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
it_IT
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Kyla A. Britson1,2, Aaron D. Black2,3, Kathryn R. Wagner1,2,3,4, Thomas E. Lloyd1,2,4
1Graduate Program in Cellular and Molecular Medicine,Johns Hopkins University School of Medicine, 2Department of Neurology,Johns Hopkins University School of Medicine, 3Kennedy Krieger Institute, 4Department of Neuroscience,Johns Hopkins University School of Medicine
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Le malattie umane complesse possono essere difficili da modellare nei sistemi di modelli di laboratorio tradizionali. Qui, descriviamo un approccio chirurgico per modellare la malattia muscolare umana attraverso il trapianto di biopsie muscolari scheletriche umane in topi immunodeficienti.
Gli effetti del trattamento osservati negli studi sugli animali spesso non vengono riassunti negli studi clinici. Mentre questo problema è multiforme, uno dei motivi di questo fallimento è l'uso di modelli di laboratorio inadeguati. È difficile modellare malattie umane complesse negli organismi di laboratorio tradizionali, ma questo problema può essere aggirato attraverso lo studio degli xenografi che si possono fare attraverso l'uomo. Il metodo chirurgico che descriviamo qui permette la creazione di xenogratti muscolari scheletrici umani, che possono essere utilizzati per modellare la malattia muscolare e per effettuare test terapeutici preclinici. In base a un protocollo approvato dall'IRB (Institutional Review Board), i campioni muscolari scheletrici vengono acquisiti dai pazienti e poi trapiantati in topi ospiti NOD-Rag1nullIL2r . Questi topi sono ospiti ideali per gli studi di trapianto a causa della loro incapacità di fare linfociti maturi e sono quindi in grado di sviluppare risposte immunitarie adattative mediate dalle cellule e morali. I topi ospiti sono anestetizzati con isoflurane e i muscoli del tibialis anteriore ed estensore del digitalum vengono rimossi. Un pezzo di muscolo umano viene quindi collocato nello scomparto tibiale vuoto e suturato ai tendini prossimali e distali del muscolo longus peroneo. Il muscolo xenotrapianto è spontaneamente vascolarizzato e innervato dall'ospite del topo, risultando in un muscolo umano robustamente rigenerato che può servire come modello per gli studi preclinici.
È stato riferito che solo 13.8% di tutti i programmi di sviluppo di farmaci in fase di sperimentazione clinica hanno successo e portano a terapie approvate1. Mentre questo tasso di successo è superiore al 10,4% precedentemente riportato2, c'è ancora significativo margine di miglioramento. Un approccio per aumentare il tasso di successo degli studi clinici è quello di migliorare i modelli di laboratorio utilizzati nella ricerca preclinica. La Food and Drug Administration (FDA) richiede studi sugli animali per mostrare l'efficacia del trattamento e valutare la tossicità prima degli studi clinici di fase 1. Tuttavia, c'è spesso una concordanza limitata negli esiti del trattamento tra studi sugli animali e studi clinici3. Inoltre, la necessità di studi sugli animali preclinici può essere una barriera insormontabile per lo sviluppo terapeutico in malattie che non hanno un modello animale accettato, che spesso accade per le malattie rare o sporadiche.
Un modo per modellare la malattia umana è trapiantare il tessuto umano in topi immunodeficienti per generare xenografi. Ci sono tre vantaggi principali per i modelli di xenotrapianto: in primo luogo, possono ricapitolare le complesse anomalie genetiche ed epigenetiche che esistono nella malattia umana che potrebbero non essere mai riproducibili in altri modelli animali. In secondo luogo, gli xenografi possono essere utilizzati per modellare malattie rare o sporadiche se sono disponibili campioni di pazienti. In terzo luogo, gli xenogratto modellano la malattia all'interno di un sistema in vivo completo. Per questi motivi, ipotizziamo che i risultati dell'efficacia del trattamento nei modelli di xenotrapianto siano più propensi a tradursi in sperimentazioni in pazienti. Gli xenografi tumorali umani sono già stati utilizzati con successo per sviluppare trattamenti per tumori comuni, tra cui mieloma multiplo, così come terapie personalizzate per singoli pazienti4,5,6, 7.
