Method Article

Orale kombinierte antiretrovirale Behandlung bei HIV-1-infizierten humanisierten Mäusen

DOI:

10.3791/63696

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October 6th, 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Division of Hematology and Oncology, David Geffen School of Medicine, University of California, Los Angeles

In This Article

Summary

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Dieses Protokoll beschreibt eine neuartige Methode zur Verabreichung oraler antiretroviraler Kombinationsmedikamente, die die HIV-1-RNA-Replikation in humanisierten Mäusen erfolgreich unterdrücken.

Abstract

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Die HIV-1-Pandemie breitet sich weltweit unvermindert weiter aus, und derzeit gibt es keinen Impfstoff gegen HIV. Obwohl die kombinierte antiretrovirale Therapie (cART) die Virusreplikation erfolgreich unterdrückt hat, kann sie das Reservoir von HIV-infizierten Personen nicht vollständig beseitigen. Eine sichere und wirksame Heilungsstrategie für HIV-Infektionen erfordert mehrgleisige Methoden, und daher sind die Fortschritte von Tiermodellen für HIV-1-Infektionen entscheidend für die Entwicklung der HIV-Heilungsforschung. Humanisierte Mäuse rekapitulieren Schlüsselmerkmale der HIV-1-Infektion. Das humanisierte Mausmodell kann mit HIV-1 infiziert werden und die virale Replikation kann mit cART-Therapien kontrolliert werden. Darüber hinaus führt die cART-Unterbrechung zu einem sofortigen viralen Rebound bei humanisierten Mäusen. Die Verabreichung von cART an das Tier kann jedoch unwirksam, schwierig oder toxisch sein, und viele klinisch relevante cART-Therapien können nicht optimal genutzt werden. Die Verabreichung von cART durch ein häufig verwendetes intensives tägliches Injektionsverfahren ist nicht nur potenziell unsicher für Forscher, sondern induziert auch Stress durch körperliche Zurückhaltung des Tieres. Die in diesem Artikel beschriebene neuartige orale cART-Methode zur Behandlung von HIV-1-infizierten humanisierten Mäusen führte zu einer Unterdrückung der Virämie unterhalb der Nachweisgrenze, einer erhöhten Rate der CD4+-Wiederherstellung und einer verbesserten allgemeinen Gesundheit bei HIV-1-infizierten humanisierten Mäusen.

Introduction

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Die Lebenserwartung von chronischen HIV-infizierten Personen hat sich mit einer kombinierten antiretroviralen Behandlung (cART) signifikant verbessert1,2. cART reduziert erfolgreich die HIV-1-Replikation und erhöht die CD4+ T-Zellzahl bei der Mehrheit der chronisch infizierten HIV-1-Teilnehmer auf Normalität3, was zu einer verbesserten allgemeinen Gesundheit und einer dramatisch reduzierten Krankheitsprogression führt4. Das latente HIV-1-Reservoir wird jedoch auch dann etabliert, wenn ART während der akuten Infektioninitiiert wird 5,6,7. Reservoirs bleiben während der ART über Jahre bestehen und ein schneller viraler Rebound nach ART-Unterbrechung ist gut dokumentiert 8,9. Menschen, die mit HIV auf ART leben, sind auch anfällig für ein höheres Risiko für Komorbiditäten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs und Neurostörungen10,11,12. Daher ist eine funktionelle Heilung für HIV erforderlich. Tiermodelle für HIV-1-Infektionen bieten offensichtliche Vorteile bei der Entwicklung und Validierung neuartiger HIV-Heilungsstrategien13,14,15. Humanisierte Mäuse können als Kleintiermodell eine Multilineage-Rekonstitution menschlicher Immunzellen in verschiedenen Geweben bereitstellen, was eine genaue Untersuchung der HIV-Infektion ermöglicht16,17,18,19. Unter den humanisierten Modellen rekapituliert das humanisierte Knochenmark-Leber-Thymus-Modell (BLT) erfolgreich chronische HIV-1-Infektion sowie funktionelle menschliche Immunantworten auf HIV-1-Infektion 20,21,22,23,24. Daher wurde das humanisierte BLT-Mausmodell häufig verwendet, um verschiedene Aspekte im HIV-Forschungsfeld zu untersuchen. Humanisierte BLT-Mäuse sind nicht nur etablierte Modelle für die Rekapitulation persistierender HIV-1-Infektion und Pathogenese, sondern auch konsequente Werkzeuge zur Bewertung zelltherapiebasierter Interventionsstrategien. Die aktuellen Autoren und andere haben gezeigt, dass das humanisierte BLT-Mäusemodell persistierende HIV-1-Infektion und Pathogenese rekapituliert 25,26,27 und Werkzeuge zur Bewertung zelltherapiebasierter Interventionsstrategien 28,29,30,31,32,33 bereitstellt.

