RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
כאן מוצג פרוטוקול לניסוח ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) המכילים mRNA המקודד לוציפראז גחלילית. LNPs אלה נבדקו על עוצמתם במבחנה בתאי HepG2 ו-in vivo בעכברי C57BL/6.
ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) משכו תשומת לב נרחבת לאחרונה עם הפיתוח המוצלח של חיסוני mRNA לקורונה על ידי מודרנה ופייזר/ביונטק. חיסונים אלה הוכיחו את יעילותם של טיפולי mRNA-LNP ופתחו את הדלת ליישומים קליניים עתידיים. במערכות mRNA-LNP, ה-LNPs משמשים כפלטפורמות שיגור המגנות על מטען ה-mRNA מפני התפרקות על ידי נוקלאזות ומתווכות את האספקה התוך-תאית שלהם. LNPs מורכבים בדרך כלל מארבעה מרכיבים: ליפיד מיונן, פוספוליפיד, כולסטרול, ופוליאתילן גליקול מעוגן שומנים (PEG) מצומד (ליפיד PEG). כאן, LNPs העוטפים mRNA המקודד לוציפראז גחלילית מנוסחים על ידי ערבוב מיקרופלואיד של השלב האורגני המכיל רכיבי שומנים LNP והפאזה המימית המכילה mRNA. mRNA-LNPs אלה נבדקים לאחר מכן במבחנה כדי להעריך את יעילות הטרנספקציה שלהם בתאי HepG2 באמצעות בדיקה מבוססת לוחות ביולומינסנטיים. בנוסף, mRNA-LNPs מוערכים in vivo בעכברי C57BL/6 לאחר הזרקה תוך ורידית דרך וריד הזנב הצידי. דימות ביולומינסנציה של כל הגוף מתבצע באמצעות מערכת הדמיה in vivo . תוצאות מייצגות מוצגות עבור מאפייני mRNA-LNP, יעילות הטרנספקציה שלהם בתאי HepG2 ושטף האור הכולל בעכברי C57BL/6.
ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) הוכיחו הבטחה גדולה בשנים האחרונות בתחום הטיפול הגנטי שאינו ויראלי. בשנת 2018, מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) אישר את הטיפול הראשון אי פעם בהפרעות RNA (RNAi), Onpattro by Alnylam, לטיפול בעמילואידוזיס טרנסתירטין תורשתי 1,2,3,4. זה היה צעד חשוב קדימה עבור ננו-חלקיקי שומנים וטיפולים מבוססי RNA. לאחרונה, מודרנה ופייזר/ביונטק קיבלו אישורי FDA לחיסוני mRNA-LNP שלהם נגד SARS-CoV-2 4,5. בכל אחד מטיפולי חומצות הגרעין מבוססי LNP, LNP משמש להגנה על המטען שלו מפני פירוק על ידי נוקלאזות ולהקל על משלוח תוך-תאי חזק 6,7. בעוד LNPs ראו הצלחה בטיפולי RNAi ויישומי חיסונים, mRNA-LNPs נחקרו גם לשימוש בטיפולים תחליפי חלבונים8, כמו גם להעברה משותפת של Cas9 mRNA ומנחה RNA להעברת מערכת CRISPR-Cas9 לעריכת גנים9. עם זאת, אין נוסחה ספציפית אחת המתאימה היטב לכל היישומים, ושינויים עדינים בפרמטרים של נוסחת LNP יכולים להשפיע מאוד על העוצמה וההפצה הביולוגית in vivo 8,10,11. לפיכך, יש לפתח ולהעריך mRNA-LNPs בודדים כדי לקבוע את הנוסחה האופטימלית עבור כל טיפול מבוסס LNP.