Recentemente, gli xenogratto sono stati utilizzati per sviluppare un modello di malattia muscolare umana8. In questo modello, i campioni di biopsia muscolare umana vengono trapiantati negli arti posteriori di topi NRG immunodeficienti per formare xenografi. Le miofibre umane trapiantate muoiono, ma le cellule staminali muscolari umane presenti nello xenotrapianto successivamente si espandono e si differenziano in nuove miofibre umane che ripopolano la lamina basale umana innestata. Pertanto, le miofibre rigenerate in questi xenotrapianto sono interamente umane e vengono spontaneamente vascolarizzate e innervate dall'ospite del topo. è importante sottolineare che il fascio, la distrofia muscolare scapopulohumerale (FSHD) del tessuto muscolare del paziente trapiantato nei topi ricapitola le caratteristiche chiave della malattia umana, vale a dire l'espressione del fattore di trascrizione DUX4 8. La FSHD è causata dalla sovraespressione del DUX4, che è epigeneticamente silenziato nel tessuto muscolare normale9,10. Nel modello xenotrapianto FSHD, il trattamento con un morfolino specifico del DUX4 ha dimostrato di reprimere con successo l'espressione e la funzione di DUX4 e può essere una potenziale opzione terapeutica per i pazienti fsHD11. Questi risultati dimostrano che gli xenogratti muscolari umani sono un nuovo approccio per modellare la malattia muscolare umana e testare potenziali terapie nei topi. Qui, descriviamo in dettaglio il metodo chirurgico per la creazione di xenografi muscolari scheletrici umani in topi immunodeficienti.
Tutto l'uso di campioni di ricerca da soggetti umani è stato approvato dal Johns Hopkins Institutional Review Board (IRB) per proteggere i diritti e il benessere dei partecipanti. Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dal Johns Hopkins University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) in conformità con la Guida dei National Institutes of Health (NIH) per la cura e l'uso degli animali da laboratorio. Maschio NOD-Rag1nullil2r -null topi ospiti (NRG) sono utilizzati per effettuare esperimenti di xenotrapianto. Questi topi sono alloggiati in rack ventilati e ricevono aria filtrata, temperata e umidificata HEPA, nonché acqua iperclorinata filtrata per osmosi inversa. Ai topi viene fornita acqua e una dieta antibiotica irradiata (Tabella dei materiali) al libitum, e la struttura fornisce 14 h di luce a 10 h di scuro come controllato dal timer centrale.
1. Preparazione dell'attrezzatura
2. Preparazione chirurgica
3. Chirurgia Xenotrapianto
4. Collezione Xenograft
NOT: Xenografts sono in genere raccolti tra 4 A 6 mesi post-chirurgia. Tuttavia, le collezioni sono state eseguite fino a 12 mesi dopo l'intervento chirurgico.
5. Immunohistochimica Xenotrapianto

Figura 2: Chirurgia dello Xenotrapianto. (A) I capelli vengono rimossi dal sito chirurgico. (B) Un'incisione viene effettuata sopra il tibialis anteriore (TA). I tendini distale del TA e dell'estensore digitorum longus (EDL) sono contrassegnati con frecce. La linea tratteggiata nera indica dove verrà tagliato l'epimysio al punto 3.3. (C) Il tendine distale della TA viene tagliato e il muscolo viene tirato fino al ginocchio. (D) Il tendine dell'EDL viene tagliato e l'EDL viene tirato fino al ginocchio. Questo espone il tendine prossimale del peroneo longus (PL) contrassegnato con una freccia. Le linee tratteggiate indicano dove tagliare con le forbici per rimuovere l'EDL (verde) e il PL (blu). (E) L'EDL e la TA vengono rimossi. (F) Una sutura viene posta attraverso il tendine prossimale del PL. (G) Lo xenotrapianto viene posto nel compartimento tibiale vuoto e suturato al tendine pISciale PL utilizzando un nodo quadrato chirurgico a due mani. (H) Una sutura viene posta attraverso il tendine distale del PL, contrassegnato con una freccia, e un altro nodo quadrato chirurgico a due mani viene utilizzato per suturare lo xenotrapianto al tendine distale. (I) Lo xenotrapianto è completamente trapiantato e suturato al PL. (J) La pelle è chiusa con colla chirurgica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Collezione Xenotrapianto di 4 mesi. (A) I capelli vengono rimossi dal sito chirurgico. Le suture sono visibili sotto la pelle. (B) La pelle sovrastante lo xenotrapianto viene rimossa. Quindi lo xenotrapianto viene afferrato con le pinze dell'iride alla sutura disal e delicatamente tirato verso l'alto. A partire dalla caviglia, un bisturi viene utilizzato per tagliare lungo la tibia e liberare lo xenotrapianto. La freccia mostra l'inizio dell'incisione lungo la tibia. (C) Tirando il muscolo gastrocnemio di lato, una debole linea bianca di epimysio che separa il muscolo peroneo longus (PL) e il gastrocnemio (mostrato dalla freccia) diventa visibile. Utilizzare il bisturi per tagliare lungo questa linea per separare il PL dagli altri muscoli delle gambe. (D) Il lato destro dello xenotrapianto, e il PL sono ora liberi dagli altri muscoli della gamba e sono pronti per la rimozione. La linea tratteggiata indica dove tagliare con le forbici chirurgiche per iniziare a rimuovere lo xenotrapianto e PL. (E) Dopo il taglio sotto la sutura distale, deviare lo xenotrapianto verso il ginocchio. La linea tratteggiata indica dove tagliare con le forbici chirurgiche per rimuovere lo xenotrapianto e il PL dal vano tibiale. (F) Lo scomparto tibiale vuoto con lo xenotrapianto e il PL sono stati rimossi con successo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Come dimostrato da Yuanfan e altri, questo protocollo chirurgico è un metodo semplice per produrre xenografi muscolari scheletrici umani8. Gli xenogratto rigenerati diventano spontaneamente innervati e mostrano contrattilità funzionale. Inoltre, lo xenotrapianto muscolare da parte dei pazienti affetti da FSHD riassume i cambiamenti nell'espressione genica osservati nei pazienti affetti da FSHD8.
