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Research Article
Kyla A. Britson1,2, Aaron D. Black2,3, Kathryn R. Wagner1,2,3,4, Thomas E. Lloyd1,2,4
1Graduate Program in Cellular and Molecular Medicine,Johns Hopkins University School of Medicine, 2Department of Neurology,Johns Hopkins University School of Medicine, 3Kennedy Krieger Institute, 4Department of Neuroscience,Johns Hopkins University School of Medicine
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Les maladies humaines complexes peuvent être difficiles à modéliser dans les systèmes modèles de laboratoire traditionnels. Ici, nous décrivons une approche chirurgicale pour modéliser la maladie de muscle humain par la transplantation des biopsies humaines de muscle squelettique dans les souris immunodéficientes.
Les effets de traitement observés dans les études sur les animaux ne sont souvent pas récapitulés dans les essais cliniques. Bien que ce problème soit multiforme, l'une des raisons de cet échec est l'utilisation de modèles de laboratoire inadéquats. Il est difficile de modéliser des maladies humaines complexes dans les organismes de laboratoire traditionnels, mais cette question peut être contournée par l'étude des xénogreffes humaines. La méthode chirurgicale que nous décrivons ici permet la création de xénogreffes musculaires squelettiques humaines, qui peuvent être utilisées pour modéliser les maladies musculaires et pour effectuer des tests thérapeutiques précliniques. En vertu d'un protocole approuvé par la Commission d'examen institutionnel (CISR), des échantillons de muscle squelettique sont acquis auprès de patients, puis transplantés chez des souris hôtes NOD-Rag1nullIL2rMD (NRG). Ces souris sont des hôtes idéaux pour les études de transplantation en raison de leur incapacité à faire des lymphocytes matures et sont donc incapables de développer des réponses immunitaires adaptatives à médiation cellulaire et humoristique. Les souris hôtes sont anesthésiés avec de l'isoflurane, et les muscles de la souris tibialis antérieure et extensor digitorum longus sont enlevés. Un morceau de muscle humain est alors placé dans le compartiment tibial vide et suture aux tendons proximalets et distal du muscle de longus de peroneus. Le muscle xénogreed est spontanément vascularisé et innervé par l'hôte de souris, ayant pour résultat le muscle humain robustement régénéré qui peut servir de modèle pour des études précliniques.
Il a été signalé que seulement 13,8 % de tous les programmes de développement de médicaments faisant l'objet d'essais cliniques sont couronnés de succès et mènent à des thérapies approuvées1. Bien que ce taux de réussite soit supérieur aux 10,4 % précédemment déclarés2,il y a encore beaucoup de place à l'amélioration. Une approche pour augmenter le taux de réussite des essais cliniques consiste à améliorer les modèles de laboratoire utilisés dans la recherche préclinique. La Food and Drug Administration (FDA) exige que des études sur les animaux montrent l'efficacité du traitement et évaluent la toxicité avant les essais cliniques de phase 1. Cependant, il y a souvent une concordance limitée dans les résultats du traitement entre les études sur les animaux et les essais cliniques3. En outre, la nécessité d'études précliniques sur les animaux peut constituer un obstacle insurmontable au développement thérapeutique dans les maladies qui n'ont pas de modèle animal accepté, ce qui est souvent le cas pour les maladies rares ou sporadiques.
Une façon de modéliser la maladie humaine est de transplanter des tissus humains dans des souris immunodéficientes pour générer des xénogreffes. Il y a trois avantages principaux aux modèles de xénogreffe : premièrement, ils peuvent récapituler les anomalies génétiques et épigénétiques complexes qui existent dans la maladie humaine qui peuvent ne jamais être reproductibles dans d'autres modèles animaux. Deuxièmement, les xénogreffes peuvent être utilisées pour modéliser des maladies rares ou sporadiques si des échantillons de patients sont disponibles. Troisièmement, les xénogreffes modéliser la maladie dans un système in vivo complet. Pour ces raisons, nous émettons l'hypothèse que les résultats d'efficacité du traitement dans les modèles de xénogreffe sont plus susceptibles de se traduire par des essais chez les patients. Les xénogreffes de tumeur humaine ont déjà été utilisées avec succès pour développer des traitements pour les cancers communs, y compris le myélome multiple, aussi bien que des thérapies personnalisées pour les patients individuels4,5,6, 7.
