全膝関節形成術後の患者から得られた原発組織は、変形性関節症研究の実験モデルを提供し、最大の臨床翻訳性を有する。このプロトコルは、ヒト変形性関節症における機械治療研究を支援するために、7つのユニークな膝組織からRNAを同定、処理、分離する方法を説明しています。
全膝関節形成術後の患者から得られた原発組織は、変形性関節症研究の実験モデルを提供し、最大の臨床翻訳性を有する。このプロトコルは、ヒト変形性関節症における機械治療研究を支援するために、7つのユニークな膝組織からRNAを同定、処理、分離する方法を説明しています。
変形性関節症(OA)は、最も頻繁に膝に影響を与える慢性および変性関節疾患である。現在のところ治療法がないため、全膝関節形成術(TKA)は一般的な外科的介入である。TKAから得られたヒトの初原OA組織を用いた実験は、疾患メカニズム ex vivoを調査する能力を提供する。OAは以前は主に軟骨に影響を与えると考えられていたが、現在では関節内の複数の組織に影響を与えたことが知られている。このプロトコルは、患者の選択、サンプル処理、組織均質化、RNA抽出、および(RNAの純度、完全性、収率に基づく)品質管理(RNAの純度、完全性、収率に基づく)を、膝関節における疾患メカニズムの調査をサポートする方法を説明します。インフォームド・コンセントを得て、OAのTKAを受けている患者からサンプルを入手した。組織は解剖、洗浄、およびRNAのためのフラッシュ凍結または組織学のためのホルマリン固定によって手術の4時間以内に保存された。収集された組織には、関節軟骨、軟骨下骨、半月板、眼房蓋脂肪パッド、前十字靭帯、滑膜、および斜筋の中科が含まれていた。RNA抽出プロトコルは、各組織タイプについて試験した。最も重要な改変は、比較的高細胞、低マトリックス、低マトリックス、軟部組織(脂肪パッド、靭帯、滑膜、および筋肉と考えられる)に対して、低細胞、高マトリックス、硬組織(軟骨、骨、半月板と考えられる)に使用される崩壊の方法を含んでいた。粉砕は硬質組織に適しており、軟組織には均質化が適していることが分かった。複数の組織にわたって一貫して他の被験者よりも高いRNA完全性数(RIN)値を得るためのプロクチティティが観察され、疾患重症度などの根本的な要因がRNAの質に影響を与える可能性が示唆された。ヒトの原発組織から高品質のRNAを単離する能力は、シーケンシングを含む洗練された遺伝子発現実験に生理学的に関連するモデルを提供し、患者に翻訳されやすい臨床的洞察につながる可能性があります。
膝は人体で最大の滑液関節であり、脛骨と大腿骨と膝蓋骨と大腿骨1の間の膝蓋骨関節との間の脛骨の関節を含む。膝の骨は関節軟骨で覆われ、半月、脂肪、靭帯、筋肉を含む様々な結合組織によって支えられ、滑膜膜は関節全体を封入して滑液充填空洞1、2、3を作り出す(図1)。健康な膝は前部平面1、3の摩擦のない動きを可能にする移動式ヒンジの接合箇所として機能する。病理学的状態下では、動きは制限され、痛みを伴うことがあります。最も一般的な変性膝関節疾患は変形性関節症(OA)4である。OAの発症に大きな影響を与えるさまざまな危険因子が知られています, 高齢者を含みます, 肥満, 女性のセックス, 関節外傷, 遺伝学, とりわけ5,6.現在、米国には症候性膝OAを持つ推定1,400万人が存在し、人口年齢の上昇と肥満率7,8による罹患率が増加しています。当初は軟骨の疾患であると考えられていたが、OAは現在、関節全体9の疾患として理解されている。OAで一般的に観察される病理学的変化は、関節軟骨浸食、骨棘形成、軟骨下骨肥厚、および滑膜9、10の炎症を含む。OAに対する既知の治療法がないため、治療は主に症状(例えば、疼痛)管理11、12に焦点を当て、そしてOAが末期に進行すると、関節置換手術は13を示すことが多い。
