כאן אנו מראים שניתן להשתמש בספרואידים תלת-ממדיים (3D spheroids) ככלי להערכת טרנסדוקציה של AAV, להבחנה בין עיצובי גנום של וקטורים כגון משלים-עצמי (sc) וחד-גדילי (ss), ולהערכת קינטיקת הטרנסדוקציה. סקירה כללית של התהליך מוצגת ב-איור 1. בקצרה, התאים מורחבים תחילה בתרביות דו-ממדיות (2D) ונזרעים בלוחיות בעלות היצמדות נמוכה במיוחד (ULA) כדי ליצור ספרואידים דחוסים (איור 1A). לאחר מכן, הלוחיות עוברות סנטריפוגציה כדי לעודד אגרגציה (איור 1B) ומועברות למערכת לדימוי תאים חיים לצורך ניטור בזמן אמת של היווצרות הספרואידים (איור 1C). ביום השלישי, הספרואידים עוברים טרנסדוקציה עם AAV ב-MOIs שונים (איור 1D). קינטיקת הטרנסדוקציה נמעקבת לאורך זמן באמצעות דימוי תאים חיים (איור 1E), וניתוח נקודת סיום מבוצע באמצעות קריאות פלואורסצנציה או לומניסצנציה מבוססות לוחית (איור 1F).
איור 2 מציג את המורפולוגיה של ספרואידים מ-6 מקווי תאים שונים, המדגימים טווח של צפיפויות, עגוליות וצורות. כל מקווי התאים גודלו במצע DMEM מלא למשך מספר מעברים לפני שהושתמשו בניסוי כלשהו. ברגע שהתאים הגיעו לשלב הלוגריתמי (log phase), תאי HEP3B, HEK293T, A375, HeLa, HEPG2 ו-Huh7 נאספו ודללו בסדרה בלוחיות בעלות תחתית עגולה מסוג ULA, החל מצפיפות תאים של 10,000 תאים לבאר, ובדילול סדרתי של פי 2 (מבנה הלוח כלול ב- נספח איור 1 ותצאות מייצגות מוצגות ב- איור משלים 2). גודל הספרואיד יכול להיות קטן עד כדי 50 µm תוך שמירה על מבנה הספרואיד ועל רגישות מעולה לטרנסדוקציה. לאחר זריעת התאים, פלטת ה-ULA בעלת התחתית העגולה סובבה בצנטריפוגה במהירות של 350 × ג'. במשך 5 דקות, מה שאפשר לתאים להתרכז במרכז הבאר ולהרכיב עצמית לספרואידים (spheroids). שלב זה מועיל במיוחד עבור תאים שאינם נוטים להתקבץ באופן טבעי. ניתן להאריך את זמן הצנטריפוגה מ-5 ל-15 דקות עבור תאים בעלי עמידות גבוהה, כגון לימפוציטים. ספרואידים שהתגבשו היטב מראים פנוטיפ עגול ודחוס, כפי שנצפה בתאי HEK293T ו-Huh7, בעוד שספרואידים שגיבשו באופן חלש הם בעלי התקבבות רופפת ונוטים להתפרקות במהלך החלפת המצע.
בשלב הבא, מעבירים את הפלטה לאינקובטור בטמפרטורה של 37 °C המצויד במכשיר לניטור תאים חיים. הפלטות מנוטרות מדי יום במרווחים של 6 h כדי להעריך את היווצרות הספרואידים עבור כל אחד מקווי התאים המדווחים כאן. רוב קווי התאים דורשים 3 ימים להרכבה עצמית לספרואיד. כפי שמוצג ב-איור 2, כל קו תאים הפגין מאפיינים מורפולוגיים מובחנים ורמות דחיסה משתנות לאחר 3 ימים מזריעת התאים. קווי תאי כבד (Huh7, HEPG2, ו-HEP3B) יצרו ספרואידים דחוסים וצפופים יותר מאשר קווי התאים האחרים. HEK293T יצר מראה כדורי עגול מאוד עם גרעין נמקרוטי מובחן, בעוד ש-A375 יצר אגרגט תאים בעל צורה לא סדירה (שתואר בעבר כספרואיד מעוות)18,19. הבדלים אלו במורפולוגיה נחשבים למדדים למצבים פתופיזיולוגיים של מחלה, דבר התומך עוד יותר בתועלת של מודלים בתלת-ממד בהשוואה למערכות תרבית בדו-ממד18,19. פרוטוקול הרכבת הספרואידים הוא בעל הדירות גבוהה בשישה קווי התאים שנבדקו, והוא הוחל על כל הטרנסדוקציות המוצגות כאן.
