3次元スフェロイド培養システムは、AAV遺伝子治療の開発において従来の2Dモデルよりも優れた特性を有しています。本手法により、低用量でのAAV導入の高感度な検出、生理学的妥当性の向上、および堅牢な長期モニタリングが可能になります。このプラットフォームは、多様な細胞株やAAVセロタイプにおける力価評価、ハイスループットスクリーニング、およびベクターの最適化を支援します。
3次元スフェロイド培養システムは、AAV遺伝子治療の開発において従来の2Dモデルよりも優れた特性を有しています。本手法により、低用量でのAAV導入の高感度な検出、生理学的妥当性の向上、および堅牢な長期モニタリングが可能になります。このプラットフォームは、多様な細胞株やAAVセロタイプにおける力価評価、ハイスループットスクリーニング、およびベクターの最適化を支援します。
アデノ随伴ウイルス(AAV)は、遺伝子治療製品における遺伝子導入に使用される強力なベクターです。その開発には、ベクター設計、セロタイプによる性能、調節エレメントの強度、および発現キネティクスの違いを確実に検出できるin vitro システムが必要です。また、これらのシステムは、力価評価やベクター最適化などのアプリケーションをサポートしなければなりません。本稿では、多様な細胞株においてAAVの力価、導入遺伝子の発現キネティクス、およびセロタイプ特異的な導入効率を評価するために最適化された、効率的な三次元スフェロイドプラットフォームについて説明します。超低接着プレートを用いて均一なスフェロイドを形成し、安定した構造と長期イメージングを維持できる条件下で培養します。AAV導入後、ライブセルイメージングシステムを用いて、蛍光または発光のリードアウトをリアルタイムでモニタリングします。これにより、連続的なキネティックイメージングを通じて、リポーターシグナル、用量反応性、調節エレメントの活性、および発現開始時間の定量的な評価が可能になります。本プラットフォームは、強力なベクターゲノム設計と弱い設計、および複数のAAVセロタイプを効果的に区別します。この手法は、緩徐に分裂する細胞株と急速に分裂する細胞株の両方において堅牢な性能を示します。これらの結果は、本システムが前臨床段階の遺伝子治療の評価および開発において、スケーラブルで生理学的に妥当なシステムとして有用であることを立証しています。
AAVベクターは、その安全性と持続的な遺伝子発現を達成できる能力から、in vivo応用のための好ましい遺伝子導入システムの一つとなっています1。AAV遺伝子治療は、数百もの製品が開発パイプラインにあり、複数の希少疾患の治療において成果を上げています2。さらに、Cas9などのゲノム編集コンポーネントのin vivo導入といった新たな応用が進んでおり、治療が困難な適応症の治療を支援する大きな可能性を秘めています3。開発における主な課題には、高い製造コストや、製品の品質および臨床的有効性を判断するための現在のin vitroアッセイの予測能が限定的であることなどが挙げられます4。
AAV治療薬の進展は、臨床的なパフォーマンスを正確に予測できる、標準化された予測能の高い活性アッセイの欠如によって根本的に制限されています4,5。これらのアッセイは、設計されたベクターライブラリのスクリーニング、標的能を向上させるためのカプシド修飾の最適化、および組織特異的な親和性の評価など、多目的に利用されるため、開発パイプラインにおいて極めて重要な構成要素となります。また、調節配列が導入遺伝子の発現に及ぼす影響を特性評価する役割も担っています6。候補の選定に留まらず、AAV形質導入アッセイは、ロットリリース、ロット間比較試験、および安定性評価に用いられる力価試験を通じて、製造上の重要な品質管理をサポートしています6,7。
科学的な課題は、日常的な使用における実用的な実現可能性を維持しつつ、ベクターと宿主の相互作用の複雑さを捉えるアッセイを開発することにある7,8。現在のアプローチには、従来の2D単層培養において標的臓器を代表する不死化細胞株を利用することが含まれる。これらの培養条件は生理学的な妥当性に欠け、高用量の薬剤を必要とする。これにより、研究室での予測と臨床への転用可能性との間に大きな乖離が生じている。AAVR過剰発現系やCRISPR活性化システムなどの新規エンジニアリング細胞株は重要な進歩を示しているが、天然組織に特徴的な三次元構造や細胞外マトリックスの相互作用を再現することはできていない9,10,11。in vivoの微小環境をより適切にシミュレートできる次世代モデルは、この転用上の隔たりを埋める可能性がある12,13,14。
