פרוטוקול זה מתאר כיצד הזרקה תוך-טחולית של RNA סיכת ראש קטנה המועברת על ידי AAV8 משיגה את אותה יעילות הפלת גנים בכבד כמו הזרקת וריד פורטלי, המייצגת הליך פשוט יותר עם תמותה וסיבוכים נמוכים בהרבה סביב הניתוח ואחרי הניתוח.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר כיצד הזרקה תוך-טחולית של RNA סיכת ראש קטנה המועברת על ידי AAV8 משיגה את אותה יעילות הפלת גנים בכבד כמו הזרקת וריד פורטלי, המייצגת הליך פשוט יותר עם תמותה וסיבוכים נמוכים בהרבה סביב הניתוח ואחרי הניתוח.
הכבד הוא איבר מרכזי המבצע פונקציות מטבוליות חיוניות. פיתוח שיטה יעילה ובטוחה לפגיעה בביטוי גנים בכבד מספק כלי חשוב לקביעת תפקוד גנים בפתופיזיולוגיה של הכבד. במחקר זה, אנו מתארים שיטה להזרקה תוך טחולית של סרוטיפ 8 של נגיף הקשור לאדנו-(AAV8) שהונדס לבטא RNA סיכת ראש קטנה (shRNA) כנגד גן מטרה מעניין, נוקלאוסטמין (NS). הזרקה תוך-טחולית של AAV8 המבטאת shRNA מכוון NS, (AAV8-shNS1) השיגה את אותה יעילות נוקדאון של NS בכבד כמו הזרקת וריד פורטלי, בהשוואה להזרקת AAV8 המבטאת shRNA ברצף מקושקש (AAV8-shScr). יתר על כן, הזרקת נגיף AAV8-shRNA עוררה תגובות דלקתיות מינימליות בפרנכימת הכבד. והכי חשוב, פרוטוקול הזרקה תוך טחול זה לא היה תובעני מבחינה טכנית וגרם לדימום מינימלי במקום ההזרקה, שהוא הגורם המוביל לתמותה סביב הניתוח ואחרי הניתוח בעת ביצוע הזרקת וריד פורטלי. מחקר זה מדווח על שיטה משופרת ובטוחה יחסית להשגת הפלת גנים יעילה בכבד.
הכבד הוא איבר חיוני המבצע חילוף חומרים מזינים וכימיקלים, אך גם חשוף כל הזמן לעלבונות ציטוטוקסיים ומסרטנים. בעוד שהכבד הבוגר מסוגל לצמוח מחדש לאחר פציעה, כוח ההתחדשות שלו נפגע קשות עד גילשנה. נכון להיום, האופציה הטיפולית היחידה לחולים עם מחלות כבד כרוניות סופניות או נזק חריף מסיבי לכבד היא השתלת כבד, המציבה אתגריםרבים בפני עצמה. כדי להבין טוב יותר את הפתופיזיולוגיה המולקולרית של הכבד על ידי חקירת התפקודים של גנים מעניינים, פותחו מניפולציות גנטיות ליישום in vivo , כולל נוקדאון בתיווך RNAi ומחיקה ממוקדת על ידי Cre recombinase בנוכחות אתרי loxP3. קלטת ביטוי Cre ומבנה shRNA יכולים להיות מועברים על ידי כלי רכב ויראליים.
סרוטיפ 8 של נגיף הקשור לאדנו (AAV8) הוא וקטור חזק להעברת גנים לסוגי רקמות סלקטיביות (למשל, כבד, שרירי שלד, לב, מוח ולבלב) עם יעילות גבוהה ותגובה דלקתית נמוכה 4,5. כדי להתמקד באיברי גוף פנימיים, AAV8 מוחדר בדרך כלל על ידי הזרקת וריד זנב, שבה חלקיקים נגיפיים עוברים תחילה דרך הריאה לפני שהם מגיעים למחזור הדם המערכתי. לעומת זאת, הזרקת וריד פורטלי מאפשרת להם להגיע תחילה לכבד לפני שהם מסתובבים דרך הריאות, מקור פוטנציאלי לבידוד ודילול. עם זאת, הזרקת וריד פורטלי היא מאתגרת מבחינה טכנית ולעתים קרובות מסובכת על ידי דימום המושרה על ידי ניתוח ושיעור תמותה גבוה. כדי להשיג הפלה יעילה של גנים (KD) בכבד תוך הימנעות מנושא התמותה הגבוהה לפני ואחרי הניתוח, בדקנו שיטה של הזרקה תוך טחולית של AAV8 הנושא shRNA מהונדס המכוון לנוקלאוסטמין (NS) (AAV8-shNS1) והשווינו את יעילות ה-KD שלו לזו של AAV8-shNS1 המוזרק לווריד פורטלי.