לאחר אופטימיזציה של ריכוז התאים, זמן היצירה של הספרואידים ומצב האוטופלורסצנציה הירוקה/אדומה (מוצג ב-Supplementary Figure 3), המשכנו לבחון טרנסדוקציית AAV בספרואידים באמצעות מערכת דימוי של תאים חיים וקורא פלטות (דוגמה לסידור הפלטה עבור טיטרציית AAV מוצגת ב-Supplementary Figure 4). Figure 3 מציגה את פרוטוקול הספרואידים המותאם שיושם בארבעה קווי תאים שונים (HEK293T, Huh7, HEP3B, ו-HEPG2). ביום השלישי של יצירת הספרואידים, הספרואידים עברו טרנסדוקציה עם שני וקטורי AAV2 הנושאים עיצובים שונים של גנום וקטורי, המסומנים ב-GFP, בריבויים שונים של זיהום (MOIs). שני עיצובי הטרנסגן של ה-AAV מייצגים וריאנטים של GFP בעלי פוטנציאל גבוה (scGFP) ופוטנציאל נמוך (ssGFP). לאחר טרנסדוקציית התאים, הפלטות הוכנסו למערכת דימוי של תאים חיים למעקב בזמן אמת אחר טרנסדוקציית ה-AAV. בנקודת הזמן של 72-h, עוצמת פלורסצנציה ירוקה זוהתה באמצעות תוכנת דימוי של תאים חיים. ב-Figure 3, הקווים הכחולים מייצגים גנומי sc-GFP, בעוד שהקווים האדומים מייצגים גנומי ss-GFP. הספרואידים היו רגישים מאוד לטרנסדוקציית AAV, כאשר טרנסדוקציה חזקה זוהתה בטיטרי AAV נמוכים מאוד ובקווי תאים שונים עבור scGFP. סרטונים מייצגים של טרנסדוקציית AAV בקווי תאים ו-MOIs שונים, שצולמו בזמן אמת, מוצגים ב-Supplementary Movie 1, Supplementary Movie 2, Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, ו- Supplementary Movie 6. מאידך, טרנסדוקציית ספרואידים של AAV עם ssGFP נצפתה ברמות נמוכות יותר, מה שמשחזר את הטרנסדוקציה החלשה/איטית יותר הצפויה עבור סוג זה של אלמנט רגולטורי20,21. הדבר מדגים את התועלת של ספרואידים בתלת-ממד עבור טרנסדוקציית AAV חזקה וחלשה, כמו גם להבחנה בין גנים בעלי יכולת טרנסדוקציה חזקה, כגון sc-GFP, לבין גנים פחות פוטנטיים, כגון ss-GFP. צפינו בהבדל של פי 100 בפלורסצנציה יחסית בין הטרנסגנים sc ל-ss ב-MOI של 106 בתאי HEK293T, והבדל של פי 3 בקווי תאים שקשים יותר לטרנסדוקציה, כגון HEP3B.
שםךנו לבחון את התעתוק של AAV מסוגי סרוטיפים שונים באופן התלוי במינון, הן בספרואידים של HEK293T והן בספרואידים של Huh7. כפי שמוצג ב-איור 4, ספרואידים בתלת-ממד היו רגישים לתעתוקי AAV-scGFP של ארבעה סרוטיפים שונים. לאחר 72 שעות של תעתוק, נמדד scGFP באמצעות קורא לוחות פלואורסצנטי (איור 4A,B) ותוכנה לדימוי תאים חיים (איור 4C,D). כל 4 הסרוטיפים זוהו בהצלחה באמצעות שני המכשירים הללו. מערכת דימוי התאים החיים הראתה טווח גבוה יותר בין האות לרעש מאשר הקורא הפלואורסצנטי של הלוחות, אם כי אות מנורמל לא הראה הבדלים משמעותיים. מצאנו כי ל-AAV2 הייתה יעילות התעתוק החזקה ביותר בשני סוגי התאים, ואחריו L-AAV1, בעוד ש-AAV5 ו-AAV9 הראו תעתוק נמוך משמעותית.