関節置換手術は、脛骨性関節関節全体と膝蓋骨関節関節の交換を含む全膝関節形成術(TKA)を伴う部分的または完全な膝置換のいずれかであり得る。2020年現在、米国では毎年約100万件のTKUが実施されています。TKAの間、整形外科医は脛骨台の上部と下腿骨顆(図2A、2B)を補間インプラントで装着するように分け替える。時には患者によって誤解され、TKAでは、各骨の端から8〜10mmしか切除され、その後キャップまたは再浮上し、金属で覆われる。介在ポリエチレンライナーは、2つの金属インプラント間の軸受面(すなわち、パディング)を形成する。さらに、関節のいくつかの軟部組織成分は、適切な関節バランスを達成するために完全または部分的に切除される。これらの組織の中には、内側および外側の月経(図2C)、歯膜脂肪パッド(図2D)、前十字靭帯(ACL;図2E、滑膜(図2F)、及び斜筋(VMO;図2G)TKAは一般的にOA治療に成功しているが、患者の約20%が手術後の痛みの再発を報告する16。高いコストと手順の相対的な侵襲性に加えて、これらの制限は、OAの進行を軽減するための代替治療を特定するためのさらなる研究の必要性を指摘する。
治療介入のための新たな道を提示し得るOAの疾患メカニズムを探求するために、細胞、組織外植物、および動物モデルを含む実験システムを使用することができる。細胞は、典型的には、単層で培養され、原発性ヒトまたは動物組織(例えば、軟骨から単離された軟骨細胞)または不死化細胞(例えば、ATDC517 およびCHON-00118)に由来する。細胞は制御された培養環境で実験変数を操作するのに有用であるが、細胞のフェノタイプ19に影響を与えると知られている自然な関節の条件を捕捉しない。OAの基になる化学的、機械的、および細胞間通信の複雑なカスケードをより良く再現するために、代わりの代替は、一次ヒトまたは動物組織サンプルに見られ、新鮮なまたは培養された ex vivo を外植として使用するかにかかわらず、組織構造および細胞微小環境20を保存する。 生体内で関節を研究するためには、小(例えばマウス21)および大きい(例えば、馬22)OAの動物モデル(例えば、外科的誘導、遺伝的変化、または老化を通じて)も有用である。しかし、これらのモデルからヒト疾患への翻訳は、解剖学的、生理学的、および代謝の違いによって制限され得る。実験システムの長所と短所を考えると、種特異的であることと、一次ヒトOA組織が提供する細胞外ニッチを維持することの主な強みは、研究結果の翻訳可能性を最大化する。
ヒトの初発組織は、TKAに続いて容易に得られ、TKAの高頻度を研究に役立つ貴重な資源とすることができる。潜在的な実験的応用の中には、遺伝子発現および組織学的分析がある。これらの研究アプローチ等に対するヒトの主要OA組織の可能性を実現するために、以下の重要な検討事項を概説する。まず、患者検体の使用は倫理的規制の対象となり、プロトコルは機関審査委員会(IRB)の承認を満たす必要があります。第二に、ヒト原発性疾患組織の固有の異質性と、年齢や性別などの変数の影響は、とりわけ、慎重な患者の選択(すなわち、適格性基準の適用)およびデータ解釈の必要性を生み出す。第三に、関節中の異なる組織の独特な生物学的特性(例えば、軟骨および半月板25の低い細胞性)は、実験中に課題を提示することができる(例えば、RNAの質および量を高く分化する)。このレポートでは、これらの考慮事項に対応し、患者の選択、サンプル処理、組織の均質化、RNA抽出、および品質管理(RNAの純度と完全性の評価)のためのプロトコルを提示します。 図3)研究コミュニティにおける主要ヒトOA組織の使用を奨励する。
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この研究議定書は承認され、ヘンリーフォード健康システム制度審査委員会(IRB #13995)によって設定された制度ガイドラインに従った。
1. 患者の選択
2. サンプル処理(RNA用)
