Studio di vettori virali in un tridimensionale fegato Modello ripopolata con l'Umano carcinoma epatocellulare Linea cellulare HepG2

La maggior parte dell'attuale ricerca biomedica si basa su uno dei due approcci, esperimenti di coltura cellulare bidimensionali (2D) o modelli animali, che sono tridimensionali (3D) per loro stessa natura. Tuttavia, questi approcci presentano alcuni gravi inconvenienti. È stato dimostrato che le cellule coltivate in coltura 2D differiscono nei modelli di espressione genica e nella fisiologia cellulare da quelle coltivate in condizioni 3D. ¹ I modelli animali, oltre ad essere associati a preoccupazioni etiche, spesso non modellano bene la fisiologia umana. Sebbene l'assenza di effetti tossici evidenti di un composto debba essere confermata in modelli animali prima della prima somministrazione nell'uomo, sono stati documentati diversi casi in cui si sono verificati effetti avversi gravi, a volte fatali, negli studi clinici. ^{numero arabo}

Per superare queste carenze, i modelli di organi 3D ex vivo umanizzati sono diventati importanti strumenti di ricerca. Se coltivate in condizioni adeguate, le cellule si autoassemblano in strutture 3D note come sferoidi. Tuttavia, questi sferoidi mancano di un sistema vascolare, il che limita la distribuzione di piccoli composti molecolari, grandi farmaci biologici e vettori virali. Ad esempio, i vettori adenovirali hanno trasdotto solo gli strati cellulari esterni di sferoidi preparati da glioblastomi umani. ³ Una soluzione a questo problema è l'uso di un modello di organo contenente un sistema vascolare. A tal fine, l'organo di interesse può essere espiantato da un animale e le cellule animali possono essere sostituite da cellule umane. Sono stati descritti vari metodi per la decellularizzazione del fegato animale mediante trattamento con detergenti o colato di sodio. ^4-6 La matrice extracellulare risultante (ECM) ospita citochine e fattori di crescita che regolano vari processi cellulari. ⁷ Può essere utilizzato come impalcatura per la ricellularizzazione con cellule umane per ottenere un modello di organo funzionale.

In uno studio recente, abbiamo utilizzato un modello epatico 3D umanizzato per studiare la distribuzione e l'espressione transgenica di un vettore di virus adeno-associato (AAV). ⁸ I vettori AAV sono tra i vettori virali più promettenti per applicazioni di terapia genica. ⁹ Il primo, e finora unico, intervento di terapia genica approvato nel mondo occidentale utilizza un vettore AAV per il trasferimento della lipoproteina lipasi. ¹⁰

NOTA: RL ottenuto l'approvazione etica per l'espianto di organi dal Landesamt für Gesundheit und Soziales (LAGeSo). I fegati sono stati espiantati da ratti Wister. La vena cava inferiore e la vena porta del fegato sono stati cannulata con una cannula 22 G. Metodi per la decellularization di fegati espiantati sono stati descritti in precedenza. ^4,5 Le matrici extracellulari usati qui sono stati ottenuti da eccessiva perfusione di fegato di ratto con desossicolato di sodio 1%.

1. Recellularization di matrice extracellulare (ECM) di un fegato di ratto

1. Ampliamento della linea di cellule epatiche HepG2
   1. Culture linea cellulare HepG2 carcinoma epatocellulare in Roswell Park Memorial Institute (RPMI) 1640 supplementato con 10% di siero fetale di vitello, 2 mM glutammina, e 2 mM di penicillina e streptomicina, ogni.
   2. Seed 1.5 x 10 ⁷ cellule in bottiglie T175 e crescere le cellule a 37 ° C e 5% CO ₂ 2.
   3. Centrifugare le cellule a 300 xg e risospendere in 4 ml di PBS e contare le cellule con una camera di Neubauer sotto un microscopio. Una bottiglia T175 produrrà circa 4,5 x 10 ⁷ cellule.
      NOTA: Assicurarsi che la cultura contiene il numero di cellule sufficiente per Recellularization della ECM fegato di ratto con 6 x 10 ⁸ cellule HepG2 per ECM (10 x 175 cm ² fiasche di coltura con 4-5 x 10 ⁸ cellule ciascuno).

