המטריצה החוץ-תאית של כבד חולדה נטול תאים יכולה לשמש כמודל ex vivo תלת מימדי אנושי כדי לחקור את התפוצה והביטוי הטרנסגני של נגיף או וקטור ויראלי.
מאמר שיטה
המטריצה החוץ-תאית של כבד חולדה נטול תאים יכולה לשמש כמודל ex vivo תלת מימדי אנושי כדי לחקור את התפוצה והביטוי הטרנסגני של נגיף או וקטור ויראלי.
פרוטוקול זה מתאר את הדור של (3D) תלת מימדי מודל כבד vivo לשעבר ויישומו במחקר ופיתוח של מערכות וקטור ויראלי. המודל מתקבל על ידי repopulating המטריצה התאית של כבד עכברוש decellularized עם קו תא hepatocyte אנושי. המודל מאפשר לימודי מערכת תאי 3D vascularized, החלפת ניסויים מזיקים עם בעלי חיים. יתרון נוסף הוא הטבע האנושי של המודל, שדומה יותר פיזיולוגיה אנושית מאשר במודלים של בעלי חיים.
במחקר זה, אנו מדגימים את התמרה של מודל הכבד הזה עם וקטור ויראלי נגזר וירוסים adeno הקשורים (וקטור AAV). מעגל זלוף המספק המודל הכבד 3D עם תקשורת מספק אמצעי קל ליישום הווקטור. המערכת מאפשרת ניטור של פרמטרים מטבוליים העיקריים של הכבד. עבור בסופו של דבר, דגימות רקמה שניתן לנקוט כדי לקבוע את מידת recellularization ידי טכניקות היסטולוגית. הפצה של וקטור וירוס וביטוי של transgene נמסר יכול להיות מנותח על ידי PCR כמותי (qPCR), סופג אימונוהיסטוכימיה המערבי. יישומים רבים של מודל הווקטור במחקר בסיסי בפיתוח יישומים רפואיים גן יכולים להיות שחזה, כוללים פיתוח תרופות אנטי רומן, חקר הסרטן, ואת המחקר של וקטורים ויראליים ותופעות הלוואי האפשריות שלהן.
רוב המחקר הביו-רפואי הנוכחי מסתמך על אחת משתי גישות, או ניסויים דו-ממדיים בתרבית תאים או מודלים של בעלי חיים, שהם תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) מעצם טבעם. עם זאת, לגישות אלה יש כמה חסרונות חמורים. תאים שגדלו בתרבית דו-ממדית הוכחו כשונים בדפוסי ביטוי הגנים ובפיזיולוגיה של התא מאלה שגודלו בתנאים תלת-ממדיים. 1 מודלים של בעלי חיים, בנוסף להיותם קשורים לחששות אתיים, לעתים קרובות אינם מדגימים היטב את הפיזיולוגיה האנושית. למרות שיש לאשר את היעדר ההשפעות הרעילות הברורות של תרכובת במודלים של בעלי חיים לפני המנה הראשונה בבני אדם, תועדו מקרים רבים בהם התרחשו תופעות לוואי חמורות, לעיתים קטלניות, בניסויים קליניים. 2
כדי להתגבר על החסרונות הללו, מודלים תלת-ממדיים של איברים מחוץ לגוף הפכו לכלי מחקר חשובים. כאשר מעובדים בתנאים מתאימים, תאים מתאספים בעצמם למבנים תלת-ממדיים הידועים בשם ספרואידים. עם זאת, לספרואידים אלה חסרה מערכת כלי דם, המגבילה את התפוצה של תרכובות מולקולריות קטנות, תרופות ביולוגיות גדולות ווקטורים נגיפיים כאחד. לדוגמה, וקטורים אדנו-ויראליים התמרו רק את שכבות התאים החיצוניות של ספרואידים שהוכנו מגליובלסטומה אנושית. 3 פתרון לבעיה זו הוא שימוש במודל איברים המכיל מערכת כלי דם. לשם כך, ניתן להשתיל את האיבר המעניין מבעל חיים, ולהחליף את תאי בעלי החיים בתאים אנושיים. תוארו שיטות שונות לדה-סלולריזציה של כבד בעלי חיים על ידי טיפול בחומרי ניקוי או נתרן כולאט. 4-6 המטריצה החוץ-תאית (ECM) המתקבלת מכילה ציטוקינים וגורמי גדילה המווסתים תהליכים תאיים שונים. 7 זה יכול לשמש כפיגום לתאית מחדש עם תאים אנושיים כדי להשיג מודל איברים פונקציונלי.