我々は最近、AAV導入アッセイのトランスレータビリティを向上させるため、AAV導入に最適化した3Dスフェロイドシステムを開発しました。このシステムは、ゴールドスタンダードである2Dアッセイと比較して、複数の細胞株およびAAVセロタイプにおいてAAV導入効率を大幅に向上させます。感度の向上とアッセイに使用する産物の節約に加え、これらのモデルは、スフェロイド内の細胞の位置に応じて変化する現実的な細胞間相互作用を提供することで、2D単層培養を改善しています。また、実際の臓器の状態を模倣した薬剤浸透の有意義な調査も可能です11,15,16。さらに、このスフェロイドアプローチは、標準的な研究室設備を使用し、特殊な培地やスキャフォールドの要件を回避できるため、より複雑なオルガノイドや共培養システムよりも実用的な利点があります。この簡便さにより再現性とスケーラビリティが確保され、ルーチンの遺伝子治療試験やベクター開発のワークフローに適しています17。
この3Dスフェロイドプラットフォームは、低用量でのAAV導入の高感度な検出や、ベクターゲノム設計の比較評価を必要とするアプリケーションに特に適しています。また、セロタイプ依存的な向性の評価も可能です。従来の2D培養において高用量のAAVを必要とする、導入効率が比較的低い細胞株に特に有用です。このような状況では、3Dプラットフォームによる感度の向上と生理的妥当性の改善が極めて重要となります。ただし、免疫成分、血管輸送、または完全な組織の複雑性を必要とする研究には、このシステムは適さない場合があります。これは、スフェロイドではin vivo 環境を完全には再現できないためです。
したがって、本稿では、AAV導入アッセイに最適化された簡便な3Dスフェロイドプロトコルを提示します。本プロトコルでは、導入効率(ここではスフェロイドあたりの総レポーター信号として定義)と導入キネティクスという、重要かつ相補的な2つの読み取り値を用います。この手法は、AAVの力価評価、ベクター設計、および中和アッセイのための、費用対効果が高く、生理学的に適切で、有益なプラットフォームを提供します。
本研究では、商業的または既報のソースから入手した確立済みのヒト細胞株(HEK293T、HeLa、Huh7、HEP3B、HEPG2、およびA375)を使用した。ヒトまたは動物の一次サンプルは使用していないため、倫理的な承認は不要であった。
1. 無菌的な実験セットアップおよびクリーンベンチの初期準備
2. 細胞培養培地の調製
3. スフェロイドの調製
4. 細胞増殖のモニタリング
5. 細胞の回収および初期調製
6. 自動細胞カウンターを用いた細胞数計測および生存率評価
7. スフェロイドの播種とサイズの最適化
8. 生細胞リアルタイムスフェロイドモニタリング
9. AAV導入
10. AAVの投与量
11. 生細胞イメージング、導入モニタリングおよびデータ解析
12. データ解析
13. 発症時間の算出
14. 蛍光測定機能付きプレートリーダーを用いて蛍光を測定します。
15. 発光トランスジェンの導入
16. 生細胞アッセイ検出用の細胞外発光抑制剤および発光基質の調製
17. 生物発光イメージング
18. 生物発光イメージングデータの解析
本研究では、3DスフェロイドがAAV導入効率の評価、セルフコンプリメンタリー(sc)型およびシングルストランド(ss)型などのベクターゲノム設計の区別、ならびに導入キネティクスの評価のためのツールとして利用可能であることを示します。プロセスの概要をFigure 1. に示します。簡潔に述べると、まず細胞を2D培養で拡大し、超低接着(ULA)プレートに播種してコンパクトなスフェロイドを形成させます(Figure 1A)。次に、プレートを遠心分離して凝集を促進し(Figure 1B)、ライブセルイメージングシステムに移してスフェロイド形成をリアルタイムでモニタリングします(Figure 1C)。3日目に、さまざまなMOIでAAVをスフェロイドに導入します(Figure 1D)。導入キネティクスはライブセルイメージングを用いて経時的に追跡し(Figure 1E)、エンドポイント解析はプレートベースの蛍光または発光読み取りを用いて行います(Figure 1F)。
図2に、6種類の異なる細胞株から作製したスフェロイドの形態を示しており、密度、円形度、形状に幅があることがわかります。すべての細胞株は、実験に使用する前に完全DMEM培地で数代継代して培養しました。細胞が対数増殖期に達した後、HEP3B、HEK293T、A375、HeLa、HEPG2、およびHuh7細胞を回収し、ULAラウンドボトムプレートを用いて、1ウェルあたり10,000 cellsの細胞密度から開始して2倍段階希釈を行いました(プレートレイアウトは付随 図1に、代表的な結果は付随図2に示しています)。スフェロイドのサイズは、スフェロイド構造と優れた導入効率を維持したまま、50 µmまで小さくなる可能性があります。細胞播種後、ULAラウンドボトムプレートを350 × gで5分間遠心分離し、細胞をウェル中央に集積させてスフェロイドへと自己組織化させました。この工程は、自然に凝集しない細胞にとって特に有用です。リンパ球などの凝集耐性が高い細胞の場合、遠心時間を5分から15分に延長することが可能です。良好に形成されたスフェロイドは、HEK293TやHuh7細胞で見られるように、円形でコンパクトな表現型を示しますが、形成不十分なスフェロイドは緩やかに凝集しており、培地交換時に崩壊しやすい傾向があります。