cART-Therapien, die aus Kombinationen von antiretroviralen Medikamenten bestehen, die täglich eingenommen werden, unterdrücken die HIV-1-Replikation bis zu dem Punkt, dass die Viruslast bei erfolgreich behandelten Personen langfristig nicht nachweisbar ist34. Die Ergebnisse der Behandlung von HIV-infizierten humanisierten Mäusen mit klinisch relevanten cART-Therapien ähneln denen, die bei HIV-1-infizierten ART-behandelten Personen beobachtet wurden22: HIV-1-Spiegel werden unterhalb der Nachweisgrenzen unterdrückt und die Unterbrechung der cART führt zu einer Erholung der HIV-Replikation aus dem latenten Reservoir35. Subkutane (SC)27,36,37 oder intraperitoneale (IP)37,38,39 Injektion ist der übliche Weg für die cART-Behandlung bei humanisierten Mäusen. Eine intensive tägliche Injektion führt jedoch zu Stress bei den Tieren durch körperliche Zurückhaltung40. Es ist auch arbeitsintensiv und potenziell unsicher für Forscher aufgrund der erhöhten Exposition gegenüber HIV während der Verwendung von scharfen Gegenständen. Die orale Verabreichung ist ideal, um die Resorption, Verteilung und Ausscheidung von cART-Medikamenten nachzuahmen, die von HIV-1-infizierten Personen eingenommen werden. Die orale Verabreichung beinhaltet typischerweise maßgeschneiderte und oft mühsame Verfahren, um die antiretroviralen Medikamente in sterilisiertes (aufgrund der Immunschwäche der Mäuse notwendiges) Futter 24,37,41 oder Wasser 42,43,44,45,46 zu geben. , die chemisch mit vielen antiretroviralen Medikamenten kompatibel sein können oder nicht oder zu etwas führen, das die Mäuse nicht ohne weiteres essen oder trinken würden (was die Dosis und die Medikamentenspiegel im Körper beeinflussen würde). Die hier vorgeschlagene neuartige perorale cART-Verabreichungsmethode übertrifft frühere Verabreichungsversuche aufgrund ihrer Kompatibilität mit verschiedenen Arten von antiretroviralen Arzneimitteln, der Sicherheit und Einfachheit der Zubereitung und Verabreichung sowie der Verringerung von Stress und Angst bei Tieren aufgrund der täglichen Injektion.

Tenofovirdisoproxilfumarat (TDF), Elvitegravir (ELV) und Raltegravir (RAL) sind schwer wasserlösliche Arzneimittel. Interessanterweise wird eine erhöhte Bioverfügbarkeit von TDF bei fetthaltigen Lebensmitteln beobachtet, was darauf hindeutet, dass eine kompetitive Hemmung von Lipasen durch fetthaltige Nahrung einen gewissen Schutz für TDF47 bieten kann. Daher wurden DietGel Boost-Becher ausgewählt, um normales Nagetierfutter als Verabreichungsmethode zu ersetzen, basierend auf ihrem bescheidenen Fettgehalt (20,3 g pro 100 g) im Vergleich zu normalem Nagetierfutter (10 g pro 100 g) und einer typischen fettreichen Ernährung der Maus (40-60 g pro 100 g)48. Das Gesamtgewicht einer Tasse beträgt 75 g; So enthält jede Tasse die Menge an Nahrung und damit Medikament, die für fünf Mäuse über 3 Tage ausreicht.