בשלב הבא, הערכנו את יעילות התעתוק של לומינסנציה באמצעות פרוטוקול הספרואידים. כדי לבחון זאת, תאי HeLa גודלו לספרואידים בתלת-ממד בהתאם לפרוטוקול המותאם המתואר כאן. ביום השלישי, ספרואידי HeLa הועברו לתעתוק באמצעות 5 סרוטיפים שונים של AAV המקודדים לגן דגל (reporter gene) של ננו-לוקיפראז. לאחר 72 שעות של תעתוק AAV, התאים טופלו בתסבכת Live Cell והודגרו למשך 5 דקות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, נמדדה הלומינסנציה והופקה תמונה באמצעות מערכת לדימות ביו-לומינסנציה. (איור 5A)נצפתה התמרה יעילה עבור כל סוגי ה-AAV בעזרת מערכת זו. נצפתה הבחנה רגישה בין יעילות ההתמרה של סוגי AAV שונים, דבר המצביע על כך שהפרוטוקול אינו מוגבל לקריאות פלואורסצנציה. בהתאם למגמות שנצפו ב- איור 5טרנסדוקציה של AAV-nano luciferase בתאי HeLa הראתה כי AAV2 הוא הסרוטיפ העוצמתי ביותר, כפי שנראה עם וקטורי AAV-GFP. באופן דומה, יעילות הטרנסדוקציה הנמוכה ביותר נצפתה עבור הסרוטיפ AAV9, כפי שהודגם הן על ידי וקטורים פלואורסצנטיים והן על ידי וקטורים לומניסצנטיים (איור 4 ו- 5). תמונה מייצגת של טרנסדוקציה של AAV-nano luciferase מוצגת ב- איור 5B.
בנוסף לעוצמת הטרנסדוקציה, פרוטוקולים של ספרואידים בתלת-ממד מאפשרים ניטור קינטי של הטרנסדוקציהאיור 6 מציג תוצאות מייצגות של קינטיקת התהודה של AAV2-scGFP ו-AAV2-ssGFP בספרואידים תלת-ממדיים של תאי HEK293T, כאשר התהודה בוצעה בריכוזים שונים של MOI (0-10)6) (איור 6A-G). מצאנו כי ניתן לזהות טרנסדוקציה של AAV2-scGFP ב-MOIs נמוכים עד כדי 101, עם עלייה באות ה-GFP הניתנת לגילוי לאחר כ-34 שעות בהשוואה לתאים שלא טופלו, באמצעות מערכת לדימוי תאים חיים. אות ה-AAV2-ssGFP חלש ואיטי הרבה יותר מאות ה-AAV2scGFP. כדי להשוות עוד יותר את מהירות הטרנסדוקציה, חישבנו את זמן ההתחלה שבו אות ה-GFP הופך לניתן לגילוי. צפינו כי scGFP מהיר פי 4 בממוצע מ-ssGFP בטרנסדוקציית תאים. זמני התחלה פרטניים מדווחים ב- טבלה 1מדידות קינטיות אלו מראות היבט נוסף של יעילות הטרנסדוקציה, המועיל לאופטימיזציה של הבדיקה.

איור 1: סקירה כללית של טרנסדוקציות AAV באמצעות תרביות תלת-ממדיות (3D). (A) תאים מורחבים בתרבית דו-ממדית (2D) ונזרעים בצלחות בעלות הידבקות נמוכה במיוחד (ULA) ליצירת ספרואידים. (B) הצלחות עוברות סנטריפוגציה כדי לעודד אגרגציה ומועברות ל-(C) מערכת IncuCyte S3 לניטור בזמן אמת של היווצרות הספרואידים. (D) ביום 3, הספרואידים עוברים טרנסדוקציה עם AAV ב-MOIs משתנים. (E) קינטיקת הטרנסדוקציה נמעקבת לאורכה של תקופה באמצעות דימוי תאים חיים, ו-(F) ניתן לבצע ניתוח נקודת סיום באמצעות קריאות פלואורסצנציה או לומינסצנציה מבוססות צלחת. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: אפיון מורפולוגי של ספרואידים בקווי תאים מרובים. תמונות מייצגות של ספרואידים שהופקו מתאי HEP3B, HEK293T, A375, HeLa, HEPG2 ו-Huh7 מדגימות שונות בגודל, במורפולוגיה ובדחיסות, תוך שהן מספקות הדירות גבוהה בין חזרות (סרגל קנה מידה, 50 µm). כל קווי התאים נזרעו בריכוז של 1 x 104 cells/well למשך 3 ימים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מורחבת של איור זה.