במחקר שנערך לאחרונה, השתמשנו במודל כבד תלת-ממדי אנושי כדי לחקור את התפלגות וביטוי הטרנסגנים של וקטור וירוס הקשור לאדנו (AAV). 8 וקטורים של AAV שייכים לווקטורים הוויראליים המבטיחים ביותר ליישומים טיפוליים בגנים. 9 ההתערבות הטיפולית הגנטית הראשונה, והיחידה עד כה, בעולם המערבי משתמשת בווקטור AAV להעברת ליפופרוטאין ליפאז. 10
הערה: RL קיבלה אישור האתי של explantation של האיברים מן Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSo). כבדים היו explanted חולדות וויסטר. הווריד הנבוב הנח וריד השער של הכבד היו cannulated עם צינורית 22 G. שיטות עבור decellularization של כבדי explanted תוארו בעבר. 4,5 מטריצות תאיים משמשות כאן התקבלו על ידי זלוף המוגזם של כבד עכברוש עם deoxycholate נתרן 1%.
1. Recellularization של תאי מטריקס (ECM) של כבד עכברוש

מערכת bioreactor באיור 1.. א) זה מערכת bioreactor היה מחוייט. זה שומר על מודלי האיבר ב 37 מעלות צלזיוס, 5% CO 2. שיעורי הזרימה של משאבות פריסטלטיות ניתן לווסת באופן אינדיבידואלי. B) הכבד ממוקם בתא צמיחה ולהתחברed למעגל זלוף, אשר מורכב של משאבת peristaltic, מאגר בינוני, מלכודת בועת חיישן לחץ. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
2. התמרה של כבד עכברוש Recellularized

מפת איור 2. של הווקטור העצמי משלימים, Pseudotyped AAV2 / 6 השתמש במחקר הנוכחי. הגנום מורכב החוזר המסוף ההפוך (ITR) של AAV2 ומקודד EmGFP תחת השליטה של אמרגן CMV וכן shRNA תחת שליטה של אמרגן U6. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
3. הערכה של הכבד Recellularized transduced עכברוש
להערכת מידת recellularization, קריו-סעיפים הוכנו מכל אונה של כל דגם כבד recellularized. הסעיפים נותחו לאחר מכן על ידי hematoxylin ו eosin מכתים. כפי שניתן לראות באיור 3, כל תנוך השלושה הדגמים הכבדים, המסומן כמו TLM1, TLM2 (transduced מודלים כבדים 1 +2) ו- Ctrl (דגם כבד פקד היה recellularized, אבל לא transduced), אוכלס מחדש עם תאי HepG2. שורת תאי קרצינומה hepatocellular זו הוקמה מרקמת הגידול של ילד ארגנטיני בן 15 שנה. באזורים מסוימים של המודלים הכבדים היו recellularized יותר אינטנסיבי יותר מאחרים. סיבות הווריאציות הללו להישאר שייקבעו.

איור 3. Hematoxylin ו eosin כתם של כל אונה של השלוש נתחו מודלים כבדים TLM1 + 2:. כבד transducedמודלים 1 ו -2; מודל הכבד מלא .: Ctrl כי היה recellularized אבל לא transduced. סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. (Re-מודפס באישור Ref. 8.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
בשלב הבא, התמרה של המודלים הכבדים הוערכה. לשם כך, DNA הוכן מ -28 ביופסיות אגרוף של כל אחד מן המודלים כבדים כייל הווקטור היה לכמת ידי qPCR. בממוצע, 55 ו -90 הגנום וקטור הפנימו לכל תא (VG / תא) נמדדו עבור שני המודלים הכבדים transduced. ניסויי תרבית תאי 2D הראו 30 VG / תא מספיק ביטוי transgene חזק והשתקה בתיווך RNAi. הפקה של EmGFP נותחה על ידי RT-PCR ו מערבי סופג. למעשה, הביטוי של עיתונאי זוהה 80-90% של ביופסיות על רמות ה- mRNA וחלבונים, בהתאמה.8 על מנת לקבל תמונה מקיפה של יעילות התמרה, קריו-סעיפים נותחו immunohistologically. כפי שניתן לראות באיור 4, באזורים של המודל הכבד שהיו recellularized בהצלחה, כמו מדמיינים ידי מכתים DAPI, גם נתנו אותות ניאון חזקים בניתוח immunohistochemical ביטוי EmGFP. כצפוי, המודל הכבד השליטה, שלא טופל ב- וקטורי AAV, לא הראה שום ביטוי EmGFP.

