Zellsystem zu ersetzen potenziell schädliche Experimente mit lebenden Tieren. Ein weiterer Vorteil ist der humanisierte Natur des Modells, das als Tiermodelle näher an die menschliche Physiologie ist.
In dieser Studie zeigen wir die Transduktion dieser Lebermodell mit einem viralen Vektor von Adeno-assoziierten Viren (AAV-Vektor) abgeleitet. Die Perfusion Schaltung, die das 3D-Lebermodell mit Medien versorgt bietet eine einfache Möglichkeit, den Vektor anzuwenden. Das System ermöglicht die Überwachung der wichtigsten Stoffwechselparameter der Leber. Für die endgültige Analyse können Gewebeproben entnommen werden, um das Ausmaß der recellulariza zu bestimmention durch histologische Techniken. Verteilung des Virus-Vektors und die Expression des Transgen geliefert durch quantitative PCR (qPCR), Western-Blotting und Immunhistochemie analysiert werden. Zahlreiche Anwendungen des Vektormodells in der Grundlagenforschung und der Entwicklung gentherapeutischer Anwendungen kann die Entwicklung neuer antiviraler Therapeutika einschließlich in Betracht gezogen werden, die Krebsforschung und die Untersuchung von viralen Vektoren und deren mögliche Nebenwirkungen.
Die meisten aktuellen biomedizinischen Forschungen stützen sich auf einen von zwei Ansätzen, entweder zweidimensionale (2D) Zellkulturexperimente oder Tiermodelle, die von Natur aus dreidimensional (3D) sind. Diese Ansätze haben jedoch einige schwerwiegende Nachteile. Es hat sich gezeigt, dass sich Zellen, die in 2D-Kulturen gezüchtet wurden, in Genexpressionsmustern und Zellphysiologie von denen unterscheiden, die unter 3D-Bedingungen gezüchtet wurden. 1 Tiermodelle sind nicht nur mit ethischen Bedenken verbunden, sondern modellieren auch oft nicht gut die menschliche Physiologie. Obwohl das Fehlen offensichtlicher toxischer Wirkungen einer Verbindung vor der ersten Verabreichung beim Menschen in Tiermodellen bestätigt werden muss, wurden in klinischen Studien mehrere Fälle dokumentiert, in denen schwere, manchmal tödliche Nebenwirkungen aufgetreten sind. arabische Ziffer
Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, sind humanisierte 3D-Ex-vivo-Organmodelle zu wichtigen Forschungswerkzeugen geworden. Wenn sie unter geeigneten Bedingungen kultiviert werden, ordnen sich Zellen selbst zu 3D-Strukturen an, die als Sphäroide bekannt sind. Diesen Sphäroiden fehlt jedoch ein Gefäßsystem, was die Verteilung von kleinen molekularen Verbindungen, großen Biologika und viralen Vektoren gleichermaßen einschränkt. Zum Beispiel transduzierten adenovirale Vektoren nur die äußeren Zellschichten von Sphäroiden, die aus menschlichen Glioblastomen hergestellt wurden. 3 Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines Organmodells, das ein Gefäßsystem enthält. Zu diesem Zweck kann das interessierende Organ aus einem Tier explantiert werden, und die tierischen Zellen können durch menschliche Zellen ersetzt werden. Es wurden verschiedene Verfahren zur Dezellularisierung von Tierlebern durch Behandlung mit Detergenzien oder Natriumcholat beschrieben. 4-6 Die resultierende extrazelluläre Matrix (ECM) beherbergt Zytokine und Wachstumsfaktoren, die verschiedene zelluläre Prozesse regulieren. 7 Es kann als Gerüst für die Rezellularisierung mit menschlichen Zellen verwendet werden, um ein funktionsfähiges Organmodell zu erhalten.
In einer kürzlich durchgeführten Studie haben wir ein humanisiertes 3D-Lebermodell verwendet, um die Verteilung und Transgenexpression eines Adeno-assoziierten Virus (AAV)-Vektors zu untersuchen. 8 AAV-Vektoren gehören zu den vielversprechendsten viralen Vektoren für gentherapeutische Anwendungen. 9 Die erste und bisher einzige zugelassene gentherapeutische Intervention in der westlichen Welt verwendet einen AAV-Vektor für die Übertragung von Lipoproteinlipase. 10
HINWEIS: RL erhalten ethische Genehmigung für die Explantation von Organen aus dem Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSo). Die Lebern wurden von Wistar-Ratten explantiert. Die untere Hohlvene und die Pfortader der Leber wurden mit einer 22 G Kanüle kanüliert. Verfahren zur Dezellularisierung von explantierten Lebern wurden zuvor beschrieben. 4,5 die extrazellulären Matrizes hier verwendet wurden mit 1% Natriumdesoxycholat durch übermäßige Perfusion eines Rattenleber erhalten.