NS הוא חלבון מועשר בתאי גזע/אב שהתגלה תחילה בתאי גזע עצביים ובהמשך במספר סוגים אחרים של תאי גזע וסרטן 6,7. החשיבות הביולוגית של NS מוצגת על ידי הפנוטיפ הקטלני העוברי המוקדם של עכברי NS-knockout (NSKO) in vivo 3,8 ועל ידי הפרעה הנגרמת על ידי NSKD של חידוש עצמי במבחנה 9,10. בבעלי חיים בוגרים, רמות גבוהות של ביטוי NS נמצאות באשך ובמספר רקמות שעוברות התחדשות, כולל תאי אפיתל פיגמנטיים של ניוט לאחר כריתת עדשה ותאי שריר לאחר כריתת גפיים11, כמו גם רקמות יונקים מתחדשות, כגון קרדיומיוציטים של עכברים לאחר פגיעה לבבית12 והפטוציטים לאחר פגיעה בכבד (למשל, CCl4) או כריתה כירורגית (למשל, כריתת כבד חלקית)13,14. יתר על כן, הוכח כי NS ממלא תפקידים חשובים בהתפתחות גידולי שד, כבד ופה 15,16,17. מבחינה מכנית, הוכח כי NS מקדם התחדשות עצמית על ידי הגנה על הגנום המשתכפל מפני נזק ל-DNA18,19. עם זאת, בשל הפנוטיפ הקטלני העוברי המוקדם של NSKO, יש צורך בשיטה ניסיונית להחדרה זמנית של NSKD לאחר השלמת התפתחות הרקמה כדי לקבוע עוד יותר את פעילותו הביולוגית באיברים בוגרים.
במאמר זה, אנו משתמשים ב-NS כמקרה לדוגמה כדי להמחיש את ההקמה והבדיקה של שיטת KD של גן כבד in vivo שהיא יעילה ובעלת תמותה נמוכה הנגרמת על ידי הליך.
כל הניסויים בבעלי חיים שהושלמו במחקר זה נבדקו ואושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) במרכז מדעי הבריאות של אוניברסיטת טקסס A&M ביוסטון (מספר אישור: 2021-0264-IBT) ובוצעו בהתאם ובהתאם לכל ההנחיות הרגולטוריות והמוסדיות הרלוונטיות. נעשה שימוש בעכברי C57BL/6J נקבות (בנות 4-5 חודשים, משקל גוף 23-30 גרם). פרטי הריאגנטים והציוד המשמשים מפורטים בטבלת החומרים.
1. AAV8- תכנון וייצור shRNA
הערה: אנא עיין ב-Sands et al.4 לפרטים פרוצדורליים.
2. הזרקה תוך-טחולית של AAV8 (איור 1B, 1C)
3. הזרקת וריד פורטל של AAV8
4. ניתוח qRT-PCR
יעילות הגן KD בכבד על ידי תוך-טחול לעומת הזרקת וריד פורטל של AAV8-shRNA
מלאי נגיף AAV8 דולל לריכוז עבודה של 2E+12 עותקי גנום (gc) למיליליטר (gc/mL). לעכברים בודדים הוזרקו 1E+11 gc של AAV8-shNS1 או AAV8-shScr (50 מיקרוליטר) באמצעות הזרקה תוך טחולית או וריד פורטלי. שבועיים לאחר ההזרקה, נאספו רקמות כבד לבידוד RNA, סינתזת cDNA גדיל אחד וניתוח qPCR. התוצאות הראו כי שיטת ההזרקה התוך-טחולית השיגה סטטיסטית את אותה יעילות NSKD (20.8% ± 4.4%) כמו שיטת הזרקת וריד הפורטל (16.3% ± 3.6%) תוך שימוש ב-Rsp3 ו-Rplp0 כהתייחסות פנימית (איור 2). חשוב מכך, ניתן היה להשלים את הליך ההזרקה התוך-טחולית תוך 15 דקות כמעט ללא מוות שנגרם מההליך, בעוד ששיטת הזרקת וריד הפורטל דרשה בדרך כלל 25-30 דקות עם הרבה תרגול והייתה קשורה לשיעור תמותה גבוה יותר (שיעור תמותה של ~25%-30%).