איור 4. ניתוח immunohistochemical ביטוי EmGFP תאים אוכלסו מחדש המודלים הכבדים היו דמיינו ידי מכתים DAPI (כחול).; ביטוי EmGFP היה דמיין ידי מכתים חיסון ייחודי (אדום). TLM1 + 2: מודלים כבדים transduced 1 ו -2; מודל הכבד מלא .: Ctrl כי היה recellularized אבל לא transduced. סרגל קנה מידה: 200 מיקרומטר. (Re-מודפס באישורמ Ref. 8.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
במבחן סופי, מציאה בתיווך AAV של hCycB נותחה על ידי qRT-PCR. המציאה של hCycB נמצאה בין 70 ל 90%, בממוצע לכל כל האונות של שני מודלים הכבדים transduced (איור 5).

איור 5. מציאה בתיווך RNAi של hCycB במודלים הכבד 3D-transduced AAV. השתקת hCycB נקבע על ידי qRT-PCR. ערכים ממוצעים וסטיות תקן (SD) חושבו עבור כל הדגימות של כל דגם כבד 3D transduced (TLM1 ו -2, בהתאמה) ו מנורמל הערך הממוצע של השליטה הלא transduced (Ctrl.). (Re-מודפס באישור REF. 8.) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
כבדי 3D מחדש המתוארים כאן לספק מודל ללמוד וקטורים ויראליים במערכת אנושית. ואכלוס של ECM של כבד עכברוש עם קו תא קרצינומה אדם hepatocellular מייצר מערכת כלי דם המאפשרת חקר תרופות ביולוגיים גדולות. תוצאות אלה מספקות הוכחה של קונספט שהמודל הכבד מחדש ניתן transduced ביעילות עם וקטור ויראלי.
עבור הניסויים המוצגים כאן, כל אונה של הכבד הייתה transduced ידי וקטור AAV. עם זאת, בכמה ניסויים ראשוניים, אונות יחידה לא אוכלסה מחדש עם תאים. לכן חשוב למנוע פסולת התא או רכיבים אחרים מהעמוד שאטם את מערכת כלי הדם. כדי לבדוק אם כל האונות ניתן perfused, צבע רעיל כגון פנול אדום יכול להיות סמוק דרך המודל הכבד.
עוד עניין מכריע הוא שמירה על הפיגום הכבד סטרילי. למרות שטיפול עם אתנול או אנטיביוטיקה הוא disadvantageous עבור מערכת כלי הדם, הקרנה של תאי מטריקס עם קרינת γ שמר על כלי ולחטא המדגם.
יתר על כן, בגודל של כבדי explanted יהיה שונה, כך שמספר התאים המשמשים עבור הליך recellularization והזמן והאכלוס עשוי להיות מותאם כדי להשיג תוצאות לשחזור.
כבדי העכברוש השתמשו במחקר הנוכחי הם גדולים יחסית ודורשים כמויות גדולות של תאי ריאגנטים בדיקה (למשל, וקטורי AAV). בנוסף, ההליך ואכלוס לקח יותר משבועיים. זה מגביל את מספר משכפל אשר ניתן לעשות במאמץ סביר. בשלב זה אנו מקימים את המודל עבור כבדי העכבר, שהן רק כחמישית מהיקף כבדי חולדה, המאפשר שימוש של פחות תאים ריאגנטים מבחן פחות. למרות למטה בקנה מידה היחסי של המספר הסלולרי נראה סביר, את הסכומים המדויקים צריכים להיקבע furtהניסויים שלה.
עוד חיסרון של המודל הנוכחי הוא השימוש של הקו הסלולרי HepG2 hepatocellular. ניסויים נמשכים לפתח את השימוש של hepatocytes הבדיל מתאי גזע מושרים, אשר תספק מודל רלוונטי מבחינה פיזיולוגית יותר. יתר על כן, הכבד מורכב של סוגי תאים מרובים בנוסף hepatocytes, למשל, תאי Kupffer ואת sinosoids. אנו מניחים כי תאים מסוגים שונים יהיה לאכלס מחדש בסביבתם הטבעית כאשר ECM הוא recellularized עם סוגי תאים מרובים.
המודל הכבד 3D משלב מספר יתרונות. החיסרון העיקרי של קונבנציונאלי במודלים vivo הוא כי פיזיולוגיה של בעלי חיים שונה באופן מהותי מן הפיזיולוגיה האנושית. תופעות לוואי רעילות של טיפול של חולה אנוש ולכן עשוי להישאר מבלי שיבחינו בו. חיסרון זה ניתן להתגבר על ידי reconstituting המודל הכבד 3D עם תאים אנושיים כי יותר מקרוב משקף את הביולוגיה של huחולי גבר.