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Protocol

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Anonymisiertes menschliches fetales Gewebe wurde kommerziell erworben. Tierversuche wurden nach Protokollen durchgeführt, die von der University of California, Los Angeles, und (UCLA) Animal Research Committee (ARC) in Übereinstimmung mit allen Bundes-, Landes- und lokalen Richtlinien genehmigt wurden. Insbesondere wurden alle Experimente in Übereinstimmung mit den Empfehlungen und Richtlinien für die Unterbringung und Pflege von Labortieren der National Institutes of Health (NIH) und der Association for the Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care (AALAC) International unter der UCLA ARC-Protokollnummer 2010-038-02B durchgeführt. Alle Operationen wurden unter Ketamin (100 mg/kg)/Xylazin (5 mg/kg) und Isoflurananästhesie (2-3 Vol%) durchgeführt, und es wurden alle Anstrengungen unternommen, um die Schmerzen und Beschwerden der Tiere zu minimieren.

1. Humanisierte Mäuse, die mit HIV-1 infiziert sind

ANMERKUNG: Humanisierte Mäuse wurden wie zuvor in30,31,49 beschrieben konstruiert. Das Protokoll wird im Folgenden kurz beschrieben.

  1. Reinigen Sie CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellen aus der menschlichen fetalen Leber über Anti-CD34-Mikroperlen gemäß dem Protokoll des Herstellers.
  2. Betäuben Sie 6-8 Wochen alte NOD/SCID/IL2Rγ−/− (NSG) männliche und weibliche Mäuse und bestrahlen Sie subletal (2,7 Gy) vor der Operation.
  3. Implantieren Sie den Thymus, der vom gleichen Spender wie die fetale Leber stammt, zusammen mit der Leber unter die Nierenkapsel.
  4. Nach der Implantation injizieren Sie Mäusen 0,5 Millionen bis eine Million CD34+ Zellen intravenös.
  5. Nach 8-10 Wochen 100 μL Mausblut über retroorbitale Blutung50 in Mikrozentrifugenröhrchen mit 5 μL EDTA sammeln und bei 350 x g für 3 min zentrifugieren.
  6. Lagern Sie das Plasma bei -80 °C, um die Viruslast nach einer Infektion der Maus mit HIV-1 zu überwachen. Fügen Sie 2 ml 83% ige NH4C-Lösung hinzu und inkubieren Sie für 5 Minuten bei Raumtemperatur, um rote Blutkörperchen zu lysieren.
  7. Fügen Sie 10 ml RPMI mit 10% Fetal Bovine Serum (FBS) hinzu, um die Lyse zu stoppen. Mit 300 x g 5 min drehen.
  8. Aspiratüberstand. Färben Sie Zellen mit Antikörper-Panel (siehe Materialtabelle) und analysieren Sie mittels Durchflusszytometrie, um die Anpflanzung menschlicher Immunzellen zu überprüfen.
  9. Infektion von Mäusen, die mehr als 50% der zirkulierenden CD45+-Zellen aufweisen, durch retroorbitale Veneninjektion51,52 mit mindestens 200 ng p24 eines HIV-1-Stammes (d. h. NFNSXSL9 30,53,54) unter Verwendung einer Insulinspritze. Sammeln Sie alle zwei Wochen Blut für die Durchflusszytometrie und zur Messung der Viruslast.

2. Herstellung von ART-Medikamenten

  1. Wiegen Sie einzelne Drogen; Um beispielsweise 10 Lebensmittelbecher mit cART herzustellen, verwenden Sie sterile Zellschaber, um 250 mg FTC (Emtricitabin), 375 mg TDF und 500 mg RAL oder ELV in einzelne sterile 15-ml-Zentrifugenröhrchen in einer Biosicherheitswerkbank abzuwiegen.
  2. Fügen Sie 1 ml DMSO in 250 mg FTC-Röhrchen (Endkonzentration von 250 mg / ml), 1,5 ml DMSO in 375 mg TDF-Röhrchen (Endkonzentration von 250 mg / ml) und 1 ml DMSO in 500 mg RAL- oder ELV-Röhrchen (Endkonzentration von 500 mg / ml) hinzu. Rühren oder pipeten Sie die Arzneimittelmischung, bis sie vollständig aufgelöst ist und eine klare Lösung erhalten wird.
  3. Verwenden Sie einen hydrophilen PVDF-Membranfilter mit einer Porengröße von 0,22 μM, um Lösungen mit einer sterilen Spritze zu sterilisieren. Einzelne Arzneimittellösungen können 12 Wochen bei -20 °C gelagert werden.
  4. Wenn Sie gebrauchsfertig sind, tauen Sie ein Aliquot jeder Arzneimittellösung bei 37 °C frisch auf, bis die Lösung klar wird. Mit einer Pipette gut mischen.
  5. Kombinieren Sie Medikamente und mischen Sie gut, um Master-Mix zu bilden: 1 ml FTC in DMSO, 1,5 ml TDF in DMSO und 1 ml ELV oder RAL in DMSO.
    HINWEIS: Diese Menge ergibt 10 Lebensmittelbecher.
  6. Fügen Sie 350 μL cART Master Mix Lösung in eine Tasse hinzu, um einen DietGel Boost cART Becher herzustellen.
  7. 0,75 ml Trimethoprim-Sulfamethoxazol (0,48 mg/ml Endkonzentration) in den Becher geben.
  8. Rühren Sie gründlich mit 1 ml sterilen Pipettenspitzen um.
  9. Aliquot den Lebensmittelbecher mit cART aus dem Originalbecher mit einem Mikrospatel auf eine 60 mm Petrischale nach Bedarf. Wiegen Sie das Futter auf einer Waage, um die Menge des Futterbechers mit cART für jeden Käfig entsprechend der Anzahl der Mäuse zu berechnen.

3. Verabreichung von ART-Medikamenten an HIV-1-infizierte Mäuse

  1. Entfernen Sie normales Chow aus dem Käfig und ersetzen Sie es durch einen Futterbecher, der cART enthält.
    HINWEIS: Im Durchschnitt frisst eine Maus bis zu 5 g Nahrung pro Tag. Ungefähr ein Futterbecher kann fünf Mäusen für 2 Tage verabreicht werden.
  2. Erfrischen Sie das cART-Essen dreimal pro Woche.
  3. Wiegen Sie gebrauchte Becher, um die Aufnahme zu überwachen. Wiegen Sie Mäuse wöchentlich, um den Verzehr zu bestätigen.

4. Überwachung der Viruslast mittels real-time PCR

  1. Beurteilung menschlicher Immunzellen (CD4- und CD8-T-Zellspiegel) und HIV-1-Replikation in BLT-Mäusen alle 2 Wochen durch retroorbitale Blutungen. Extrahieren Sie Plasma, indem Sie die Anweisungen in den Schritten 1.5-1.8 befolgen.
  2. Überwachen Sie die Plasmaviruslast von Mäusen, die mit HIV-1 infiziert sind, vor und während der oralen cART-Verabreichung für 8 Wochen. Extraktion viraler Plasma-RNA aus dem Plasma unter Verwendung eines viralen RNA-Extraktionskits und Quantifizierung mittels real-time PCR unter Verwendung der Primer und Sonden (siehe Materialtabelle) wie zuvor beschrieben 27,30,31. Verwenden Sie das folgende Zyklusprotokoll: 48 °C (15 min), 95 °C (10 min), dann 95 °C (15 s), 60 °C (1 min) für 45 Zyklen.

5. Bewerten Sie CD4 / CD8-Verhältnisse durch Durchflusszytometrie

  1. Bereiten Sie einzellige Suspensionen aus peripherem Blut von zweiwöchentlichen Blutungen gemäß den Schritten 1.5-1.8 vor.
  2. Färben Sie Zellen mit Oberflächenmarkern und analysieren Sie sie mittels Durchflusszytometrie. Verwenden Sie die folgenden Oberflächenmarker-Antikörper 27,30,43,49 in der Durchflusszytometrie: CD45 (Klon HI30), CD8 (Klon SK1), CD3 (Klon OKT3), CD4 (Klon RPA-T4)27,30,42,49.

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Results

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Unter der Annahme, dass eine durchschnittliche Maus mit einem Gewicht von 25 g 4 g Nahrung pro Tag aufnimmt, entspricht die tägliche Arzneimitteldosis durch orale Einnahme 2,88 mg/kg TFV, 83 mg/kg FTC und 768 mg/kg RAL. Um zu testen, ob die optimierte Ernährung toxisch ist und die allgemeine Gesundheit im Vergleich zur täglichen Injektion von cART beeinflusst, wurde das Gewicht der Mäuse wöchentlich vor und während der cART durch orale oder subkutane Injektion überwacht. Es gab keine signifikanten Gewichtsunterschiede vo...