次に、プレートをライブセルモニタリング装置を備えた37 °Cのインキュベーターに移します。本研究で報告した各細胞株におけるスフェロイド形成を評価するため、プレートを6時間間隔で毎日モニタリングします。ほとんどの細胞株では、スフェロイドとして自己組織化するまでに3日間を要します。図2に示すように、播種から3日後、各細胞株は異なる形態学的特徴とさまざまな凝集レベルを示しました。肝細胞株(Huh7、HEPG2、およびHEP3B)は、他の細胞株よりも緻密で密度の高いスフェロイドを形成しました。HEK293Tは、明らかな壊死コアを持つ非常に円形に近い球状の外観を形成した一方で、A375は不規則な形状の細胞凝集体(以前に変形スフェロイドと記載されたもの)を形成しました18,19。これらの形態的な違いは、疾患の病態生理学的状態の指標であると考えられており、2D培養システムと比較した3Dモデルの有用性をさらに支持するものです18,19。このスフェロイド構築プロトコルは、テストした6つの細胞株において高い再現性があり、ここに示すすべての形質導入に適用されました。
細胞濃度、スフェロイド形成時間、および緑色/赤色自家蛍光の状態を最適化した後(以下に記載) 付随図3)、ライブセルイメージングシステムおよびプレートリーダーを用いて、スフェロイドにおけるAAV導入効率の検討を行った(AAVタイトレーションのプレートレイアウト例を~に示す)。 付随図 4). 図3 4種類の異なる細胞株(HEK293T、Huh7、HEP3B、およびHEPG2)に適用した、最適化済みスフェロイドプロトコルを示しています。スフェロイド形成の3日目に、異なるベクターゲノム設計を持ち、GFPでタグ付けされた2種類のAAV2ベクターを、さまざまな感染多重度(MOI)でスフェロイドに導入しました。これら2つのAAV導入遺伝子設計は、高活性(scGFP)および低活性(ssGFP)のGFPバリアントを表しています。細胞への導入後、プレートをライブセルイメージングシステムに設置し、AAV導入をリアルタイムでモニタリングしました。72時間後の時点で、ライブセルイメージングソフトウェアを用いて緑色蛍光強度を検出しました。 図3, 青線はsc-GFPゲノムを、赤線はss-GFPゲノムを表している。スフェロイドはAAV導入に対して高い感受性を示し、sc-GFPでは非常に低いAAVタイターにおいても、また異なる細胞株間においても強い導入が検出された。さまざまな細胞株およびMOIにおけるAAV導入をリアルタイムで撮影した代表的なビデオを以下に示す。 補足動画1, 補足動画2, 補足動画3, 補足動画4, 補足動画5, および 補足動画 6一方で、ssGFP AAVのスフェロイドへの導入はより低いレベルで観察されたが、これはこの種の制御エレメントに予想される、より弱く緩やかな導入を再現している。20,21これは、強力および微弱なAAV導入の両方に対する3Dスフェロイドの有用性に加え、sc-GFPのような強力な導入遺伝子と、ss-GFPのような活性の低い遺伝子との識別における有用性を示すものである。MOI 10において、scおよびssの導入遺伝子間で相対蛍光強度に100倍の差が観察された。6 HEK293T細胞において、およびHEP3Bなどの導入効率の低い細胞株において3倍の差が認められた。
次に、HEK293TスフェロイドおよびHuh7スフェロイドの両方において、さまざまなセロタイプのAAV導入効率を用量依存的に検討しました。図4に示すように、3Dスフェロイドは4種類の異なるセロタイプのAAV-scGFP導入が可能でした。導入から72時間後、蛍光プレートリーダー(図4A,B)およびライブセルイメージングソフトウェア(図4C,D))を用いてscGFPを測定しました。これら2つの装置を用いて、4種類すべてのセロタイプを検出することに成功しました。正規化後のシグナルに有意な差は見られませんでしたが、ライブセルイメージングシステムは蛍光プレートリーダーよりもS/N比の範囲が広いことが示されました。その結果、両方の細胞株においてAAV2が最も高い導入効率を示し、次いでAAV1であり、一方でAAV5およびAAV9は有意に低い導入効率を示しました。