איור 3: השוואה של יעילות הטרנסדוקציה של AAV בין וקטורים עצמיים-משלימים (scGFP) לבין וקטורים בעלי גדיל יחיד (ssGFP) בקווי תאים שונים. ספרואידים בתלת-ממד של (A>) HEK293T, (B>) Huh7, (C>) HEP3B, ו-(D>) HEPG2 הורכבו באופן עצמי ועברו טרנסדוקציה עם MOIs שונים של AAV2-scGFP (כחול) ו-AAV2-ssGFP (אדום). עוצמת הפלואורסצנציה הירוקה הכוללת נמדדה 72 שעות לאחר הטרנסדוקציה. תמונות מייצגות של ספרואידים שטופלו ב-MOI הגבוה ביותר עבור כל AAV, שצולמו בנקודת זמן של 72 שעות באמצעות מערכת לדימות תאים חיים. פסי קנה מידה מייצגים 200 µm. פסי שגיאה מייצגים SD. אנא לחצו כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: טרנסדוקציית AAV בספרואידים בתלת-ממד מבחינה בין הפעילות של סרוטיפים שונים של AAV. ספרואידים בתלת-ממד של (A,C>) HEK293T ו-(B,D>) Huh7 עברו טרנסדוקציה עם AAV1, AAV2, AAV5 ו-AAV9, הנושאים את הטרנסגן scGFP, בטווח של MOIs. יחידות עצימות פלואורסצנציה נמדדו לאחר 72 h באמצעות קורא לוחות מבוסס פלואורסצנציה (A,B>) ומערכת דימות של תאים חיים (C,D>). פסי השגיאה מייצגים SD. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: טרנסדוקציית AAV בספרואידים בתלת-ממד עם רפורטרים לומניסצנטיים. ספרואידים של HeLa עברו טרנסדוקציה עם AAV1, AAV2, AAV5, AAV8 ו-AAV9 המקודדים לגן רפורטר של nanoluciferase ב-MOIs עולים. הלומניסצנציה הודמיה ונמדדה באמצעות קריאת Endpoint עם מערכת לדימוי לומניסצנציה 72 שעות לאחר הטרנסדוקציה. (A) ערכי Total Flux. (B) קריאת End-point מייצגת עם תמונות לומניסצנציה של פלטות ספרואידים המדגימה את התפלגות האות בין ה-MOIs והסרוטיפים השונים. כל וקטור AAV הורץ בשני חזרות אופקיות. פסי השגיאה מייצגים SD. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: הערכת קינטיקה של טרנסדוקציה בספרואידים בתלת-ממד. ספרואידים של HEK293T עברו טרנסדוקציה עם AAV2-scGFP (בכחול) ו-AAV2-ssGFP (באדום) בטווח של 7 MOIs (A–G). עצימות הירוק הכוללת נמדדה לאורך תקופה של 72 h, במרווחי זמן של 6 h, באמצעות מערכת Monitor spheroid formation/growth. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
| MOI | scGFP (שעות) | ssGFP (שעות) |
| 1 | >72hrs | >72 |
| 10 | 34.2 | >72 |
| 100 | 16.5 | 54.2 |
| 1000 | 5.6 | 23.1 |
| 10000 | 3.3 | 13 |
| 100000 | 1.9 | 8 |
טבלה 1: זמן התחלה לגילוי GFP.
איור משלים 1: מבנה הפלטה לטיטרציה של ספרואידים. (A) מבנה פלטה מייצג המראה את תכנית הדילול עבור ספרואידים של HEK293T, Huh7, HEP3B ו-HEPG2, שהופקו מצפיפות זריעה ראשונית שנעה בין 10,000 ל-78 תאים. אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
איור משלים 2: היווצרות ספרואידים בטווח של צפיפויות זריעה. תמונות מיקרוסקופ רפרנטיביות של ספרואידים של HEK293T ו-Huh7 שהופקו מצפיפויות זריעה ראשוניות שנעו בין 10,000 ל-78 תאים ביום 3. סרגל קנה מידה מייצג 50 µm.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
איור משלים 3: מידע על שורות תאים ליצירת ספרואידים בתלת-ממד (3D Spheroid).אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
איור משלים 4: פריסת פלטה עבור דילולות סדרתיות של AAV. (A) פריסת פלטה מייצגת המראה את תוכנית הדילול הסדרתי של AAV ששימשה עבור AAV1, AAV2, AAV5 ו-AAV9, החל מ-MOI של 106. ביקורת שלילית מוצגת בשורה H, המייצגת ספרואידים שלא טופלו.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 1: דימוי תאי חי בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T בריבוי זיהום (MOI) של 106.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 2: דימות תאים חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של Huh7 ב-MOI 106.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 3: דימוי תאים חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEP3B ב-MOI 106.אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
סרטון משלים 4: דימוי חי של תאים בזמן אמת של טרנסדוקציה של AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 106, כחלק ממחקר תלות במינון.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 5: דימוי תאי חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 104.אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
סרטון משלים 6: דימות תאים חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 101.אנא לחצו כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 1: חישוב ה-MOI הדרוש לטרנסדוקציית AAV.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.