1. Rezellularisierung der extrazellulären Matrix (ECM) von einer Rattenleber

Abbildung 1. Bioreactor - System. A) Das Bioreaktorsystem war maßgeschneidert. Es erhält die Organmodelle bei 37 ° C und 5% CO 2. Die Strömungsraten der peristaltischen Pumpen können einzeln geregelt werden. B) Die Leber ist in einer Wachstumskammer angeordnet und verbindened zur Perfusionskreislaufes, die aus einer Schlauchpumpe besteht, ein Mittelreservoir, eine Blasenfalle und einem Drucksensor. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
2. Transduktion der rezellularisiertes Rat Liver

Abbildung 2. Karte des selbstkomplementären, pseudotypisierten AAV2 / 6 - Vektor in der vorliegenden Studie verwendet. Das Genom besteht aus den Inverted Terminal Repeats (ITR) von AAV2 und codiert EmGFP unter der Kontrolle des CMV - Promotors sowie eine shRNA unter der Kontrolle eines U6 - Promotors. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
3. Bewertung des rezellularisiertes transduzierten Rattenleber
Für die Beurteilung des Ausmaßes der Rezellularisierung, Kryo-Schnitte wurden von jeder Keule jedes rezellularisiertes Lebermodell vorbereitet. Die Schnitte wurden dann mit Hämatoxylin und Eosin-Färbung analysiert. Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, jeder Lappen der Leber der drei Modelle, bezeichnet als TLM1, TLM2 (transduziert Leber Modelle 1 +2) und Ctrl (Control Lebermodell , das rezellularisiertes wurde, aber nicht transduziert) wurden mit HepG2 - Zellen neu besiedelt. Diese hepatozelluläres Karzinom-Zelllinie wurde aus dem Tumorgewebe eines 15-jährigen argentinischen Jungen etabliert. Einige Bereiche der Leber Modelle wurden intensiver rezellularisiertes als andere. Die Gründe für diese Variationen bleiben bestimmt werden.

Abbildung 3. Hämatoxylin und Eosin - Färbung jeder Keule der drei Leber Modelle analysiert TLM1 + 2:. Transduzierten LeberModelle 1 und 2; Ctrl .: Kontrolle Lebermodell, das rezellularisiertes wurde aber nicht transduziert. Maßstabsbalken: 200 & mgr; m. (Re-gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Ref. 8.) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Im nächsten Schritt wurde die Transduktion der Leber Modellen bewertet. Zu diesem Zweck wurde DNA aus 28 Stanzbiopsien von jeder der Leber Modelle vorbereitet und der Vektor-Titer wurde durch qPCR quantifiziert. Im Durchschnitt 55 bis 90 internalisiert Vektorgenome pro Zelle (VG / Zelle) wurden für die zwei transduziert Leber Modelle gemessen. Experimente in der 2D-Zellkultur haben 30 VG / Zelle für starke Transgen-Expression und RNAi-vermittelte Silencing ausreichend sind, gezeigt. Herstellung von EmGFP wurde durch RT-PCR und Western Blotting analysiert. In der Tat, die Expression des Reporter wurde in 80-90% der Biopsien auf der mRNA- und Proteinebene jeweils detektiert.8 Um ein umfassendes Bild der Transduktionseffizienz, Kryo-Schnitte wurden immunhistochemisch analysiert erhalten. Wie in Abbildung 4, Bereiche des Lebermodell gesehen werden , die erfolgreich rezellularisiertes wurden, wie es durch DAPI - Färbung sichtbar gemacht , gab auch eine starke Fluoreszenzsignale in der immunhistochemischen Analyse von EmGFP Expression. Wie erwartet, ist die Kontrolle Lebermodell nicht mit AAV-Vektoren behandelt, zeigten keine EmGFP Ausdruck.

Abbildung 4. Immunhistochemische Analyse von EmGFP Expressionszellen, die die Leber - Modelle neu besiedelt wurden durch DAPI - Färbung sichtbar gemacht (blau). EmGFP Expression wurde durch immunochemische Färbung (rot) sichtbar gemacht. TLM1 + 2: transduziert Leber Modelle 1 und 2; Ctrl .: Kontrolle Lebermodell, das rezellularisiertes wurde aber nicht transduziert. Maßstabsbalken: 200 & mgr; m. (Neu gedruckt mit Erlaubnisvon Ref. 8.) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
In einem abschließenden Test, AAV-vermittelte Knockdown von hCycB wurde durch qRT-PCR analysiert. Der Zuschlag von hCycB wurde zwischen 70 und 90% festgestellt, gemittelt über alle Ausbuchtungen der beiden transduziert Lebermodelle (Abbildung 5).