注:クラスIIバイオセーフティキャビネットですべての組織処理を行い、滅菌技術に従ってください。人間のサンプルを処理する際には、適切なPPE(ニトリル手袋、ラボコート、安全ゴーグル)を着用してください。TKA中に複数の骨片が生成され、大量の骨/軟骨が解剖に利用できる可能性がある。疾患の進行により、関節軟骨の変性は、実験的な設計に因数を考慮することができるいくつかの骨部分でより重篤である可能性があります。切除のために電気コーテリを義務付ける組織だけが熱エッジ損傷を有し、損傷を最小限に抑えるためにメスでほとんどの組織を調達するために協調的な外科的努力がなされる。切除された組織は、滅菌PBSで常に水分補給を維持する必要があります。
3. サンプル処理(ヒストロジー用)
注意:ホルマリンは有害な化学物質であり、化学発煙フードでのみ使用されます。
4. 組織均質化
注意:プロトコルは、有害な化学フェノールを使用しています。フェノールの作業は、化学発煙フードで行う必要があります。
注:70%エタノール(最低10分間浸漬)で使用するすべての機器と表面を徹底的に洗浄し、RNaseデコンタミナント(最低10分間浸す)、DEPC処理水で洗い流し、清潔で糸くずのないペーパータオルで拭き取り、70%エタノールで再スプレーまたは浸漬します。
5. 組織からのRNA抽出
注意: このプロトコルは、フェノール、クロロホルム、イソプロパノールなどの有害な化学物質を使用します。化学発煙フードですべての作業を実行します。
注:装置および試薬は、RNAの作業のために予約されており、分子用途(滅菌、ヌクレアーゼフリー)に適した化学的グレードでなければなりません。このプロトコルは 、パーツ 4.1 と 4.2 の両方の組織均質化プロトコルに成功します。70%エタノール(最低10分間浸漬)で使用するすべての機器と表面を徹底的に洗浄し、RNaseデコンタミナント(最低10分間浸漬)を行います。DEPC処理水で洗い流し、清潔で糸くずのないペーパータオルで残りの液体を拭き、70%エタノールで再スプレーまたは浸します。
6. 品質管理
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OAのTKAを受けている患者から収集するために7つのユニークなヒト膝関節組織が利用可能である(図1)。このプロトコルでは、これらの組織のそれぞれを特定し、外科的除去の4時間以内に処理した(図2)。図3に概説するステップに従って、各組織の部分は組織学的評価のためにホルマリン固定(図4)、他の部分はRNA単離のためにフラッシュ凍結した。崩壊の方法(それぞれ粉砕対均質化)によって軟組織から硬組織を分離し、高い完全性および純度のRNAを各組織タイプから抽出し、表1(高品質カラム)に示す代表的な結果を得た。特に、一部の被験者は、複数の組織にわたって低品質のRNAを生み出し(表1、低品質カラム)、最適化された方法にもかかわらず、外的要因(例えば、疾患重症度)が組織タイプ間のRNA品質に影響を与える可能性があることを示唆している。
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提示されたプロトコルは、RNA抽出のための7つの主要なヒトOA組織を収集することに成功したことを証明しました(表1)および組織学的処理(図4)。患者のサンプルを収集する前に、理想的には外科医または外科チームと協力して、IRB承認プロトコルを確立する必要があります。試験片の収集に標準化されたプロトコル(例えば、その場での一貫した切除)を適用することは、実験再現性を最大化するために不可欠です。組織サンプルは、滅菌容器内の実験室に輸送し、分解を避けるために手術の4時間以内に処理する必要があります。組織解剖および処理中、すべての組織は無菌PBSで水分補給され、新鮮な滅菌PBSですすがって、RNA抽出のためにフラッシュ凍結されるか、組織学のためにホルマリン固定される前に、生体液やその他の不要な破片などの潜在的な表面汚染物質を除去します。組織学的分析の有用な応用は、組織の種類および疾患重症度の確認であり、これらは細胞数、分布、および形態によって区別され得るので、ヘマトキシリンおよびエオジンなどの標準的な染色によって観察可能な他の要因の中で...