היתרון השני של המודל הכבד הוא תרומתה רווחת בעלי החיים. למרות רכיבים מן החי נדרשים עבור ניסויי הכינון מחדש, הגישה עדיין עוקבת אחר המטרות של עיקרון 3R (החלפה, הפחתה, עידון), כחיות עודפות יכולות לשמש כי הוקרבו לניסויים בבעלי חיים אחרים, כלומר, לא חיות נוספות נדרשות ו הגישה לחלוטין תמנע סבל של בעלי חיים אשר מזוהים לעתים קרובות עם ניסויי in vivo. Spheroids הם כלים חלופיים ללמוד תהליכים תאיים במערכת 3D. עם זאת, spheroids אינו vascularized כך חומרים גדולים בתחום תרופות ביולוגיות אינם חודרות עמוק לתוך החלקים הפנימיים של המבנה. בעיות אלה הוכרעו עם המודל הכבד 3D vascularized.
בניסויים שתוארו כאן, וקטורי AAV נחקרו, שכן הם בין המועמדים המבטיחים ביותר עבור טיפולי גןיישומים. כפי גישות טיפוליות רב גן לכוון מיקוד הכבד, למשל, לטיפול בדלקות עם וירוסים הפטיטיס או של אלפא-1-antitrypsin חסר, כבד 3D ניתן להשתמש בתהליך של פיתוח הווקטור אלה AAV. זהו, כמובן, גם מתאים ללימוד וקטורים ויראליים hepatotropic אחרים, למשל, וקטורים adenoviral. בנוסף, ניתן להשתמש בו כדי ללמוד וירוסי צהבת זיהומית כגון הפטיטיס B או C וירוס. זה יכול, למשל, להיות מועסק על מנת לעצב אסטרטגיות נגיפים חדשים. יתר על כן, מודלי איבר 3D מייצגים כלים מבטיחים לפתח תרופת cytostatic חדשה לטיפול בסרטן לבצע מחקרים טוקסיקולוגית. ביום בטווח הארוך, כבדים מלאכותיים עשויים לשמש ברפואה רגנרטיבית כמו השתלות. יחדיו, המודל הכבד 3D מציעה מגוון רחב של יישומים בביולוגיה זיהום ותחומים אחרים של מחקר ביו-רפואי.
למחברים אין מה לחשוף.
המחברים מודים לברנד קרוסטיץ על הסיוע הטכני, לרדוסלב קדז'ירסקי על התרומות הראשוניות לפרויקט, לאריק ווייד על ההגהה ומתן הערות מועילות, ולפרופ' הייקה וולס על אספקת הביוריאקטור ושיתוף הניסיון היקר שלה עם דה-סלולריזציה של איברים. אנו אסירי תודה גם על מימון הפרויקט והפרסום על ידי האוניברסיטה הטכנולוגית של ברלין.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| חממה | Fraunhofer | / | |
| משאבה פריסטלטית | Fraunhofer | / | |
| אוגן עם חריץ | Duran | 2439454 | שונה על ידי gaffer |
| O-Ring שקוף | Duran | 2922551 | |
| מהדק שחרור מהיר | Duran | 2907151 | |
| מכסה אוגן שטוח | Duran | 2429857 | שונה על ידי |
| גאפר בורג חוט צינור | דוראן | 2483802 | שונה על ידי גאפר |
| בורג חוט צינור | דוראן | 2483602 שונה על ידי גאפר | |
| סיליקון טבעת איטום | דוראן | 2862012 | |
| כובע בורג | דוראן | 2924013 | |
| כובע בורג | דוראן | ||
| כובע בורג עם צמצם | דוראן | ||
| מכסה בורג 2922709 עם צמצם | מסנן 2922705 | ||
| Sarstedt | 831,826,001 | ||
| צינורות סיליקון | VWR | 228-1500 | |
| מחבר צינור | Ismatec | ISM556A | |
| צינורות ביו-תואמים | Ismatec | SC0736 | |
| T175 צלוחיות תרבות | גריינר ביו-וואן | 660 160 | |
| RPMI 1640 | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0501-500 | |
| גלוטמין | BioWest SAS (Th. Geyer) | X0551-100 | |
| טריפסין | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0940-100 | |
| פניצילין/סטרפטומיצין | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0022-100 | |
| סרום עגל עוברי | cc pro | S-10-M | |
| טישו-טק O.C.T. | Weckert-Labortechnik | 600001 | |
| HepG2 | DSMZ | ACC 180 | |
| Cryomold 15 x 15 x 5 מ"מ | סאקורה | 4566 | |
| ביופסיה אגרוף 4 מ"מ | pfm רפואי | 48401 | |
| נוקלאוספין miRNA | Macherey & Nagel | 740971.10 | |
| סט מאגר RNA/DNA נוקלאוספין | Macherey & Nagel | 740944 |
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה