Questo rapporto descrive in dettaglio il metodo di iniezione localizzato dei vettori AAV attraverso la pelvi renale per un trasferimento genico efficace e sicuro nel rene di topo.
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Articolo metodologico
Questo rapporto descrive in dettaglio il metodo di iniezione localizzato dei vettori AAV attraverso la pelvi renale per un trasferimento genico efficace e sicuro nel rene di topo.
Lo sviluppo di strumenti e metodi efficaci in vivo per la consegna genica al rene è fondamentale per far progredire la ricerca renale di base e la terapia genica per le malattie renali. Inoltre, la crescente consapevolezza delle malattie renali monogeniche, guidata da test genetici avanzati, sottolinea il potenziale della terapia genica per trattare e persino curare malattie renali genetiche difficili da trattare. A questo proposito, i vettori di virus adeno-associati (AAV) hanno attirato una crescente attenzione come solida piattaforma per la consegna genica in vivo ; tuttavia, il metodo più efficace e sicuro per la somministrazione genica mediata da vettore AAV a ciascun tipo di cellula terapeuticamente rilevante nel rene non è stato ancora completamente stabilito. Qui, viene descritto in dettaglio il metodo di iniezione lenta della pelvi renale retrograda (RP) di vettori AAV e viene dimostrato il suo alto potenziale di trasduzione dei reni di topo quando utilizzato con capsidi AAV opportunamente selezionati. Inoltre, questo metodo si è dimostrato efficace non solo con i vettori AAV (CsCl AAV) purificati con ultracentrifugazione al cloruro di cesio standard, ma anche con i miniprep di vettori AAV (CU AAV) ultrafiltrati centrifugamente, che possono essere preparati rapidamente e semplicemente utilizzando tecniche che non richiedono competenze specialistiche sui vettori AAV. Ad esempio, questo studio dimostra che l'iniezione lenta di RP di entrambi i vettori CsCl e CU AAV-KP3 provoca una robusta trasduzione dei tubuli prossimali nel rene di topo senza danni tissutali apparenti, a differenza degli approcci idrodinamici precedentemente riportati che portano inevitabilmente a danni tissutali. Pertanto, questo studio evidenzia che l'iniezione lenta di RP retrograda di vettori selezionati derivati dal capside AAV è un metodo efficace e sicuro per la consegna genica al rene. Questo metodo sarà applicabile a un ampio spettro di ricerche sui reni, compresi gli studi di terapia genica. L'uso di miniprep vettoriali CU AAV aumenterà significativamente la produttività e migliorerà l'efficienza in termini di tempo e costi necessari per generare dati preliminari e ottenere informazioni cruciali.
Metodi efficaci e sicuri per la consegna di geni al rene in piccoli e grandi animali da esperimento offrono opportunità cruciali per far progredire la ricerca renale di base ed esplorare approcci terapeutici innovativi. L'istituzione di tali metodi è particolarmente rilevante per la terapia genica per varie malattie renali. I recenti progressi nei test genetici clinici hanno rivelato una prevalenza di malattie renali monogeniche più elevata di quanto stimato in precedenza, che colpisce circa il 30% dei pazienti con malattie renali croniche (CKD)1. La CKD è caratterizzata da un danno renale progressivo, che porta infine all'insufficienza renale in assenza di terapie modificanti la malattia veramente efficaci. L'emodialisi e il trapianto di rene sono trattamenti attualmente disponibili; tuttavia, hanno limitazioni che compromettono significativamente la qualità della vita dei pazienti con CKD2. Pertanto, la terapia genica, un potente approccio clinicamente testato per il trattamento delle malattie genetiche, ha raccolto un'attenzione significativa negli ultimi anni come una nuova strada per il trattamento efficace delle malattie renali genetiche che portano alla CKD 3,4,5,6. Questo approccio può affrontare direttamente le cause alla radice delle malattie e potenzialmente offrire una cura.