Abbildung 5. RNAi-vermittelten Knockdown von hCycB in AAV-transduzierten 3D - Leber - Modelle. Silencing von hCycB wurde durch qRT-PCR bestimmt. Mittelwerte und Standardabweichungen (SD) wurden für alle Proben jeder transduziert 3D Lebermodell berechnet (TLM1 bzw. 2) und normalisiert auf den Mittelwert der nicht-transduzierten Steuerung (Ctrl.). (Re-gedruckt mit freundlicher Genehmigung von Ref. 8.) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Die rekonstituierten 3D-Lebern hier beschrieben liefern ein Modell virale Vektoren in einem humanisierten System zu studieren. Wiederaufforstung der ECM einer Rattenleber mit einem menschlichen hepatozellulären Karzinom-Zelllinie erzeugt ein gefäß System, das die Untersuchung großer Biologika ermöglicht. Diese Ergebnisse liefern einen Proof-of-Concept, die das aufgelöste Lebermodell effizient mit einem viralen Vektor transduziert werden.
Für die Experimente hier gezeigten jeder Lappen der Leber wurde durch den AAV-Vektor transduziert. Jedoch in einigen Vorversuchen wurden einzelne Lappen nicht mit Zellen neu besiedelt. Es ist daher wichtig, die Zelltrümmer und andere Bestandteile aus Verschließen des Gefäßsystems zu verhindern. Um zu testen, ob alle Lappen perfundiert werden kann, einem nicht-toxischen Farbstoff, wie Phenolrot kann durch das Lebermodell gespült werden.
Ein weiterer entscheidender Angelegenheit hält die Leber Gerüst steril. Während der Behandlung mit Ethanol oder Antibiotika disadvantageous für das Gefäßsystem, Bestrahlen der extrazellulären Matrix mit γ-Strahlung bewahrt die Gefäße und sterilisiert die Probe.
Darüber hinaus unterscheiden sich die Größe der explantierten Lebern, so dass die Anzahl der Zellen für die Rezellularisierung Verfahrens und der Repopulation Zeit verwendet wird, kann eingestellt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.
Die Rattenlebern in der vorliegenden Studie verwendet werden , sind vergleichsweise groß und erfordern große Mengen an Zellen und Testreagenzien (zB AAV - Vektoren). Darüber hinaus nahm die Neubesiedlung Verfahren mehr als zwei Wochen. Dies begrenzt die Anzahl der Wiederholungen, die mit vertretbarem Aufwand durchgeführt werden kann. Wir schaffen derzeit das Modell für Mäuselebern, die nur etwa ein Fünftel des Volumens des Rattenlebern werden, was die Verwendung von weniger Zellen und weniger Testreagenzien. Obwohl proportional Verkleinerungs der Zellzahl sinnvoll erscheint, müssen die genauen Beträge in furt bestimmt werdenihre Experimente.
Ein weiterer Nachteil des vorliegenden Modells ist die Verwendung des hepatozellulären HepG2-Zelllinie. Die Experimente sind noch nicht abgeschlossen, die Verwendung von Hepatozyten aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenziert zu entwickeln, die ein physiologisch relevanter Modell bieten. Darüber hinaus besteht die Leber von mehreren Zelltypen zusätzlich zu den Hepatozyten, beispielsweise Kupffer - Zellen und sinosoids. Wir gehen davon aus, dass die verschiedenen Zelltypen werden ihre natürlichen Umgebungen neu zu besiedeln, wenn ein ECM mit mehreren Zelltypen rezellularisiertes wird.
Das 3D-Lebermodell vereint mehrere Vorteile. Ein wesentlicher Nachteil der herkömmlichen in vivo Modellen ist , dass Tierphysiologie wesentlich von menschlichen Physiologie unterscheidet. Toxische Nebenwirkungen der Behandlung eines menschlichen Patienten kann somit unerkannt bleiben. Dieser Mangel kann durch Rekonstitution des 3D-Lebermodell mit menschlichen Zellen überwunden werden, die eng reflektieren mehr die Biologie von huMann Patienten.