Nella nostra esperienza, circa 7 degli 8 xenografti eseguiti da campioni di pazienti di controllo mostreranno un innesto muscolare di successo. Uno xenotrapianto di successo mostra una robusta rigenerazione delle miofibre umane identificate con anticorpi specifici umani (Figura 4). La colorazione della miosina embrionale positiva all'interno di una proporzione di miofibre indica che il processo di rigenerazione è ancora in corso. Al contrario, una cattiva tecnica chirurgica o un esemplare inadeguato può portare a una scarsa rigenerazione delle fibre muscolari (Figura 4).
Gli enotrapianto eseguiti da un paziente con diagnosi di miopatia infiammatoria idiopatica (IIM) mostrano un numero moderato di miofibre umane rigenerate nelle collezioni di 4 e 6 mesi e la colorazione della miosina embrionale persiste a 6 mesi (Figura 5A). Le cellule infiammatorie sono presenti nello xenotrapianto come mostrato dalla colorazione H&E (Figura 5A) e sono state confermate con CD3, CD68 e altri marcatori immunologici (dati non mostrati). Gli Xenograft ssono stabili all'interno del mouse e sono state eseguite raccolte fino a 12 mesi. La dimensione individuale della miofibra è paragonabile tra gli xenografi IIM a 4 e 6 mesi e la biopsia originale del paziente IIM (Figura 5B). Fibre rare che mostrano un'area trasversale sezionale (CSA) superiore a 3500 m2 sono osservate negli xenografi ma non nella biopsia IIM, indicando che alcuni miofibre negli xenoinnesti possono rigenerarsi in una CSA paragonabile per dimensioni a mitrale sane (Figura 5B ).

Figura 1: Set-up chirurgico.
A) Orientamento standard del microscopio stereo, del circuito respiratorio Mapleson E e degli strumenti chirurgici durante la chirurgia dello xenotrapianto. B) Posizionamento della camera di induzione nell'armadietto della biosicurezza.

Figura 4: Risultati positivi e negativi attesi.
Gli enotrapianto raccolti 4 mesi dopo l'intervento chirurgico mostrando una rigenerazione buona o scarsa sono macchiati con lamina a/c specifica dell'uomo (1:50) e spettrotrina umana (1:20) e miosina embrionale (1:10) (Tabella dei materiali). Le aree indicate dalle caselle tratteggiate bianche vengono visualizzate come inserti di ingrandimento superiore. Barra della scala: 200 m. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Rigenerazione del rappresentante Xenotrapianto.
A) Xenografts (delineato con linee tratteggiate) eseguito da un paziente con diagnosi di una miopatia infiammatoria idiopatica (IIM) macchiata con ematossia ed Eosina (H&E), specifica umana Lamin A/C e spettrotrina umana specifica, mostrano la formazione di miofibra all'interno di topi NRG sia a 4 che a 6 mesi. La colorazione della miosina embrionale dimostra che la rigenerazione è ancora in corso in entrambi i punti temporali. Barra della scala: 200 istogrammi raffiguranti l'area trasversale trasversale (CSA) delle miofibre da xenotrapianto a 4 e 6 mesi e biopsie umane da un paziente diagnosticato con una miopatia infiammatoria idiopatica (IIM) e un paziente di controllo sano. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Le malattie umane complesse possono essere difficili da modellare nei sistemi di modelli di laboratorio tradizionali. Qui, descriviamo un approccio chirurgico per modellare la malattia muscolare umana attraverso il trapianto di biopsie muscolari scheletriche umane in topi immunodeficienti.