Nonostante i costanti progressi nel campo, la consegna genica al rene rimane una sfida significativa sia nella ricerca che nei contesti terapeutici. Colpire in modo efficiente le cellule renali con geni terapeutici è difficile a causa della struttura complessa dell'organo e delle barriere fisiologiche uniche, tra cui la barriera di filtrazione glomerulare, che è composta da cellule endoteliali glomerulari, la membrana basale glomerulare e i processi del piede podocitario. Sono state esplorate varie strategie per la consegna genica mirata ai reni, tra cui l'iniezione diretta della corteccia renale (RC) 7,8, l'iniezione dell'arteria renale (RA) 9,10,11, l'iniezione della vena renale (RV) 12,13,14, l'iniezione della pelvi renale (RP) 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25 e iniezione endovenosa (IV) 19,26,27,28,29,30 di vettori di consegna genica virale o non virale, nonché somministrazione di acido nucleico mediata da ultrasuoni e microbolle 31,32. Questi approcci hanno dimostrato efficienze di trasduzione variabili o risultati funzionali, spesso producendo risultati incoerenti che sono difficili da conciliare (rivisti nei riferimenti 3,33,34,35). Il rilascio di geni al rene è ancora poco sviluppato, rendendo difficile il confronto diretto tra sistemi vettoriali e metodologie. Tuttavia, i metodi di somministrazione localizzati, che facilitano la somministrazione di agenti altamente concentrati direttamente al rene, hanno generalmente ottenuto risultati migliori rispetto alla somministrazione endovenosa sistemica. Inoltre, i vettori di virus adeno-associati (AAV), con i loro robusti profili di sicurezza e la comprovata esperienza di traslazione clinica36,37, sono stati i più studiati e sono considerati la scelta principale per il trasferimento genico renale.
I sierotipi AAV comuni e i capsidi ingegnerizzati hanno dimostrato un'efficace trasduzione delle cellule mesangiali e mesenchimali nel rene dopo l'iniezione endovenosa nei topi 28,30,38. In particolare, studi recenti hanno dimostrato che la somministrazione endovenosa di AAV9 può trasdurre efficacemente i podociti in modelli murini di sindrome nefrosica e sindrome di Alport, sebbene questo effetto non sia osservato nel rene sano38,39, e che la somministrazione endoterapica endoterale ingegnerizzata di AAV2 può colpire esclusivamente le cellule endoteliali glomerulari sia nei reni sani che in quelli infiammati nei topi40. Storicamente, i tubuli renali sono stati difficili da trasdurre attraverso la via endovenosa. Tuttavia, è stato recentemente scoperto che l'iniezione di RP di capsidi AAV selezionati, come AAV-KP141, può raggiungere la trasduzione dei tubuli prossimali a livelli superiori di un ordine di grandezza rispetto a quelli raggiunti con il capside AAV938 di riferimento. Sebbene siano necessari ulteriori miglioramenti, questi progressi aprono nuove strade per la ricerca renale di base e la terapia genica, offrendo opportunità che prima erano irraggiungibili.
Nel presente articolo, l'iniezione lenta di RP retrograda di vettori AAV è descritta in dettaglio come un metodo efficace e sicuro per la consegna genica al rene di topo38. Come esempio rappresentativo di questa tecnica, AAV-KP3 è stato scelto come capside esemplare sulla base della scoperta che è uno dei sei capsidi (cioè AAV-KP1, AAV-KP2, AAV-KP341, AAV-DJ42, AAV2G943 e AAV2.7m844) che hanno mostrato una maggiore trasduzione renale rispetto ad AAV9 dopo l'iniezione di RP nei topi38. In particolare, i tessuti renali iniettati con RP retrogrado lento non hanno mostrato alcun danno tissutale apparente rispetto a quelli trattati con approcci idrodinamici precedentemente riportati23,24. Inoltre, i vettori miniprep AAV45 rozzamente purificati mediante ultrafiltrazione centrifuga rapida e semplice (cioè vettori CU AAV) hanno raggiunto livelli di trasduzione renale circa il 70% di quelli ottenibili dalle preparazioni di vettori AAV purificati con l'ultracentrifugazione a gradiente standard di cloruro di cesio (CsCl) (cioè vettori CsCl AAV) quando somministrati allo stesso titolo del genoma del vettore. Pertanto, il metodo e le osservazioni qui presentate forniscono una risorsa preziosa e pratica per i ricercatori che cercano di migliorare la consegna genica al rene nei topi e negli animali potenzialmente più grandi.