Récemment, les xénogreffes ont été utilisées pour développer un modèle de maladie musculaire humaine8. Dans ce modèle, des spécimens de biopsie de muscle humain sont transplantés dans les membres postérieurs des souris immunodéficientes de NRG pour former des xénogreffes. Les myofibres humaines transplantées meurent, mais les cellules souches de muscle humain présentes dans le xénogreffe se développent et se différencient par la suite en nouveaux myofibers humains qui repeuplent la lame basale humaine greffée. Par conséquent, les myofibres régénérées dans ces xérogreffes sont entièrement humaines et sont spontanément revascularisées et innervées par l'hôte de souris. Fait important, la dystrophie musculaire fascioscapulohumeral (FSHD) tissu musculaire patient transplanté chez des souris récapitule les caractéristiques clés de la maladie humaine, à savoir l'expression du facteur de transcription DUX4 8. FSHD est causée par la surexpression de DUX4, qui est épigénétiquement réduit au silence dans le tissu musculaire normal9,10. Dans le modèle de xénogreffe de FSHD, le traitement avec un morpholino DUX4-spécifique a été montré pour réprimer avec succès l'expression et la fonction de DUX4, et peut être une option thérapeutique potentielle pour des patients de FSHD11. Ces résultats démontrent que les xénogreffes musculaires humaines sont une nouvelle approche pour modéliser la maladie musculaire humaine et tester des thérapies potentielles chez la souris. Ici, nous décrivons en détail la méthode chirurgicale pour créer des xénogreffes de muscle squelettique humain dans les souris immunodéficientes.
Toute utilisation de spécimens de recherche provenant de sujets humains a été approuvée par la Johns Hopkins Institutional Review Board (IRB) pour protéger les droits et le bien-être des participants. Toutes les expériences sur les animaux ont été approuvées par le Comité institutionnel de soins et d'utilisation des animaux de l'Université Johns Hopkins (IACUC) conformément au Guide des National Institutes of Health (NIH) pour les soins et l'utilisation des animaux de laboratoire. Les souris hôtes mâles NOD-Rag1nullIL2rMD (NRG) (8-12 semaines) sont utilisées pour effectuer des expériences de xénogreffe. Ces souris sont logées dans des grilles ventilées et reçoivent de l'air hePA filtré, trempé et humidifié ainsi que de l'eau hyperchlorée filtrée par osmose inverse. Les souris reçoivent de l'eau et un régime antibiotique irradié (Table of Materials) ad libitum, et l'installation fournit 14 h de lumière à 10 h d'obscurité contrôlée par minuterie centrale.
1. Préparation de l'équipement
2. Préparation chirurgicale
3. Chirurgie de Xénogreffe
4. Collection Xenograft
REMARQUE: Les xénogreffes sont généralement recueillies entre 4 et 6 mois après la chirurgie. Cependant, les collections ont été effectuées jusqu'à 12 mois après la chirurgie.
5. Immunohistochimie De Xénogreffe

Figure 2 : Chirurgie de xénogreffe. (A) Les cheveux sont retirés du site chirurgical. (B) Une incision est faite sur le tibialis antérieur (TA). Les tendons distal du TA et de l'extenseur digitorum longus (EDL) sont marqués de flèches. La ligne pointillée noire indique où l'épimysium sera coupé à l'étape 3.3. (C) Le tendon distal du TA est coupé et le muscle est tiré vers le haut au genou. (D) Le tendon de l'EDL est coupé et l'EDL est tiré jusqu'au genou. Ceci expose le tendon proximal du peron longus (PL) marqué d'une flèche. Les lignes en pointillés indiquent où couper avec des ciseaux pour enlever l'EDL (vert) et le PL (bleu). (E) L'EDL et le TA sont supprimés. (F) Une suture est placée par le tendon proximal du PL. (G) Le xénogreffe est placé dans le compartiment tibial vide et suture au tendon proximal de PL utilisant un noeud carré chirurgical à deux mains. (H) Une suture est placée par le tendon distal du PL, marqué d'une flèche, et un autre noeud carré chirurgical à deux mains est employé pour suturer le xénogreffe au tendon distal. (I) Le xénogreffe est entièrement transplanté et sutureà la PL. (J) La peau est fermée avec de la colle chirurgicale. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Collection Xenograft de 4 mois. (A) Les cheveux sont retirés du site chirurgical. Les sutures sont visibles sous la peau. (B) La peau qui recèle le xénogreffe est enlevée. Ensuite, le xénogreffe est saisi avec les forceps de l'iris à la suture distale et doucement tiré vers le haut. À partir de la cheville, un scalpel est utilisé pour couper le long du tibia et libérer le xénogreffe. La flèche montre le début de l'incision le long du tibia. (C) En tirant le muscle gastrocnemius sur le côté, une faible ligne blanche d'épimysium séparant le muscle du peronus longus (PL) et le gastrocnemius (montré par la flèche) devient visible. Utilisez le scalpel pour couper le long de cette ligne pour séparer le PL des autres muscles des jambes. (D) Le côté droit de la xénogreffe, et le PL sont maintenant libres des autres muscles de la jambe et sont prêts pour l'enlèvement. La ligne pointillée indique où couper avec des ciseaux chirurgicaux pour commencer à enlever le xénogreffe et PL. (E) Après avoir coupé au-dessous de la suture distale, dévier le xénogreffe vers le genou. La ligne pointillée indique où couper avec des ciseaux chirurgicaux pour enlever le xénogreffe et le PL du compartiment tibial. (F) Le compartiment tibial vide avec le xénogreffe et le PL ont réussi à enlever. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Comme l'a démontré Yuanfan Zhang et coll., ce protocole chirurgical est une méthode simple pour produire des xénogreffes musculaires squelettiques humaines8. Les xénogreffes régénérés deviennent spontanément innervés et affichent la contractilité fonctionnelle. En outre, le muscle xénografted des patients de FSHD récapitule des changements dans l'expression de gène observédans les patients de FSHD8.