次に、スフェロイドプロトコルを用いてルミネッセンス導入効率を評価しました。これを検証するため、ここで説明した最適化プロトコルに従ってHeLa細胞を3Dスフェロイドとして培養しました。3日目に、ナノルシフェラーゼレポーター遺伝子をコードする5種類の異なるAAVセロタイプをHeLaスフェロイドに導入しました。AAV導入から72時間後、細胞にLive Cell基質を添加し、室温で5分間インキュベートしました。次に、生物発光イメージングシステムを用いてルミネッセンスの測定およびイメージングを行いました(図 5A)。このシステムを用いることで、すべてのAAVセロタイプで効率的な導入が観察されました。異なるAAVセロタイプ間の導入効率の鋭敏な識別が認められ、本プロトコルが蛍光読み取りのみに限定されないことが示されました。図 5で観察された傾向と一致して、HeLa細胞におけるAAV-ナノルシフェラーゼの導入では、AAV-GFPベクターの結果と同様にAAV2が最も強力なセロタイプであることが示されました。同様に、蛍光およびルミネッセンスベクターの両方において、AAV9セロタイプで最も低い導入効率が観察されました(図 4 および 5)。AAV-ナノルシフェラーゼ導入の代表的な画像を図 5Bに示します。
3Dスフェロイドプロトコルでは、導入効率だけでなく、導入のキネティクス(速度論)的なモニタリングが可能になります。図6 異なるMOI(0-10)で導入した際の、AAV2-scGFPおよびAAV2-ssGFPによる3D HEK293Tスフェロイドの導入キネティクスの代表的な結果を示す。6) (図6A-G)。AAV2-scGFPの導入は、MOIが10という低濃度においても検出可能であることが分かりました。1ライブセルイメージングシステムを用いた結果、未処理の細胞と比較して、約34時間後にGFP信号の増加が検出された。AAV2-ssGFPの信号は、AAV2-scGFPの信号よりも大幅に弱く、かつ緩やかであった。導入速度をさらに比較するため、GFP信号が検出可能になる開始時間を算出した。その結果、scGFPはssGFPよりも平均して4倍速く細胞に導入されることが観察された。個々の開始時間は、〜に報告されている。 表1これらの速度論的測定は、アッセイの最適化に有用な、導入効率の別の側面を示しています。

図 1: 3D培養を用いたAAV導入の概要。 (A) 細胞を2D培養で増殖させ、超低接着(ULA)プレートに播種してスフェロイドを形成させる。(B) プレートを遠心分離して凝集を促進させ、(C) IncuCyte S3システムに移してスフェロイド形成をリアルタイムでモニタリングする。(D) 3日目に、異なるMOIでAAVをスフェロイドに導入する。(E) 生細胞イメージングを用いて導入キネティクスを経時的に追跡し、(F) プレートベースの蛍光または発光読み取りを用いてエンドポイント解析を行う。 ここをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図 2: 複数細胞株におけるスフェロイドの形態学的特性解析。HEP3B、HEK293T、A375、HeLa、HEPG2、およびHuh7細胞から作製したスフェロイドの代表的な画像は、サイズ、形態、および緻密さに変動があることを示しているが、反復試行間で高い再現性を示している(スケールバー、50 µm)。すべての細胞株は1 x 104 cells/wellで3日間播種された。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図 3: 各種細胞株におけるセルフコンプリメンタリー(scGFP)およびシングルストランド(ssGFP)ベクターのAAV導入効率の比較。(A>) HEK293T、(B>) Huh7、(C>) HEP3B、および(D>) HEPG2の3Dスフェロイドを自己構築し、異なるMOIのAAV2-scGFP(青)およびAAV2-ssGFP(赤)を導入した。導入後72時間で全緑色蛍光強度を定量化した。ライブセルイメージングシステムを用いて、各AAVの最高MOIで処理したスフェロイドの72時間時点における代表的な画像を示している。スケールバーは200 µmを表す。エラーバーはSDを表す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4: 3DスフェロイドにおけるAAV導入により、異なるAAVセロタイプの活性が区別される。(A,C>) HEK293Tおよび(B,D>) Huh7由来の3Dスフェロイドに、さまざまなMOIでAAV1、AAV2、AAV5、AAV9のscGFPトランスジーンを導入した。蛍光強度単位を、蛍光プレートリーダー(A,B>)およびライブセルイメージングシステム(C,D>)を用いて72 hで測定した。エラーバーはSDを示す。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図 5: 発光レポーターを用いた3DスフェロイドにおけるAAV導入。HeLaスフェロイドに、ナノルシフェラーゼレポーター外来遺伝子をコードするAAV1、AAV2、AAV5、AAV8、およびAAV9を、MOIを段階的に上げて導入した。導入後72時間、発光イメージングシステムを用いたエンドポイント読取により、発光を可視化し測定した。(A)総フラックス値。(B)スフェロイドプレートの発光イメージによる代表的なエンドポイント読取の結果は、MOIおよびセロタイプ間での信号分布を示している。各AAVベクターは、水平方向に2つのレプリケートで実施した。エラーバーはSDを表す。こちらのリンクから、この図の拡大版を表示できます。

図 6: 3Dスフェロイドにおける導入キネティクス評価。HEK293Tスフェロイドに、7段階のMOI範囲でAAV2-scGFP(青)およびAAV2-ssGFP(赤)を導入した(A–G)。Monitor spheroid formation/growth systemを用い、72時間の期間にわたって6時間間隔で全緑色強度を測定した。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。
| MOI | scGFP (時間) | ssGFP (時間) |
| 1 | >72hrs | >72 |
| 10 | 34.2 | >72 |
| 100 | 16.5 | 54.2 |
| 1000 | 5.6 | 23.1 |
| 10000 | 3.3 | 13 |
| 100000 | 1.9 | 8 |
表1:GFP検出の開始時間。
補足図 1: スフェロイド滴定用のプレートレイアウト。 (A) 10,000から78 cellsの範囲の初期播種密度から作製された、HEK293T、Huh7、HEP3B、およびHEPG2スフェロイドの希釈スキームを示す代表的なプレートレイアウト。こちらをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
付随図 2: さまざまな播種密度におけるスフェロイド形成。 10,000から78個の範囲の初期播種密度から作製された、3日目のHEK293TおよびHuh7スフェロイドの代表的な顕微鏡画像。スケールバーは50 µmを示す。こちらをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
補足図 3: 3Dスフェロイド形成に使用した細胞株の情報。こちらをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
補足図4:AAV連続希釈のプレートレイアウト。 (A) AAV1、AAV2、AAV5、およびAAV9に使用した、MOI 106から開始するAAV連続希釈スキームを示す代表的なプレートレイアウト。行Hに示されているのは、未処理のスフェロイドである陰性対照である。こちらのリンクからファイルをダウンロードしてください。
補足動画 1: MOI 106におけるHEK293TスフェロイドへのAAV2-scGFP導入のリアルタイムライブセルイメージング。こちらをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
補足動画 2: MOI 106におけるHuh7スフェロイドへのAAV2-scGFP導入のリアルタイム生細胞イメージング。こちらのリンクからファイルをダウンロードしてください。
補足動画 3: MOI 106におけるHEP3BスフェロイドへのAAV2-scGFP導入のリアルタイム生細胞イメージング。こちらのリンクからファイルをダウンロードしてください。
補足動画 4: 用量依存性試験の一環として、MOI 106でHEK293TスフェロイドにおけるAAV2-scGFP導入をリアルタイムライブセルイメージングで観察した様子。こちらのリンクからファイルをダウンロードしてください。
補足動画 5: MOI 104におけるHEK293TスフェロイドへのAAV2-scGFP導入のリアルタイム生細胞イメージング。ここをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
補足動画 6: MOI 101におけるHEK293TスフェロイドへのAAV2-scGFP導入のリアルタイム生細胞イメージング。こちらをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