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Tutti gli esperimenti sugli animali qui descritti sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee dell'Oregon Health & Science University (OHSU) e sono stati eseguiti in conformità con le linee guida per la cura degli animali dell'OHSU. In questo studio sono stati utilizzati topi maschi C57BL/6J di otto settimane. I reagenti e le attrezzature utilizzate in questo studio sono elencati nella Tabella dei materiali.
1. Produzione di vettori AAV mediante trasfezione plasmidica priva di adenovirus
2. Purificazione con ultrafiltrazione centrifuga (CU) di vettori AAV (AAV miniprep)
3. Purificazione a gradiente di densità CsCl di vettori AAV
4. Valutazione della qualità delle preparazioni di vettori AAV mediante SDS-PAGE seguita da colorazione con argento
5. Identificazione delle proteine AAV VP in preparazioni di vettori CU AAV mediante western blot
6. Iniezione di pelvi renale (RP)
7. Prelievo di tessuti e criosezione
8. Colorazione in immunofluorescenza
9. Estrazione del DNA dal tessuto
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Uno studio recente ha identificato un piccolo sottogruppo di capsidi AAV che mostra un notevole aumento della trasduzione renale rispetto ad AAV9 dopo l'iniezione di RP38. Il sottogruppo identificato include AAV-KP3, un capside chimerico di AAV generato dal rimescolamento del DNA41. Pertanto, AAV-KP3 è stato scelto per l'iniezione di RP in questo studio, insieme ad AAV9 come punto di riferimento. Il vettore AAV9-CAG-tdTomato (AAV9) e il vet...
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Questo rapporto ha dettagliato l'iniezione lenta di RP retrograda di vettori AAV come metodo di somministrazione locale per la consegna genica al rene di topo. Un passaggio fondamentale per eseguire in sicurezza l'iniezione di RP è la regolazione della velocità di iniezione dei vettori AAV per evitare danni parenchimali ai reni iniettati. In un precedente rapporto sull'iniezione idrodinamica della pelvi renale, 100 μL di soluzione di DNA plasmidico sono stati iniettati nel rene di topo i...
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H.N. riceve una royalty sulle tecnologie relative all'AAV concesse in licenza da Takara Bio Inc. e Capsigen Inc., funge da consulente per aziende biotecnologiche, è co-fondatore di Capsigen Inc. e detiene azioni di Capsigen Inc. e Sphere Gene Therapeutics.
Ringraziamo Guangping Gao e James M. Wilson per averci fornito il plasmide helper di AAV9 e Katja Pekrun e Mark A. Kay per il plasmide helper di AAV-KP3.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 0,45 μm PVDF syringe filter | MilliporeSigma | SLHVR33RS | |
| 1,5 mL microcentrifuge tube | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| 15 mL polypropylene tube | Corning | 352097 | |
| 16% paraformaldeide (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| 250 mL centrifuge bottle | Fisher Scientific | 055641S24 | |
| 2F Silicone tubing | Sai Infusion Technologies | SIL-2-50 | |
| 25G butterfly needle | Medex Supply | 26708 | |
| 2-metilbutane | MilliporeSigma | MX0760 | |
| 2x qPCR reaction buffer | Fisher Scientific | 43-676-59 | Power SYBR Green PCR Master Mix |
| 30G needle | Becton-Dickinson & Co | 305106 | |
| 50 mL polypropylene tube | Corning | 430291 | |
| 5-0 monofilament suture | Ethicon | Y463G | |
| 5 M NaCl | Lonza | 51202 | |
| 6-0 absorbable suture | Ethicon | J489G | |
| 7,5% Mini-PROTEAN TGX Precast Protein Gels, 10-well, 30 μL | Bio-Rad | 4561023 | |