LNPs מנוסחים בדרך כלל עם ארבעה רכיבי שומנים: ליפיד מיונן, פוספוליפיד, כולסטרול ופוליאתילן-גליקול מעוגן שומנים (PEG) מצומד (ליפיד PEG)11,12,13. ההעברה התוך-תאית רבת העוצמה המתאפשרת על ידי LNPs מסתמכת, בחלקה, על רכיב השומנים המיוננים12. מרכיב זה הוא נייטרלי ב- pH פיזיולוגי אך הופך להיות טעון חיובי בסביבה החומצית של אנדוזום11. שינוי זה במטען היוני נחשב כתורם מרכזי לבריחה אנדוזומלית12,14,15. בנוסף לשומנים המיוננים, מרכיב הפוספוליפידים (ליפיד עוזר) משפר את האנקפסולציה של המטען ומסייע בבריחה אנדוזומלית, הכולסטרול מציע יציבות ומשפר את איחוי הממברנה, והליפידים-PEG ממזער צבירה ואופסוניזציה של LNP במחזורהדם 10,11,14,16. כדי לגבש את LNP, רכיבי שומנים אלה משולבים בפאזה אורגנית, בדרך כלל אתנול, ומעורבבים עם פאזה מימית המכילה את מטען חומצת הגרעין. תהליך ניסוח LNP הוא מאוד תכליתי בכך שהוא מאפשר להחליף בקלות רכיבים שונים ולשלב אותם ביחסים מולאריים שונים על מנת לגבש נוסחאות LNP רבות עם שפע של תכונות פיסיקוכימיות10,17. עם זאת, כאשר בוחנים מגוון עצום זה של LNPs, חיוני שכל ניסוח יוערך באמצעות הליך סטנדרטי כדי למדוד במדויק את ההבדלים באפיון ובביצועים.
כאן, זרימת העבודה המלאה עבור ניסוח של mRNA-LNPs ואת הערכת הביצועים שלהם בתאים ובבעלי חיים מתואר.
הערה: יש לשמור תמיד על תנאים נטולי RNase בעת גיבוש mRNA-LNPs על ידי ניגוב המשטחים והציוד עם מזהם פני השטח עבור RNases ו- DNA. השתמש רק טיפים וריאגנטים ללא RNase.
כל ההליכים בבעלי חיים בוצעו בהתאם להנחיות לטיפול ושימוש בחיות מעבדה באוניברסיטת פנסילבניה ולפרוטוקול שאושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) באוניברסיטת פנסילבניה.
1. הכנה מוקדמת לפורמולציה
2. הכנת תערובות שומנים וחומצות גרעין
3. ניסוח מיקרופלואידי של mRNA-LNPs
4. עיבוד ואפיון לאחר ניסוח של mRNA-LNPs
5. טרנספקציה חוץ גופית של תאי HepG2
הערה: קווי תאים שונים אחרים, כגון תאי HeLa או תאי HEK-293T, עשויים לשמש להערכת יעילות הטרנספקציה של LNPs במבחנה. כל התאים צריכים לבדוק שלילי עבור mycoplasma לפני מחקרי טרנספקציה LNP.
6. הערכה In vivo של mRNA-LNPs בעכברים לאחר הזרקת וריד הזנב
mRNA-LNPs נוסחו באמצעות מכשיר מיקרופלואידי בעל קוטר הידרודינמי ממוצע של 76.16 ננומטר ומדד פיזור של 0.098. pKa של mRNA-LNPs נמצא 5.75 על ידי ביצוע בדיקת TNS18. יעילות האנקפסולציה עבור mRNA-LNPs אלה חושבה להיות 92.3% באמצעות בדיקת פלואורסצנטיות שונה ומשוואה 4.4. ריכוז הרנ"א הכולל ששימש לטיפול בתאים ולמינון בבעלי חיים היה 40.24 ננוגרם/מיקרוליטר. ערך זה התקבל מבדיקת הפלואורסצנטיות המתוקנת 19, במיוחד מהמרת הפלואורסצנטיות המתקבלת על ידי דילול ה- LNPs עם 1% Triton X-100 ו-1x TE buffer לריכוזים מסוימים וחישוב כמות ה- mRNA העטוף.
משוואה 4.4

CTX = ריכוז mRNA מ-LNPs מדולל ב-1% Triton X-100
C TE = ריכוז mRNA מ-LNPs מדוללים ב-1x TE buffer
הגדלת bioluminescence נצפתה עם מינונים הולכים וגדלים עם הטיפול של 5,000 תאי HepG2 לכל באר עם מינונים שונים של mRNA-LNP. ביטוי לוציפראז זוהה בקלות במינון הנמוך ביותר (5 ננוגרם/באר) ששימש במחקר זה. עם זאת, קווי תאים אחרים עשויים לדרוש כמויות שונות של mRNA-LNP כדי לראות בקלות הבדלים באור בין מינונים.