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Discussion

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Hier wird eine orale cART-Verabreichungsmethode für HIV-1-infizierte humanisierte Mäuse entwickelt, indem drei antiretrovirale Medikamente in nährstoffreicher Nahrung kombiniert werden. Im Vergleich zur Verabreichung durch tägliche Injektionen ist die orale Verabreichung einfacher anzuwenden, begrenzt die Verabreichungshäufigkeit, reduziert die Handhabung von Tieren, minimiert Stress und verbessert die Sicherheit55. Bis zu diesem Zeitpunkt haben nur wenige Studien an humanisierten Mäusen

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Disclosures

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SK ist einer der Gründer von CDR3 Inc. Die übrigen Autoren erklären, dass die Forschung ohne kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Acknowledgements

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Wir möchten uns bei Dr. Romas Geleziunas und Dr. Jeff Murry sowie den Mitarbeitern von Gilead für die Bereitstellung der in dieser Studie verwendeten antiretroviralen Medikamente bedanken. Diese Arbeit wurde finanziert durch NCI 1R01CA239261-01 (an Kitchen), NIH Grants P30AI28697 (UCLA CFAR Virology Core, Gene and Cell Therapy Core und Humanized Mouse Core), U19AI149504 (PIs: Kitchen & Chen), CIRM DISC2-10748, NIDA R01DA-52841 (an Zhen), NIAID R2120200174 (PIs: Xie & Zhen), IRACDA K12 GM106996 (Carrillo). Diese Arbeit wurde auch vom UCLA AIDS Institute, dem James B. Pendleton Charitable Trust und der McCarthy Family Foundation unterstützt.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
60 mm PetrischaleThermo Scientific Nunc150288Für die Aliquotierung von ART-Lebensmitteln
APC Anti-Human-CD8-AntikörpernBiolegend344722Für die Durchflusszytometrie
BD LSRFortessaBD biosciencesFür die Durchflussdatenerfassung
CD34-MikrokügelchenMiltenyi Biotec130-046-702Für die Erzeugung von NSG-BLT-Mäusen
ZentrifugenröhrchenFalcon14-432-22Zum Auflösen von ART
DietGel BoostClearH2O72-04-5022Zum Herstellen von ART-Lebensmitteln
ElvitegravirGileadGifted from
Gilead EmtricitabinGileadGifted from Gilead
FITC anti-human CD3 AntikörperBiolegend317306Für Durchflusszytometrie
Flowjo SoftwareFlowJoFür die Analyse von Durchflusszytometrie-Daten
HIV-1 Forward Primer: 5′-CAATGGCAGCAATTTCACCA-3′;IDTAngepasstfür die Viruslast RT-PCR
HIV-1 Sonde: 5′-[6-FAM]CCCACCAACAGGCGGCCT
TAACTG [Tamra-Q]-3′;		IDTCustomizedFor Viral Load RT-PCR
HIV-1 Reverse Primer: 5′-GAATGCCAAATTCCTGCTTGA-3′;IDTAngepasstan die Viruslast RT-PCR
Menschliches fötales GewebeAdvanced Bioscience Resources, Inc
Mäuse, Stamm NOD. Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJThe Jackson Laboratory5557Für die Konstruktion der humanisierten Mäuse
Pacific Blue Anti-Human-CD45Biolegend304022Für die Durchflusszytometrie
PerCP Anti-Human-CD4-AntikörperBiolegend300528Für die Durchflusszytometrie
QIAamp Virale RNA-KitsQiagen  52904Zur Messung der Viruslast
RaltegravirMerckGifted von Merck
Sterile ZellschaberThermo Scientific179693Zur Aliquotierung von ART-Lebensmitteln
TaqMan RNA-To-Ct 1-Step KitApplied Biosystems4392653Für den Nachweis der Viruslast
im Plasma TenofovirdisoproxilfumaratGileadGeschenkt von Gilead
Trimethoprim-SulfamethoxazolPharmaceutical AssociatesNDC 0121-0854-16Zur Sterilisierung von ART-Lebensmitteln. Jeder 5 ml Teelöffel enthält
200 mg Sulfamethoxazol, USP
40 mg Trimethoprim, USP
NMT 0,5% Alkohol

References

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