Dans notre expérience, approximativement 7 sur 8 xénogreffes exécutées des spécimens de patient de contrôle montreront l'engraftment réussi de muscle. Un xénogreffe réussi montre la régénération robuste des myofibres humaines identifiées avec des anticorps spécifiques humains (figure 4). La coloration embryonnaire positive de la myosine dans une proportion de myofibres indique que le processus de régénération est toujours en cours. En revanche, une mauvaise technique chirurgicale ou un spécimen inadéquat peut conduire à une mauvaise régénération des fibres musculaires (figure 4).
Les xénogreffes exécutées d'un patient diagnostiqué avec une myopathie inflammatoire idiopathique (IIM) montrent des nombres modérés de myofibers humains régénérés aux collections de 4 et 6 mois, et la coloration embryonnaire de myosine persiste à 6 mois(figure 5A). Les cellules inflammatoires sont présentes dans le xénogreffe comme le montre la coloration de h et E (figure 5A), et ont été confirmées avec CD3, CD68, et d'autres marqueurs immunologiques (données non montrées). Les xénogreffes sont stables au sein de la souris, et des collections allant jusqu'à 12 mois ont été effectuées. La taille individuelle de myofiber est comparable entre les xénogreffes iIM de 4 et 6 mois et la biopsie patiente d'IIM originale (figure 5B). Des fibres rares montrant une zone transversale (ASC) supérieure à 3500 m2 sont observées dans les xénogreffes, mais pas dans la biopsie iIM, ce qui indique que certaines myofibres dans les xénogreffes peuvent se régénérer à un CSA comparable en taille aux myofibres saines (Figure 5B ).

Figure 1 : Mise en place chirurgicale.
A) Orientation standard du microscope stéréo, du circuit respiratoire Mapleson E et des outils chirurgicaux pendant la chirurgie du xénogreffe. B) Placement de la chambre d'induction dans l'armoire de biosécurité.

Figure 4 : Résultats positifs et négatifs attendus.
Les xénogreffes recueillies 4 mois après la chirurgie montrant une bonne ou une mauvaise régénération sont tachées de lamin A/C spécifique à l'homme (1:50) et de spectrine spécifique à l'homme (1:20) et de myosine embryonnaire (1:10)(tableau des matériaux). Les régions indiquées par les boîtes pointillées blanches sont indiquées sous forme d'inserts de grossissement plus élevés. Barre d'échelle : 200 m. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5 : Régénération du Xenogreffe représentatif.
A) Xénogreffes (décrites avec des lignes pointillées) exécutées à partir d'un patient diagnostiqué avec une myopathie inflammatoire idiopathique (IIM) souillée avec l'hématoxylin et l'éosine (H et E), la lamin a/C spécifique humaine, et la spectrine spécifique humaine, montrent la formation de myofiber chez les souris NRG à des moments de 4 et 6 mois. La coloration de la myosine embryonnaire démontre que la régénération est toujours en cours aux deux moments. Barre d'échelle : 200 m. B) Histogrammes représentant la zone transversale sectionnelle (CSA) des myofibers des xénogreffes de 4 et 6 mois et des biopsies humaines d'un patient diagnostiqué avec une myopathie inflammatoire idiopathique (IIM) et d'un patient témoin sain. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents.
Les maladies humaines complexes peuvent être difficiles à modéliser dans les systèmes modèles de laboratoire traditionnels. Ici, nous décrivons une approche chirurgicale pour modéliser la maladie de muscle humain par la transplantation des biopsies humaines de muscle squelettique dans les souris immunodéficientes.