עכברים טופלו ב-2 מיקרוגרם של mRNA-LNP והוערכו כעבור 6 שעות עבור ביולומינסנציה של כל הגוף. מכיוון ש-C12-200 mRNA-LNPs מדביקים בעיקר את הכבד20, נצפה אות ביולומינסנטי חזק בבטן העליונה של העכברים שטופלו ב-LNPs שנוסחו. באמצעות תוכנת ההדמיה, אזורים מעניינים נמשכו סביב אותות הכבד כדי לחשב את שטף האור הכולל. בניסוי זה, שטף האור הכולל היה בערך 5 x 109, אשר עולה בקנה אחד עם מחקרים אחרים שנערכו עם ניסוח LNPזה 4,21.
טבלה 1: הרכב פאזה אורגני. מתוארים ריכוזי תמיסות מלאי השומנים הבודדות והנפחים שכל רכיב תורם לשלב האורגני של 1.3 מ"ל. שומנים משולבים ביחס מולארי של 35/16/46.5/2.5 (C12-200:DOPE:כולסטרול:C14-PEG2000). נפח נוסף של 10% הוכן כדי לקחת בחשבון נפחים מתים של מזרקים במהלך הפורמולה. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 2: הגדרות מכשיר מיקרופלואידי עבור ניסוח mRNA-LNP ביחס קצב זרימה מימי לאורגני של 3:1. מזרק 5 מ"ל המכיל mRNA מדולל בחיץ חומצת לימון 10 מ"ל הוכנס לתעלה המרכזית, ואילו מזרק 3 מ"ל המכיל שומנים הוכנס לתעלה הימנית. LNPs נוסחו ביחס משקל של 10:1 של שומנים מיוננים:mRNA. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.
טבלה 3: נתוני אפיון mRNA-LNP שנקבעו על ידי פיזור אור דינמי, בדיקה פלואורסצנטית שונה ובדיקת 2-(p-toluidino) naphthalene-6-sulfonic acid (TNS). אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

איור 1: תאי HepG2 שטופלו ב-mRNA mRNA-LNP של הגחלילית. בסך הכל, 5,000 תאי HepG2 נזרעו לכל באר בצלחת של 96 בארות והורשו להיצמד בן לילה. התאים גודלו בתרבית DMEM בתוספת 10% נסיוב בקר עוברי ו-1% פניצילין-סטרפטומיצין. מדיום תרבית התאים הוסר לפני שהתאים טופלו במינונים של 5 ננוגרם, 10 ננוגרם ו-20 ננוגרם של פורמולציית LNP המכילה C12-200 המקפלת mRNA מקודד גחליליות לוציפראז (ב-100 מיקרוליטר של תווך תרבית תאים). לאחר 24 שעות הטיפול, מדיום תרבית התאים הוסר, ו 20 μL של חיץ ליזה 1x נוסף על התאים לפני תוספת של 100 μL של מגיב בדיקת luciferase. הביולומינסנציה מכל באר נמדדה באמצעות קורא לוחות לאחר תקופת דגירה של 5 דקות. עליות הקיפול מתוכננות ביחס לבארות בקרה שהורכבו מתאי HepG2 לא מטופלים. המובהקות הסטטיסטית הוערכה באמצעות ANOVA חד-כיווני עם מבחן Tukey פוסט-הוק. NS, לא משמעותי; עמ' < 0.0001., אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: עכברי C57BL/6 שטופלו ב-mRNA-LNP של גחלילית. בעבודה זו, 2 מיקרוגרם של mRNA-LNP כולל ב-100 μL או 100 μL של 1x PBS ניתנו לעכברי C57BL/6 דרך וריד הזנב הצידי. (A) ביולומינסנציה של כל הגוף של עכברים שטופלו ב-mRNA-LNP או ב-1X PBS נמדדה באמצעות מערכת הדמיה in vivo (IVIS) 6 שעות לאחר מתן התרופה. תוכנת IVIS Spectrum Living Image שימשה לניתוח ורכישה של תמונות הגוף כולו. N = 3. (B) שטף האור הכולל כומת ושורטט. המובהקות הסטטיסטית הוערכה באמצעות מבחן t דו-זנבי של סטודנט. **, עמ' < 0.01. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
אין ניגודי עניינים להצהיר.
כאן מוצג פרוטוקול לניסוח ננו-חלקיקי שומנים (LNPs) המכילים mRNA המקודד לוציפראז גחלילית. LNPs אלה נבדקו על עוצמתם במבחנה בתאי HepG2 ו-in vivo בעכברי C57BL/6.