תגובה דלקתית ברקמות
רקמות כבד נאספו מעכברים שקיבלו הזרקה לווריד הפורטל או הזרקה תוך-טחולית של AAV8-shScr (איור 3A) או AAV8-shNS1 (איור 3B), והושוו לזו של עכברי ביקורת (איור 3C). תגובות דלקתיות נבדקו על ידי צביעת H&E4. התוצאות הראו כי לא AAV8-shScr ולא AAV8-shNS1 עוררו תגובות דלקתיות בולטות בפרנכימת הכבד בהשוואה ל-PBS שהוזרקו בשיטת הזרקה תוך-טחולית (Spl) או הזרקת וריד פורטלי (PV) (איור 3A-C).

איור 1: איורים של עיצוב AAV8-shRNA והליך ההזרקה התוך-טחולית. (A) (למעלה) תרשים של הפלסמיד AV5-siRNA-GFP שנועד ליצור סרוטיפ 8 של וירוס הקשור לאדנו-(AAV8) עבור ניסויי נוקדאון in vivo . AV5-siRNA-GFP מכיל רצף shRNA מונע על ידי מקדם CMV ו-EGFP. (למטה) מבני RNAi סיכות ראש קטנות המיועדים לטיפול ברצפי 21 נוקלאוטידים על עכבר NS (shNS1) או רצף מקושקש של 21 נוקלאוטידים (Scr). (B) דיאגרמת זרימת עבודה סכמטית בהליך הזרקת AAV8 תוך טחול. (ג) תצוגות מדורגות של ההליך הכירורגי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: היעילות של נוקדאון בתיווך AAV8-shRNA של נוקלאוסטמין (NS) בכבד באמצעות הזרקת וריד תוך טחול לעומת וריד פורטלי. מבחני qRT-PCR של ביטוי NS בדגימות כבד שנלקחו מעכברים שבועיים לאחר קבלת הזרקה תוך-טחולית (Spl) או וריד פורטלי (PV) של AAV8-shScr או AAV8-shNS1 (1E+11 gc). גרפים מראים תוצאות בהתייחס לשני בקרות פנימיות, Rps3 (A) ו-Rplp0 (B). עמודות מראות ממוצע ± SEM של ארבעה שכפולים ביולוגיים, כל אחד עם שלוש חזרות טכניות PCR; *עמ' < 0.01; **עמ' < 0.001; עמ' < 0.0001. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: היסטולוגיה של רקמות כבד לאחר הזרקה תוך טחולית או הזרקת וריד פורטלי של PBS, AAV8-shScr או AAV8-shNS1. צביעת H&E של רקמות הכבד שבועיים לאחר הזרקה תוך-טחולית (Spl) או הזרקת וריד פורטל (PV) של AAV8-shScr (A) או AAV8-shNS1 (B), בהשוואה לזו של דגימות ביקורת שאינן מוזרקות AAV8 (C). פסי קנה מידה: 100 מיקרומטר. החלוניות הימניות מציגות תצוגות מוגדלות של הכניסות בחלוניות השמאליות. מוטות קנה מידה: 50 מיקרומטר. שישה עד תשעה חלקים משני בעלי חיים שונים נבדקו בכל קבוצה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
גן KD על ידי מסירה ויראלית של מבנה המבטא shRNA ברקע פראי24,25 או מבנה המבטא Cre recombinase ברקע פלוקסי26 הוא דרך רבת עוצמה לחקור את תפקוד הגנים in vivo באופן אינדוקטיבי ומבוקר זמן. שיטת אספקה אידיאלית למחקרי KO/KD בגן in vivo אמורה להשיג יעילות KO/KD גבוהה באיבר המבוקש, ובנוסף, ההליך עצמו צריך להיות קל מבחינה טכנית עם מינימום תמותה לפני / אחרי הניתוח.
עבור איברים פנימיים כמו הכבד, חלקיקים נגיפיים יכולים להיות מוחדרים על ידי הזרקה דרך וריד הזנב27 או וריד הפורטל28,29 או על ידי הזרקה ישירה לטחול (הזרקה תוך טחול)30,31. זריקות וריד פורטל ותוך טחול מכניסות חלקיקים נגיפיים למחזור הפורטל, המתנקזים לכבד לפני הכניסה לווריד הנבוב התחתון ולאחר מכן למחזור הריאות. לעומת זאת, חלקיקים נגיפיים המוחדרים דרך הזרקת וריד הזנב עוקפים את מחזור הפורטל ונכנסים למחזור הריאות לפני שהם מגיעים למחזור הדם המערכתי. עבור איברים המקבלים זרימת דם פורטלית, כגון הכבד, וריד השער וזריקות תוך טחול מציעים את היתרון של העברת חלקיקים נגיפיים ישירות לאיברים אלה ללא סיכון של בידוד על ידי הריאה או דילול במחזור הדם המערכתי. עבור איברים שאינם מקבלים זרימת פורטל, כגון המוח, הזרקת וריד הזנב עשויה להועיל יותר לאי חשיפת חלקיקים נגיפיים לכבד לפני הגעתם למחזור הדם הריאתי ולאחר מכן, למחזור הדם המערכתי.