Questo lavoro è stato sostenuto da The Myositis Association e dalla Peter Buck Foundation. Ringraziamo il Dr. Yuanfan e sprondin per aver condiviso la sua esperienza e la sua formazione nella tecnica chirurgica dello xenotrapianto.
| Piastra di Petri da 100 mm x 15 mm | Fisher | Scientific FB0875712 | |
| 2-metilbutano | Fisher | O3551-4 | |
| Vetro di copertura micro da 20 mm x 30 mm | VWR | 48393-151 | |
| Bilancia per animali | Kent Scientific | SCL-1015 | |
| Soluzione antibiotica-antimicotica | Corning, Cellgro | 30-004-CI | |
| Sistema AutoClip | F.S.T | 12020-00 | |
| Castroviejo Porta aghi | F.S.T | 12565-14 | |
| Estratto di embrione di pollo | Accurato | CE650TL | |
| CM1860 Criostato UV | Leica Biosystems | CM1860UV | |
| Vaso di colorazione Coplin | Thermo Scientific | 19-4 | |
| Perni di dissezione | Fisher Scientific | S13976 | |
| Ghiaccio secco - pellet | Fisher Scientific | NC9584462 | |
| Anticorpo della miosina embrionale | DSHB | F1.652 | concentrazione consigliata 1:10 |
| Etanolo | Fisher Scientific | 459836 | |
| Siero fetale bovino | GE Healthcare Life Sciences | SH30071.01 | |
| Fiber-Lite MI-150 | Dolan-Jenner | Mi-150 | |
| Pinze | F.S.T | 11295-20 | |
| Capra anti-topo IgG1, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21121 | concentrazione consigliata 1:500 |
| Capra anti-topo IgG2b, AlexaFluor 594 | Invitrogen | A-21145 | concentrazione consigliata 1:500 |
| Gomma adragante | Sigma | G1128 | |
| Prosciutti F-10 Medium | Corning | 10-070-CV | |
| Histoacryl Blue Topical Skin Adhesive | Sigillo tissutale | TS1050044FP | |
| Anticorpo A/C specifico per la lamina umana | Abcam | ab40567 | concentrazioneconsigliata 1:50-1:100 |
| Anticorpo specifico per spettro umano | Leica Biosystems | NCLSPEC1 | concentrazione consigliata 1:20-1:100 |
| Camera di induzione | VetEquip | 941444 | |
| Pinze per iride | F.S.T | 11066-07 | |
| Irradiated Global 2018 (Uniprim 4100 ppm) | Envigo | TD.06596 | Antibiotica dieta per roditori per proteggere nuovamente le infezioni respiratorie |
| Isoflurano | MWI Veterinary Supply | 502017 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34155 | salviette chirurgiche |
| Mapleson E Breathing Circuit | VetEquip | 921412 | |
| Metanolo | Fisher Scientific | A412 | |
| Macchina per anestesia mobile | VetEquip | 901805 | |
| Mouse on Mouse Kit di base | Vector Laboratories | BMK-2202 | mouse IgG blocking reagente |
| Smalto per unghie | Microscopia elettronica Sciences | 72180 | |
| NAIR Lozione/olio per la rimozione dei peli | Fisher Scientific | NC0132811 | |
| NOD-Rag1null IL2rg null (NRG) topi | The Jackson Laboratory | 007799 | 2a 3 mesi |
| O.C.T. Compound | Fisher Scientific | 23-730-571 | |
| Oxygen | Airgas | OX USPEA | |
| PBS (soluzione salina tamponata con fosfato) | Fisher Scientific | 4870500 | |
| Povidone Iodio Soluzione di preparazione | Dynarex | 1415 | |
| ProLong™ Montante Oro Antisbiadimento | Fisher Scientific | P10144 (no DAPI); P36935 (con DAPI) | |
| Unguento oftalmico Puralube | Dechra | 17033-211-38 | |
| Rimadyl (carprofene) iniettabile | Patterson Veterinario | 10000319 | analgesico chirurgico, somministrato per via sottocutanea alla dose di 5 mg/kg |
| Lame per bisturi - #11 | FST | 10011-00 | |
| Manico per bisturi - #3 | FST | 10003-12 | |
| Stereo Microscopio | Accu-scope | 3075 | |
| Superfrost Plus Vetrini per microscopio | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Sutura, sintetica, non assorbibile, 30 pollici di lunghezza, ago CV-11 | Siringa Covidien | VP-706-X | |
| da 1 ml (calibro 26, ago da 3/8 di pollice) | BD Biosciences | 329412 | |
| Trimmer | Kent Scientific | CL9990-KIT | |
| Forbici a molla Vannas, tagliente da 8,0 mm | F.S.T | 15009-08 | |
| Filtro a carboni attivi VaporGaurd | VetEquip | 931401 | |
| Clip per ferite, 9 mm | F.S.T | 12022-09 |