M.J.M. מודה על תמיכתו של מנהל המכונים הלאומיים לבריאות בארה"ב (NIH) פרס החדשן החדש (DP2 TR002776), פרס הקריירה של קרן Burroughs Wellcome בממשק המדעי (CASI), פרס CAREER של הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (CBET-2145491), ומימון נוסף מהמכונים הלאומיים לבריאות (NCI R01 CA241661, NCI R37 CA244911 ו- NIDDK R01 DK123049).
| 0.1 מ' חומצה הידרוכלורית | סיגמא | 7647-01-0 | |
| 0.22 μ m מסנני מזרק | Genesee | 25-243 | |
| 1 מ"ל BD קצה החלקה מזרק | BD | 309659 | |
| 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy (פוליאתילן גליקול)-2000] (מלח אמוניום) (C14-PEG2000) | Avanti Polar Lipids | 880150P | |
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE) | Avanti Polar Lipids | 850725P | |
| 1.5 צינורות מ"ל אפנדורף | פישר סיינטיפיק | 05-408-129 | |
| 15 מ"ל צינורות חרוטיים | פישר סיינטיפיק | 14-959-70C | |
| 200 הוכחה אתנול | Decon Labs | 2716 | |
| 23G מחטים | פישר סיינטיפיק | 14-826-6C | |
| 3 מ"ל BD מזרקים חד פעמיים עם טיפים לואר-לוק | פישר סיינטיפיק | 14-823-435 | |
| 3 מ"ל דיאליזה קלטות | Thermo Scientific | A52976 | |
| 96 באר קיר שחור צלחת תחתונה שחורה | פישר סיינטיפיק | 07-000-135 | |
| 96 באר צלחת תחתונה לבנה/שקופה, TC משטח | Thermo Scientific | 165306 | |
| אמוניום אצטט, 1 קילוגרם | מוצרי מחקר בינלאומיים | 631-61-8 | |
| אמוניום ציטראט דו-בסיסי | SIgma | 3012-65-5 | |
| BD מזרק Luer-Lok סטרילי, לשימוש חד פעמי, 5 מ"ל | BD | 309646 | |
| C12-200 ליפיד מיינן | קיימן כימי | 36699 | |
| C57BL/6 עכברי | מעבדה ג'קסון | 000664 | |
| כולסטרול | סיגמא | 57-88-5 | |
| CleanCap FLuc mRNA (5moU) | TriLink Biotechnologies | L-7202 | |
| קובטות חד פעמיות | Fisher Scientific | 14955129 | |
| D-Luciferin, מלח אשלגן | Thermo Scientific | L2916 | |
| DMEM, גלוקוז גבוה | Thermofisher Scientific | 11965-084 | |
| Exel מזרקי אינסולין - 0.5 מ"ל | Fisher Scientific | 1484132 | |
| סרום בקר | עוברי קורנינג | 35-010-CV | |
| Hep G2 [HEPG2] | ATCC | HB-8065 | |
| HyPure ביולוגיה מולקולרית כיתה מים | Cytiva | SH30538.03 | |
| אינסופי 200 PRO קורא צלחות | Tecan | N / A | |
| IVIS SPECTRUM IN VIVO מערכת הדמיה | Perkin Elmer | N / A | |
| גדול Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666-11D | |
| ערכת בדיקת לוציפראז | Promega | E4550 | |
| NanoAssemblr Ignite מחסניות - קלאסי - 100 חבילות | ננו-מערכות דיוק | NIN0065 | |
| NanoAssemblr Ignite Instrument | ננו-מערכות מדויקות | NIN0001 PBS | |
| - מי מלח עם חוצץ פוספט (10x) pH 7.4, ללא RNase | Thermo Scientific | AM9624 | |
| פניצילין-סטרפטומיצין | Thermofisher Scientific | 15140122 | |
| QB ציטראט מאגר, (ציטראט 100 מ"מ) pH 3.0 | Teknova | Q2442 | |
| Quant-it RiboGreen ערכת בדיקת RNA | Thermo Scientific | R11490 | |
| Reporter Lysis 5x Buffer | Promega | E3971 | |
| RNase Away Surface Decontaminant | Thermofisher | Scientific 7000TS1 | |
| נתרן כלורי | סיגמא | 7647-14-5 | |
| נתרן הידרוקסיד | סיגמא | 1310-73-2 | |
| נתרן פוספט | סיגמא | 7601-54-9 | |
| מגיב TNS (6-(p-טולואידינו)-2-חומצה נפתלנסולפונית מלח נתרן) | Sigma | T9792 | |
| טריטון X-100 | סיגמא | 9036-19-5 | |
| Zetasizer | Malvern Panalytical | NanoZS |