Figura 1. sistema di bioreattore. A) Questo sistema di bioreattore è stato realizzato su misura. Mantiene i modelli di organo a 37 ° C e 5% CO _2. Le portate delle pompe peristaltiche possono essere regolati singolarmente. B) Il fegato è posto in una camera di crescita e collegareed al circuito di perfusione, che consiste in una pompa peristaltica, un serbatoio di media, un gorgogliatore e un sensore di pressione. prego qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Recellularization della ECM
   1. Impostare il sistema di bioreattore, contenente una camera di perfusione del fegato, un sistema di perfusione, un serbatoio di media e un gorgogliatore. Sterilizzare il sistema di bioreattore (121 ° C, 15 min).
   2. Collegare il sistema bioreattore con una pompa peristaltica e collocarlo in una incubatrice prevedendo condizioni adeguate (37 ° C, 5% CO _2). Posizionare decellularized scaffold fegato di ratto ⁸ nella camera di perfusione del fegato del sistema bioreattore (Figura 1).
   3. Collegare la vena porta cannulato e vena cava con clip tubo al sistema di perfusione. Equilibrare scaffold con 150 ml di RPMI medio (come descritto in 1.1)oltre 5 d con una portata di 1,25 ml / min.
   4. Scollegare il ponteggio fegato dal circuito media e inoculare il ponteggio con 3 x 10 ⁸ cellule HepG2 (in 5 ml) attraverso la vena porta utilizzando una siringa da 5 ml, evitando la formazione di bolle d'aria e consentire alle cellule di ripopolare ECM incubandoli per 1 hr nel scaffold con la pompa spenta.
   5. Aumentare gradualmente la portata regolando la pompa, a partire da 1,25 ml / min per 10 min; 2,5 ml / min per 20 min e infine 3.75 ml / min per 30 min.
   6. Ripetere i punti 1.2.4-1.2.5 per raggiungere un numero di cellule totale di 6 x 10 ^8.
   7. Eseguire il sistema bioreattore ad una portata di 3,75 ml / min. Cultura del fegato di ratto recellularized per 2 settimane.
      NOTA: Sostituire un terzo del mezzo con terreno fresco (50 ml) a giorni alterni. Campione mezzo di coltura per rilevare parametri fisiologici, come l'attività di lattato deidrogenasi, il pH dei campioni medi e la concentrazione di glucosio e lattato.

2. La trasduzione del Recellularized fegato di ratto

1. Produzione su larga scala di AAV vettori
   1. Produrre, purificare, e quantificare vettori AAV come descritto in precedenza: ¹¹
      1. In breve, la produzione di vettori AAV in bottiglie a rulli e purificare da iodixanolo gradiente di centrifugazione. Rimuovere iodixanolo residua mediante filtrazione su PD10 colonne di filtrazione di gel. Determinare la concentrazione AAV vettore per qPCR utilizzando DNA genomico AAV come standard.
         NOTA: L'auto-complementare, pseudotyped AAV2 / 6 vettore utilizzato in questo studio codificato EmGFP come reporter per dimostrare l'efficienza di trasduzione e di una cassetta di espressione shRNA per l'atterramento di un gene endogeno espresso (cyclophilin umano B (hCycB), figura 2) . Garantire una quantità sufficiente di vettori scAAV pseudotyped di sierotipo 6 (2,7 x 10 ¹³ AAV vettori per modello del fegato).

Figura 2. Mappa del auto-complementari, pseudotyped AAV2 / 6 vettore utilizzato nel presente studio. Il genoma consiste delle ripetizioni terminali invertite (ITR) di AAV2 e codifica EmGFP sotto controllo del promotore CMV e un shRNA sotto controllo di un promotore U6. cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. La trasduzione del fegato Modello
   1. Regolare la soluzione AAV vettoriale in una concentrazione finale di 2,7 x 10 ¹³ genomi vettoriali in 5 ml aggiungendo il rispettivo volume di PBS.
   2. Scollegare il fegato dal circuito supporti rimuovendo il tubo dalla cannula. Collegare una siringa da 5 ml alla cannula della vena porta e iniettare la soluzione AAV vector completa (5 ml).
      NOTA: Optionally, aggiungere rosso fenolo (5 mg / ml) per seguire la distribuzione della soluzione AAV vector tutto il fegato.
   3. Incubare per 1 ora, senza pompaggio. Aumentare gradualmente portata, iniziando con 1,25 ml / min per 10 min; 2,5 ml / min per 20 min e 3,75 ml / min per 30 min. Cultura del fegato di ratto recellularized oltre 6 giorni.
      Nota: sostituire un terzo della media come indicato nella nota sotto 1.2.7