במחקר זה, הזרקנו AAV8-shNS1 במינון של 1E+11 gc לכל חיה, מה שהעניק יעילות KD טובה יותר בהשוואה ל-1E+10 gc אך השיג את אותו אפקט KD כמו 5E+11 gc באמצעות הזרקה תוך-פורטלית (נתונים לא מוצגים). במינון 1E+11 gc, בהשוואה בין שיטת הזרקת וריד הפורטל לשיטת ההזרקה התוך-טחולית, לא נמצא הבדל סטטיסטי בין שיטות אלו ביעילות ה-NSKD בכבד, והשיג יעילות של 70%-80% KD. השפעת הגן KD של AAV8 המוזרק לווריד הפורטלי בכבד יכולה להימשך עד שישה שבועות באופן תלוי מבנה23. יש לציין כי סיבוכים הקשורים להליך, כגון דימום המושרה על ידי ניתוח והידבקות אומנטום/צפק, כמו גם קושי טכני, הם פחותים ונמוכים משמעותית בשיטת ההזרקה התוך-טחולית בהשוואה לשיטת הזרקת וריד הפורטל. כתוצאה מכך, הזרקת וריד פורטל מתבצעת פעם אחת, ואילו הזרקה תוך טחולית יכולה להתבצע שובושוב 32. לבסוף, התגובות הדלקתיות היו מועטות עד אפסיות בפרנכימה של כבד שקיבל הזרקת וריד פורטלי או הזרקה תוך טחולית של AAV8-shScr או AAV8-NS1. עם זאת, הממצא האחרון אינו שולל את האפשרות שטיטר גבוה במיוחד של AAV עדיין יכול לעורר תגובות דלקתיות המבלבלות את ממצאי הניסוי. לכן, המינון האופטימלי של AAV צריך להיקבע באופן אמפירי ומאוזן בין יעילות KD לתגובה הנגרמת על ידי AAV8 ועשוי להשתנות בין גנים ו/או רצפים ממוקדים שונים. לסיכום, תוצאות אלו מדגימות כי הזרקה תוך טחולית של AAV8-shRNA היא שיטה יעילה ביותר, בטוחה יחסית ופשוטה להשגת KD בגן in vivo בכבד.
המחברים מצהירים שאין ניגוד עניינים.
עבודה זו נתמכה על ידי פרס מחקר החוקרים האישיים של המכון למניעת סרטן של טקסס (CPRIT) (RP200081) ל-RYT.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| יחידות צנטריפוגה מסנן Amicon | MilliporeSigma UFC9100 | אולטרה-סינון מהיר | |
| AV5-siRNA-GFP | אדג'ן | #124972 | פלסמיד |
| מוכשר DH5 ואלפא; חיידקים | Invitrogen | #18265-017 | זן מוכשר כימית לשיבוט |
| HpaI | ניו אינגלנד Biolabs | R0105 | אנזים הגבלה |
| iMFectin transfection reagnt | GenDepot | I7100-101 | |
| M-MLV טרנסקריפטאז הפוך | Promega | M1708 | DNA פולימראז תלוי RNA |
| מערכת זיהוי PCR בזמן אמת בצבע יחיד MyiQ | Bio-Rad | BUN9740RAD | qRT-PCR |
| ערכה נטולת אנדוטוקסין אומגה | Bioteck | D6915-03 | הכנת מידי DNA פלסמיד |
| הקסמרים אקראיים | Invitrogen | 48190-011 | |
| סופרמיקס SYBR ריאגנט ירוק | Bio-Rad | 1708882 | יישומי PCR בזמן אמת |
| T4 DNA Ligase | Promega | M1801 | |
| TRIzol Reagent | Life Technologies | 15596-018 | בידוד של אנזים הגבלה RNA כולל באיכות גבוהה |
| XhoI | New England Biolabs | R0146 |