Ce travail a été soutenu par l'Association Myositis et la Fondation Peter Buck. Nous tenons à remercier le Dr Yuanfan Zhang pour le partage de son expertise et de sa formation dans la technique chirurgicale de xénogreffe.
| Boîte de Pétri 100 mm x 15 mm | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| 2-Méthylbutane | Fisher | O3551-4 | |
| Micro verre de protection 20 mm x 30 mm | VWR | 48393-151 | |
| Balance pour animaux | Kent Scientific | SCL-1015 | |
| Solution antibiotique-antimycotique | Corning, Cellgro | 30-004-CI | |
| Système AutoClip | F.S.T | 12020-00 | |
| Porte-aiguille Castroviejo | F.S.T | 12565-14 | |
| Extrait d’embryon de poussin | Précis | CE650TL | |
| CM1860 Cryostat UV | Leica Biosystems | CM1860UV | |
| Coplin Pot de coloration | Thermo Scientific | 19-4 | |
| Broches de dissection | Fisher Scientific | S13976 | |
| Glace carbonique - granulés | Fisher Scientific | NC9584462 | |
| Anticorps anti-myosine embryonnaire | DSHB | F1.652 | concentration recommandée 1:10 |
| Éthanol | Fisher Scientific | 459836 | |
| Sérum de bovin fœtal | GE Healthcare Life Sciences | SH30071.01 | |
| Fiber-Lite MI-150 | Dolan-Jenner | Mi-150 | |
| Pince | F.S.T | 11295-20 | |
| Chèvre anti-souris IgG1, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21121 | concentration recommandée 1:500 |
| Chèvre anti-souris IgG2b, AlexaFluor 594 | Invitrogen | A-21145 | concentration recommandée 1:500 |
| Gomme adragante | Sigma | G1128 | |
| Jambons F-10 Medium | Corning | 10-070-CV | |
| Histoacryl Blue Topical Skin Adhésif | Tissu | TS1050044FP | |
| Anticorps anti-lamin A/C spécifique à l’homme | Abcam | ab40567 | concentration recommandée 1:50-1:100 |
| Anticorps à spectrine spécifique à l’homme | Leica Biosystems | NCLSPEC1 | concentration recommandée 1:20-1:100 |
| Chambre d’induction | VetEquip | 941444 | |
| Iris Forceps | F.S.T | 11066-07 | |
| Irradiated Global 2018 (Uniprim 4100 ppm) | Envigo | TD.06596 | Régime antibiotique pour rongeurs pour protéger à nouveau les infections respiratoires |
| Isoflurane | MWI Veterinary Supply | 502017 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34155 | lingettes chirurgicales |
| Mapleson E Breathing Circuit | VetEquip | 921412 | |
| Méthanol | Fisher Scientific | A412 | |
| Machine d’anesthésie mobile | VetEquip | 901805 | |
| souris sur souris Kit de base | Vector Laboratories | BMK-2202 | souris Réactif bloquant les IgG Vernis |
| ongles | Microscopie électronique Sciences | 72180 | |
| NAIR Lotion/huile décapante | Fisher Scientific | NC0132811 | |
| NOD-Rag1null IL2rg null (NRG) | souris The Jackson Laboratory 007799 | 2 à 3 mois | |
| O.C.T. Compound | Fisher Scientific | 23-730-571 | |
| Oxygène | Airgas | OX USPEA | |
| TAMPON PBS (phosphate tamponné salin) | Fisher Scientific | 4870500 | |
| Povidone iode Solution de préparation | Dynarex | 1415 | |
| ProLong&trade ; Or Antifade Mountant | Fisher Scientific | P10144 (pas de DAPI) ; P36935 (avec DAPI) | |
| Puralube Pommade ophtalmique | Dechra | 17033-211-38 | |
| Rimadyl (carprofène) injectable | Patterson | Analgésique vétérinaire 10000319 chirurgical, administré par voie sous-cutanée à une dose de 5 mg/kg | |
| Lames de bistouri - #11 | F.S.T | 10011-00 | |
| Manche de scalpel - #3 | F.S.T | 10003-12 | |
| Stéréo Microscope | Accu-scope | 3075 | |
| Superfrost Plus Lames de microscope | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Suture, synthétique, non résorbable, 30 pouces de long, aiguille CV-11 | Covidien | VP-706-X | |
| Seringue de 1 ml (calibre 26, aiguille 3/8 pouce) | BD Biosciences | 329412 | |
| Trimmer | Kent Scientific | CL9990-KIT | |
| Ciseaux à ressort Vannas, tranchant 8,0 mm | F.S.T | 15009-08 | |
| Filtre à charbon actif VaporGaurd | VetEquip | 931401 | |
| Clips de bobinage, 9 mm | F.S.T | 12022-09 |