3. Valutazione del Fegato Recellularized trasdotte Rat

1. Ematossilina e eosina (HE) colorazione e analisi immunoistochimica
   1. Prendere campioni (0,5 x 0,5 x 1,5-2 cm) da ciascun lobo epatico utilizzando un bisturi.
   2. Incubare campioni (da 3.1.1) in 4% paraformaldeide (PFA) + soluzione di saccarosio 4% per 1,5 ore a 4 ° C. (Attenzione: PFA è tossico e cancerogeno Tenere sempre PFA all'interno di una cappa aspirante e indossare indumenti di protezione adeguati..) Lavare tre volte con PBS (1 min per la fase di lavaggio) e incubare a 8%durante la notte di saccarosio a 4 ° C.
   3. Versare il fissaggio di media in cryomolds plastica, posizionare i campioni in fissaggio mezzo privo di bolle d'aria. Aggiungere mezzo di fissaggio fino campione è ben coperto. Conservare i campioni incorporato a -80 ° C fino a nuovo uso.
   4. Preparare crio-sezioni (10 micron) con una cryotome ^12. Valutare Recellularization da ematossilina eosina + ^8. Valutare l'efficienza di trasduzione dalla colorazione immunoistochimica per l'interesse gene-di-(qui: EmGFP).
2. prelievo di campioni biologici molecolare
   1. Campione ciascun lobo fegato con un punzone biopsia (4 mm di diametro). Isolare RNA totale, DNA e proteine in base alle istruzioni del produttore per la valutazione di espressione del transgene di EmGFP, e hCycB abbattere ^8.

Per la valutazione della portata del Recellularization, crio-sezioni sono state preparate da ogni lobo di ogni modello di fegato recellularized. Le sezioni sono state poi analizzate con ematossilina ed eosina. Come si vede in figura 3, ciascun lobo dei tre modelli fegato, indicato nel TLM1, TLM2 (trasdotte modelli fegato 1 +2) e CTRL (modello di fegato controllo che è stato recellularized, ma non trasdotte), sono stati ripopolata con cellule HepG2. Questa linea di cellule di carcinoma epatocellulare è stata istituita dal tessuto tumorale di un 15-anno-vecchio ragazzo argentino. Alcune aree dei modelli di fegato sono stati più intensamente recellularized di altri. Le ragioni di queste variazioni restano da determinare.

Figura 3. ematossilina e eosina di ogni lobo dei tre analizzati modelli di fegato TLM1 + 2:. Fegato trasdottemodelli 1 e 2; Ctrl .: modello di fegato di controllo che è stato recellularized ma non trasdotto. barra della scala: 200 micron. (Ristampato con il permesso di Rif. 8.) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Nella fase successiva, la trasduzione dei modelli di fegato è stata valutata. A tal fine, il DNA è stato preparato da 28 biopsie di ciascuno dei modelli fegato e il titolo vettoriale è stato quantificato mediante qPCR. In media, 55 e 90 interiorizzati genomi vettoriali per cella (VG / cell) sono stati misurati per i due modelli di fegato trasdotte. Gli esperimenti in coltura cellulare 2D hanno dimostrato 30 VG / cella sono sufficienti per una forte espressione del transgene e silenziamento RNAi-mediata. Produzione di EmGFP è stato analizzato mediante RT-PCR e Western blotting. Infatti, l'espressione del reporter è stata rilevata nel 80-90% delle biopsie sui livelli di mRNA e proteine, rispettivamente.8 Per ottenere un quadro completo della efficienza di trasduzione, crio-sezioni sono state analizzate immunoistologico. Come visibile in figura 4, le aree del modello fegato che erano recellularized successo, come visualizzato dalla colorazione DAPI, anche dato segnali fluorescenti forti nell'analisi immunoistochimica dell'espressione EmGFP. Come previsto, il modello di fegato di controllo, non trattato con vettori AAV, non ha mostrato alcuna espressione EmGFP.

Figura 4. L'analisi immunoistochimica di espressione EmGFP cellule che ripopolato i modelli di fegato sono stati visualizzati da colorazione DAPI (blu).; espressione EmGFP è stato visualizzato mediante colorazione immunochimica (rosso). TLM1 + 2: modelli di fegato trasdotte 1 e 2; Ctrl .: modello di fegato di controllo che è stato recellularized ma non trasdotto. barra della scala: 200 micron. (Ristampato con il permessoda Ref. 8.) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

In un test finale, atterramento AAV-mediata di hCycB è stato analizzato mediante qRT-PCR. Il colpo di hCycB è risultato essere tra il 70 e il 90%, come media di tutti lobi dei due modelli fegato trasdotte (Figura 5).

Figura 5. RNAi mediata Knockdown di hCycB in modelli 3D del fegato AAV-trasdotte. Silenziamento di hCycB è stata determinata da qRT-PCR. valori medi e deviazioni standard (SD) sono stati calcolati per tutti i campioni di ciascun modello fegato 3D trasdotte (TLM1 e 2, rispettivamente) e normalizzato al valore medio del controllo non trasdotte (Ctrl.). (Ristampato con il permesso di Ref. 8.) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.