| Amersham ImageQuant 800 Western Blot Imaging System (Cytiva) | Cytiva | 29459405 | |
| Amicon 100 kDa MWCO, 15 mL tube | Millipore Sigma | UFC910024 | |
| Anti-aquaporin 2 (AQP2) antibody | Abcam | ab199975 | A marker for collecting duct cells |
| Anti-Na-K-2Cl cotransporter 2 (NKCC2) antibody | StressMarq Biosciences | SPC-401 | A marker for thick ascending limb cells |
| Anti-rabbit IgG Alexa Fluor 647 antibody | Jackson ImmunoResearch | 111-605-144 | |
| Anti-Wilms Tumor 1 (WT1) antibody | Abcam | ab89901 | A marker for podocytes |
| Beckman Coulter OptiSeal Tube, Polypropylene, 29,9 mL | Fisher Scientific | NC9691210 | |
| Beckman Coulter OPTISEAL TUBES | Fisher Scientific | NC9611575 | |
| Benzonase | Sigma-Aldrich | 1016970001 | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | 5470 | |
| Centrifugal ultrafiltration tube | MilliporeSigma | UFC9100 | Amicon 100 kDa MWCO, 15 mL |
| Ceramic bead tube | Fisher Scientific | 15-340-154 | |
| Cesium chloride | Sigma-Aldrich | C3032-1KG | |
| Clamp applying forceps | Fine Science Tools | 00071-14 | |
| Closed-loop heat pad | Stryker Medical | 8002-062-012 | |
| Cotton-tipped applicator | Puritan | 806-WC | |
| Cover glass | Fisher Scientific | 12-541B | |
| Cryostat microtome | Tanner Scientific | TN50 | |
| Curved forceps | Fine Science Tools | 11052-10 | |
| Curved-type micro vessel clip | Kleinert-Kutz | 65145 | Clamp for the renal artery and renal vein |
| Dialysis cassette | Fisher Scientific | PIA52976 | |
| DNA extraction kit | Qiagen | 57704 | QIAamp MinElute Virus Spin Kit |
| D-Sorbitol | Sigma-Aldrich | S6021-1KG | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium- high glucose | Corning | 15-013-CV | DMEM-high glucose (4,5 g/L) |
| EDTA | Fisher Scientific | 15-575-020 | |
| Ethanol | Decon Laboratories | 2716GEA | |
| Fetal bovine serum (FBS) | VWR | 89510-186 | |
| Gas-tight glass syringe | Hamilton | 1710 TLL | |
| Glutaraldehyde solution | Sigma-Aldrich | G6257 | |
| Heat therapy pump | Kent Scientific | HTP-1500 | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H4034-100G | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | |
| Homogenizer | Fisher Scientific | 15-340-163 | |
| Human embryonic kidney (HEK) 293 cells | Agilent | 240073 | |
| Ice bucket | Fisher Scientific | 07-210-104 | |
| Infusion syringe pump | Harvard Apparatus | 70-4507 | |
| Isoflurane | Piramal Critical Care | NDC 66794-017-10 | |
| L-glutamine | Fisher Scientific | 25030-081 | |
| Liquid blocker pen | Ted Pella | 22309 | |
| Lotus tetragonolobus lectin (LTL)- Fluorescein | Vector Laboratories | FL-1321-2 | A marker for proximal tubules |
| Magnesium chloride (MgCl2) | MilliporeSigma | M1028 | |
| Meloxicam | VetOne | NDC 86136-012-10 | Analgesic |
| Microscope glass slide | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Mounting medium | SouthernBiotech | 0100-01 | |
| Needle holder | Fine Science Tools | 12501-13 | |
| OCT compound | Sakura Finetek | 4583 | |
| Ophthalmic ointment | Bausch & Lomb | NDC 24208-313-34 | |
| PE-10 polyethylene tube | BD | 427401 | Inner diameter: 0,28 mm |
| Penicillin & Streptomycin Mix | Fisher Scientific | 15140-122 | |
| Phosphate-buffered saline (PBS) | Fisher Scientific | 10010-049 | |
| Plastic cryomold | Sakura Finetek | 4566 | |
| Poloxamer 188 Non-ionic Surfactant (10%) | Fisher Scientific | 24-040-032 | |
| Polyethylene Glycol 8000 | Fisher Scientific | BP233-1 | |
| Polyethylenimine (PEI) | Polysciences | 23966 | |
| Povidone iodine | Ricca |
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