Der zweite Vorteil des Lebermodell ist ihr Beitrag zum Tierschutz. Obwohl tierische Bestandteile für die Rekonstitutionsexperimenten erforderlich sind, folgt der Ansatz noch die Ziele des 3R - Prinzips (Replacement, Reduction, Refinement), als überzähligen Tieren verwendet werden können , die für andere Tierversuche geopfert wurden, also keine zusätzlichen Tiere benötigt werden und der Ansatz vollständig vermeidet Leiden der Tiere , die häufig mit in vivo - Experimenten zugeordnet ist. Sphäroide sind ein alternatives Werkzeug zelluläre Prozesse in einem 3D-System zu untersuchen. Jedoch sind Sphäroide nicht vaskularisiert, so daß große Stoffe und Biologika nicht tief in die inneren Teile der Struktur eindringen. Diese Probleme wurden mit dem gefäß 3D Lebermodell überwinden.
In den hier beschriebenen Experimenten wurden die AAV-Vektoren untersucht, da sie zu den vielversprechendsten Kandidaten für gentherapeutische sindAnwendungen. Zahlreiche gentherapeutische Ansätze zielen die Leber bei Targeting, beispielsweise zur Behandlung von Infektionen mit Hepatitisviren oder von alpha-1-Antitrypsin - Mangel, die 3D - Leber kann in dem Verfahren dieser AAV Vektorentwicklung verwendet werden. Es ist natürlich auch geeignet für die Untersuchung von anderen hepatotropen virale Vektoren, beispielsweise adenovirale Vektoren. infektiöse Hepatitis-Viren zu studieren, wie Hepatitis B oder C Virus Zusätzlich kann es verwendet werden. Es kann zum Beispiel verwendet werden, neue antivirale Strategien zu entwickeln. Darüber hinaus repräsentieren 3D Organmodelle viel versprechende Werkzeuge neue Zytostatika-Therapeutika zu entwickeln, um Krebs zu behandeln und toxikologische Untersuchungen durchzuführen. Auf lange Sicht, künstliche Leber kann in der regenerativen Medizin als Transplantate verwendet werden. Zusammengefasst bietet das 3D-Lebermodell eine breite Palette von Anwendungen in der Infektionsbiologie und anderen Bereichen der biomedizinischen Forschung.
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Autoren danken Bernd Krostitz für die technische Unterstützung, Radoslaw Kedzierski für die ersten Beiträge zum Projekt, Erik Wade für das Korrekturlesen und hilfreiche Kommentare und Prof. Heike Walles für die Bereitstellung des Bioreaktors und das Teilen ihrer wertvollen Erfahrungen mit der Organdezellularisierung. Wir danken auch für die Finanzierung des Projekts und die Veröffentlichung durch die Technische Universität Berlin.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Inkubator | Fraunhofer | / | |
| Schlauchpumpe | Fraunhofer | / | |
| Flansch mit Nut | Duran | 2439454 | modifiziert durch Gaffer |
| O-Ring Transparent | Duran | 2922551 | |
| Schnellspanner | Duran | 2907151 | |
| Flacher Flanschdeckel | Duran | 2429857 | modifiziert von gaffer |
| Schraubgewinderohr | Duran | 2483802 | modifiziert von gaffer |
| Schraubgewinderohr | Duran | 2483602 | modifiziert von gaffer |
| Silikondichtring | Duran | 2862012 | |
| Schraubverschluss | Duran | 2924013 | |
| Schraubverschluss | Duran | 2924008 | |
| Schraubverschluss mit Öffnung | Duran | ||
| Schraubverschluss mit Öffnung | Duran | 2922705 | |
| Filter | Sarstedt | 831,826,001 | |
| Silikonschlauch | VWR | 228-1500 | |
| Schlauchverbinder | Ismatec | ISM556A | |
| Biokompatible Schläuche | Ismatec | SC0736 | |
| T175 Kulturflaschen | Greiner bio-one | 660 160 | |
| RPMI 1640 | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0501-500 | |
| Glutamin | BioWest SAS (Th. Geyer) | X0551-100 | |
| Trypsin | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0940-100 | |
| Penicillin/Streptomycin | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0022-100 | |
| fötales Kälberserum | cc pro | S-10-M | |
| Tissue-Tek O.C.T. | Weckert-Labortechnik | 600001 | |
| HepG2 | DSMZ | ACC 180 | |
| Cryomold 15 x 15 x 5 mm | Sakura | 4566 | |
| Biopsie-Stanze 4 mm | pfm medical | 48401 | |
| Nucleospin miRNA | Macherey & Nagel | 740971.10 | |
| Nukleospin RNA/DNA Puffer Set | Macherey & Nagel | 740944 |
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