כאן, אנו מראים שניתן להשתמש בספרואידים בתלת-ממד (3D spheroids) ככלי להערכת טרנסדוקציית AAV, להבחנה בין עיצובי גנום של וקטורים כגון self-complementary (sc) ו-single-stranded (ss), ולהערכת קינטיקת הטרנסדוקציה. סקירה כללית של התהליך מוצגת ב-איור 1. בקצרה, התאים מורחבים תחילה בתרביות דו-ממדיות (2D) ונזרעים בלוחיות בעלות הידבקות נמוכה במיוחד (ULA) כדי ליצור ספרואידים דחוסים (איור 1A). לאחר מכן, הלוחיות עוברות סנטריפוגציה כדי לעודד אגרגציה (איור 1B) ומועברות למערכת דימוי של תאים חיים למעקב בזמן אמת אחר היווצרות הספרואידים (איור 1C). ביום ה-3, הספרואידים עוברים טרנסדוקציה עם AAV בריכוזי MOI שונים (איור 1D). קינטיקת הטרנסדוקציה נמעקבת לאורך זמן באמצעות דימוי של תאים חיים (איור 1E), וניתוח נקודת סיום מבוצע באמצעות קריאות פלואורסצנציה או לומינסצנציה מבוססות לוחית (איור 1F).
איור 2 מציג את המורפולוגיה של ספרואידים מ-6 שורות תאים שונות, המדגימה טווח של צפיפויות, עגולות וצורות. כל שורות התאים גודלו במצע DMEM מלא למשך מספר מעברים לפני השימוש בכל ניסוי. ברגע שהתאים הגיעו לשלב הלוגריתמי (log phase), תאי HEP3B, HEK293T, A375, HeLa, HEPG2 ו-Huh7 נאספו ודללו בסדרה בלוחות ULA בעגית תחתונה, החל מצפיפות תאים של 10,000 תאים לבאר, ודללו בסדרה פי 2 (מבנה הלוח כלול ב- נספחים 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 שאיפשר לתאים להתרכז במרכז הבאר ולהתרכב עצמית לספרואידים. שלב זה מועיל במיוחד עבור תאים שאינם נוטים להצטבר באופן טבעי. ניתן להאריך את זמן הצנטריפוגה מ-5 ל-15 דקות עבור תאים בעלי עמידות גבוהה, כגון לימפוציטים. ספרואידים שנוצרו היטב מראים פנוטיפ עגול ודחוס, כפי שנצפה בתאי HEK293T ו-Huh7, בעוד שספרואידים שאינם גבושים מספיק הם בעלי צבירה רופפת ונוטים להתפרק במהלך החלפת המצע.
לאחר מכן, 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 כדי להתרכב עצמית לספרואיד. כפי שמוצג ב-איור 2, כל קו תאים הפגין מאפיינים מורפולוגיים מובחנים ורמות דחיסה משתנות לאחר 3 ימי זריעה. קווי תאים כבדיים (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 של תאים בצורה לא סדירה (שתואר בעבר כספרואיד מעוות)18,19. הבדלים אלו במורפולוגיה נחשבים לאינדיקטורים למצבים פתופיזיולוגיים של מחלה, דבר התומך עוד יותר בתועלת של מודלים בתלת-ממד בהשוואה למערכות תרבית דו-ממדיות18,19. פרוטוקול הרכבת הספרואידים הוא בעל הדירות גבוהה לאורך ששת קווי התאים שנבדקו והוחל על כל הטרנסדוקציות המוצגות כאן.