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著者らは利益相反を宣言しない。
著者らは、この研究を可能にした研究参加者に感謝し、この報告書を変形性関節症分野の新しい科学者に捧げる。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL微量遠心チューブ | Eppendorf | 05 402 | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。RNA研究専用です。 |
| 10%ホルマリン | Cardinal Health | C4320-101 | 使用しないときは化学キャビネットに保管してください。 |
| 100%クロロホルム(分子生物学グレード) | フィッシャーサイエンティフィック | ICN19400290 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。RNA作業専用で、使用しないときは化学キャビネットに保管してください。 |
| 100%エタノール(分子生物学グレード) | フィッシャーサイエンティフィ | BP2818500 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。RNA作業専用で、希釈時にはDEPC/ヌクレアーゼフリーの水を使用してください。 |
| 100%イソプロパノール(分子生物学グレード) | フィッシャーサイエンティフィック | AC327272500 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。RNA作業専用で、使用しないときは化学キャビネットに保管してください。 |
| 100% 試薬アルコール | カーディナルヘルス | C4305 | dH2O で70%に希釈し、洗浄目的に充てます。 |
| 15 cm 滅菌培養皿 | Thermo Scientific | 12-556-003 | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 |
| 15 mLポリプロピレン(ファルコン)チューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 14 959 53A | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 |
| 2 mLクライオバイアル(外ネジ式) | Fisher Scientific | 10 500 26 | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 |
| 5mL丸底チューブ | コーニング | 352052 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。RNA研究専用です。 |
| 50 mLポリプロピレン(ファルコン)チューブ | フィッシャーサイエンティフィック | 12 565 271 | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 |
| バイオアナライザー | アジレント | G2939BA | RNAインテグリティ測定用。 |
| バイオセーフティキャビネット | 一般的な実験機器 | ||
| ボーンカッター | フィッシャーサイエンティフィック | 08 990 | 70% EtOHで滅菌済み。 |
| ケミカルヒュームフード | 一般ラボ機器 | ||
| 使い捨てメス(No.10) | Thermo Scientific | 3120032 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。 |
| EDTA | Life Technologies | 15-576-028 | dH2Oの10%溶液。 |
| 鉗子 | 任意のベンダー | 70% EtOHで滅菌済み。 | |
| Glycoblue Coprecipitant | Fisher Scientific | AM9516 | RNA研究専用に予約済み、-20°Cで保存してください。 |
| Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
| 液体窒素 | 任意のベンダー | ||
| 液体窒素デュワー | 一般的なラボ機器 | ||
| モルタルと乳棒 | 任意のベンダー | RNA作業のみのために予約され、プロトコルごとに滅菌されています。 | |
| ナノドロップ分光光度計 | Thermo Scientific | ND-2000 | RNAの純度と収量の測定に。 |
| ヌクレアーゼフリー/DEPC処理水 | フィッシャーサイエンティフィ | ック 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。RNA研究専用です。 | |
| PBS (滅菌済み) | Gibco | 20 012 050 | 滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 |
| ピペット(2 & マイクロ;L、20 µL、200 µL、1000 µL) &ヒント | どのベンダー | でも滅菌済み、ヌクレアーゼフリー。 | |
| 血漿/血清 高度なmiRNAキット | Qiagen | 217204 | |
| 冷蔵遠心分離機 5810R | Eppendorf | 22625101 | |
| RNAlater | Thermo Scientific | 50 197 8158 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。 |
| RNAse Away/RNAseZap | Fisher Scientific | 7002 | |
| Spatula (semimicro size) | 任意のベンダー | RNA作業専用です。 | |
| 組織ホモジナイザー | Pro Scientific | 01-01200 | RNA作業専用で、プロトコルに従って滅菌されています。 |
| TRIzol Reagent | Fisher Scientific | 15 596 026 | 無菌、ヌクレアーゼフリー。RNA研究専用です。 |
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