לאחר אופטימיזציה של ריכוז התאים, זמן היווצרות הספרואידים ומצב האוטופלורסצנציה הירוקה/אדומה (מוצג ב-Supplementary Figure 3), המשכנו לבחון טרנסדוקציה של AAV בספרואידים באמצעות מערכת דימוי תאים חיים וקורא לוחות (דוגמה לסידור הלוח עבור טיטרציה של AAV מוצגת ב-Supplementary Figure 4). Figure 3 מציג את פרוטוקול הספרואידים המופעל באופטימיזציה בארבעה קווי תאים שונים (HEK293T, Huh7, HEP3B, ו-HEPG2). ביום השלישי להיווצרות הספרואידים, הספרואידים עברו טרנסדוקציה עם שני וקטורי AAV2 הנושאים עיצובים שונים של גנום וקטורי, המסומנים ב-GFP, בריבויים שונים של זיהום (MOIs). שני עיצובי הטרנס-גן של AAV אלו מייצגים וריאנטים של GFP בעלי פוטנציאל גבוה (scGFP) ופוטנציאל נמוך (ssGFP). לאחר טרנסדוקציית התאים, הלוחות הונחו במערכת דימוי תאים חיים למעקב בזמן אמת אחר הטרנסדוקציה של AAV. בנקודת זמן של 72-h, עוצמת פלורסצנציה ירוקה זוהתה באמצעות תוכנת דימוי 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 וב-MOIs שונים, שתועדו בזמן אמת, מוצגים ב-Supplementary Movie 1, Supplementary Movie 2, Supplementary Movie 3, Supplementary Movie 4, Supplementary Movie 5, ו- Supplementary Movie 6. מנגד, טרנסדוקציית ספרואידים של AAV מסוג ssGFP נצפתה ברמות נמוכות יותר, מה שמשחזר את הטרנסדוקציה החלשה/איטית יותר הצפויה מסוג זה של אלמנט רגולטורי20,21. הדבר מדגים את התועלת של ספרואידים בתלת-ממד לטרנסדוקציות AAV חזקות וחלשות, כמו גם להבחנה בין גנים בעלי טרנסדוקציה חזקה, כגון sc-GFP, לבין גנים בעלי פוטנציאל נמוך יותר, כגון ss-GFP. צפינו בהבדל של 100-fold בפלורסצנציה יחסית בין הטרנס-גנים sc ו-ss ב-MOI של 106 בתאי HEK293T, והבדל של 3-fold בקווי תאים שקשה יותר לבצע להם טרנסדוקציה, כגון HEP3B.
לאחר מכן המשכנו לבחון את התעתוק של סרוטיפים שונים של AAV בצורה תלויית-מינון הן בספרואידים של HEK293T והן בספרואידים של Huh7. כפי שמוצג ב-איור 4, ספרואידים בתלת-ממד היו ניתנים לתעתוק של AAV-scGFP מארבעה סרוטיפים שונים. לאחר 72 שעות של תעתוק, נמדד ה-scGFP באמצעות קורא לוחות פלואורסצנטי (איור 4A,B) ותוכנה לדימוי תאים חיים (איור 4C,D). כל 4 הסרוטיפים זוהו בהצלחה באמצעות שני מכשירים אלו. מערכת דימוי התאים החיים הראתה טווח גבוה יותר בין האות לרעש מאשר קורא הלוחות הפלואורסצנטי, אם כי אות מנורמל לא הראה הבדלים משמעותיים. מצאנו של-AAV2 הייתה יעילות התעתוק החזקה ביותר בשני קווי התאים, ואחריו AAV1, בעוד ש-AAV5 ו-AAV9 הראו תעתוק נמוך משמעותית.
בשלב הבא, הערכנו את יעילות ההעברה (transduction) של לומנסנציה באמצעות פרוטוקול הספרואידים. כדי לבחון זאת, תאי HeLa גודלו לספרואידים תלת-ממדיים בהתאם לפרוטוקול האופטימלי המתואר כאן. ביום השלישי, תאי HeLa בספרואידים הועברו עם 5 סרוטיפים שונים של AAV המקודדים לגן דגל של ננו-לוסיפראז. לאחר 72 שעות של העברת AAV, התאים טופלו בתסבסב (substrate) של Live Cell והודגרו למשך 5 דקות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, הלומנסנציה נמדדה ודוגמה באמצעות מערכת לדימות ביולומנסנציה. (איור 5A)נצפתה התמרה יעילה עבור כל סרוטיפי ה-AAV באמצעות מערכת זו. נצפתה הבחנה רגישה בין יעילות ההתמרה של סרוטיפי AAV שונים, המצביעה 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 בווקטורים פלואורסצנטיים והן בווקטורים לומנצנטיים (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 הטרנסדוקציה. איור 6 מציג תוצאות מייצגות לקינטיקת טרנסדוקציה של AAV2-scGFP ו-AAV2-ssGFP בספרואידים תלת-ממדיים של HEK293T, כאשר אלו עברו טרנסדוקציה ב-MOIs שונים (0-106) (איור 6A-G). מצאנו כי טרנסדוקציה של AAV2-scGFP ניתנת לזיהוי ב-MOIs נמוכים עד כדי 101, כאשר עלייה באות ה-GFP ניתנת לזיהוי לאחר כ-34 h בהשוואה לתאים שלא טופלו, תוך שימוש במערכת דימוי תאים חיים. אות ה-AAV2-ssGFP חלש ואיטי הרבה יותר מאות ה-AAV2scGFP. כדי להשוות עוד יותר את מהירות הטרנסדוקציה, חישבנו את זמן ההתחלה (onset time) שבו אות ה-GFP הופך לניתן לזיהוי. הבחנו כי scGFP מהיר פי 4 בממוצע מ-ssGFP בטרנסדוקציית תאים. זמני התחלה אינדיבידואליים מדווחים ב-טבלה 1. מדידות 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 צנטריפוגציה כדי לעודד אגרגציה ומועברות ל (C) מערכת IncuCyte S3 לניטור בזמן אמת של יצירת הספרואידים. (D) ביום ה-3, הספרואידים עוברים טרנסדוקציה עם AAV ב-MOIs משתנים. (E) קינטיקת הטרנסדוקציה נמעקבת לאורכה של תקופה באמצעות דימיון של תאים חיים, ו (F) ניתן לבצע אנליזת נקודת סיום באמצעות קריאות פלואורסצנציה או לומנסינציה מבוססות צלחת. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: אפיון מורפולוגי של ספרואידים על פני מספר שורות תאים. תמונות מייצגות של ספרואידים שנוצרו 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 שורות התאים נזרעו בריכוז של 1 x 104 תאים/באר למשך 3 ימים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: השוואה של יעילות טרנסדוקציית AAV בין וקטורים משלימים-עצמיים (scGFP) לווקטורים בעלי גדיל בודד (ssGFP) בקווי תאים שונים. ספרואידים בתלת-ממד של (A>) HEK293T, (B>) Huh7, (C>) HEP3B, ו-(D>) HEPG2 הורכבו עצמית 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 דימוי של תאים חיים. פסי קנה מידה מייצגים 200 µm. פסי שגיאה מייצגים SD. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מורחבת של איור זה.

איור 4: טרנסדוקציית AAV בספרואידים בתלת-ממד מבדילה 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, עם טרנסגן scGFP בטווח של MOIs שונים. יחידות עוצמת פלואורסצנציה נמדדו לאחר 72 h באמצעות קורא לוחות מבוסס פלואורסצנציה (A,B>) ומערכת דימות תאים חיים (C,D>). פסי השגיאה מייצגים SD. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מורחבת של איור זה.

איור 5: טרנסדוקציית AAV בספרואידים בתלת-ממד עם רפורטרים לומניסצנטיים. ספרואידים של HeLa עברו טרנסדוקציה באמצעות AAV1, AAV2, AAV5, AAV8 ו-AAV9 המקודדים לגן רפורטר של nanoluciferase ב-MOIs עולים. הלומניסצנציה הודגמה ונמדדה באמצעות קריאת Endpoint במערכת דימוי 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. כל וקטור AAV הורץ בשני רפליקטים אופקיים. פסי השגיאה מייצגים SD. אנא לחצו כאן להצגת גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 6: הערכת קינטיקת טרנסדוקציה בספרואידים בתלת-ממד. ספרואידים של HEK293T עברו טרנסדוקציה עם AAV2-scGFP (כחול) ו-AAV2-ssGFP (אדום) בטווח של 7 MOIs (A–G). עוצמת הצבע הירוק הכוללת נמדדה לאורך תקופה של 72 h, במרווחי זמן של 6 h, באמצעות מערכת Monitor spheroid formation/growth. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
| MOI (ריבוי זיהום) | scGFP (שעות) | ssGFP (שעות) |
| 1 | >72 שעות | >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: פריסת פלטה לדילול ספרואידים. (A) פריסת פלטה מייצגת המראה את תכנית הדילול עבור ספרואידים של HEK293T, Huh7, HEP3B ו-HEPG2, אשר נוצרו מצפיפויות זריעה ראשוניות בטווח של 10,000 עד 78 תאים. אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
איור משלים 2: היווצרות ספרואידים בטווח של צפיפויות זריעה. תמונות מיקרוסקופיות מייצגות של ספרואידים מסוג HEK293T ו-Huh7 שנוצרו 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 לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים 4: פריסת פלטה לדילולים סדרתיים של AAV. (A) פריסת פלטה מייצגת המראה את תוכנית הדילולים הסדרתיים של AAV שנעשה בה שימוש עבור AAV1, AAV2, AAV5 ו-AAV9, החל מ-MOI של 106. ביקורת שלילית מוצגת בשורה H, המייצגת ספרואידים שלא טופלו.אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 1: דימוי חי של תאים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 106.אנא לחצו כאן להורדת הקובץ.
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 להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 4: דימוי תאי חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 106, כחלק ממחקר תלות במינון.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטון משלים 5: דימות תאי חיים בזמן אמת של טרנסדוקציית AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 104.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
סרטon משלים 6: דימוי תאי חיים בזמן אמת של התמרה של AAV2-scGFP בספרואידים של HEK293T ב-MOI 101.אנא לחצו כאן להורדת קובץ זה.
קובץ משלים 1: חישוב ה-MOI הדרוש לטרנסדוקציית AAV.אנא לחץ כאן להורדת קובץ זה.