補足ファイル 1:AAV トランスダクションに必要な MOI の算出。こちらのリンクをクリックしてファイルをダウンロードしてください。
本稿では、AAVの開発および力価試験のための効率化されたin vitro 3Dプラットフォームを提示します。このプラットフォームは、ヒト組織の構造をより密接に模した三次元細胞培養を用いることで、形質導入の強化、高感度化、および翻訳予測性の向上を実現しています。本システムは、複数の細胞株において、シングルストランドおよびセルフコンプリメンタリーベクターを含む、AAVセロタイプや調節エレメント間の形質導入効率の差を正常に識別することに成功しました。なお、形質導入効率を導入遺伝子陽性細胞の割合として定義することが多い従来の2Dアッセイとは異なり、3Dスフェロイドシステムでは単一細胞レベルでの定量が容易ではないことに留意してください。したがって、本研究における形質導入効率は、導入細胞の割合と細胞あたりの導入遺伝子発現レベルの総合的な寄与を反映する、バルクのレポーター信号強度(蛍光または発光)として定義しています。スフェロイドの高い感度により、必要となる産物量を大幅に削減でき、AAVの研究開発においてコスト効率が高く、汎用性があり、生理学的に妥当な手法となります。
このアプローチは、従来の2D細胞培養アッセイにおける主要な課題を解決します。従来の2Dアッセイは人工表面への接着に依存しており、細胞組織化が不十分であるため、臨床現場におけるベクターの性能予測の精度が低くなる可能性があります 。3Dスフェロイドシステムは組織構造や薬物分布パターンをより適切に模倣できるため、実際の生物学的条件により近いベクター挙動のデータを提供します22,23。本プロトコルでは簡便な超低接着プレートを使用するため、標準的な研究室環境で容易に再現可能です。
この適応性の高いシステムは、AAVの中和試験やAAVの浸透研究、さらに異なる細胞環境がAAVの形質導入に及ぼす影響を調べるための、より複雑な共培養実験の開発に利用できる可能性があります。加えて、ハイスループットな薬剤およびベクターのスクリーニングプラットフォームをこのスフェロイドプラットフォームに容易に統合できるため、より標的を絞った製品開発に向けたベクター探索ワークフローの自動化とコスト削減が可能になります。
スフェロイドの大きな実用的利点は、細胞の継代なしに数週間にわたって連続的に成長させることができるため、AAV活性の長期的な研究が可能になることです。この安定した培養システムは、重要な細胞間相互作用とマトリックス成分を維持し、2D培養で必要となる繰り返し細胞回収による中断を回避します24。維持された細胞環境は、AAVの細胞への結合および侵入を評価するために不可欠な、天然のタンパク質組織化と膜構造をサポートします25。
3DスフェロイドはAAV導入効率の評価において大きな可能性を示していますが、天然組織と比較して構造が簡略化されているため、in vivo モデルと比較すると翻訳上の欠点もいくつか存在します。スフェロイドには、ベクター輸送を担う血管系、免疫原性を評価するための免疫細胞、および血液脳関門のような組織特異的なバリアなど、AAVの性能に大きな影響を及ぼし得る重要な生理学的構成要素が欠けています26。これらの制限は、スフェロイドが従来の2D培養とin vivo動物モデルの中間的な複雑さを提供しているものの、包括的なAAV評価に必要な生理学的微小環境を完全に再現するには不十分であることを示しています。
ここで提示するスフェロイドのプロトコールは、一度に1種類の細胞を用いる方法について記述しています。このプロトコールを拡張して、基本的な三次元構造へと凝集する2〜3種類の追加細胞を含めることも可能です。オルガノイドやマイクロ流体デバイスなどのより複雑な3Dモデルは、組織のようなパターンで配置された10種類以上の異なる細胞を含み、特定の臓器の細胞多様性と組織化を再現する多細胞システムです。このような高度な3Dオルガノイドには、多種の細胞27、ハイドロゲル埋蔵培養、吊垂滴法、およびマイクロ流体プラットフォーム11,27,28が含まれます。これらの手法は、AAV生物学の理解をさらに深めるのに役立つより複雑な組織構築を可能にしますが、より専門的な試薬や装置、および相当な技術的専門知識を必要とする傾向があります。一方で、超低接着プレートで形成される3Dスフェロイドは大幅に簡便であり、コスト効率と再現性に優れているため、多くの研究室に適しています。
本プロトコルを適切に実施するための重要なステップには、高い細胞生存率の維持が含まれます。細胞の状態が悪化すると、スフェロイドの形成や導入効率が損なわれる可能性があるためです。また、スフェロイドの凝集性を高めるには、超低接着プレートの使用と遠心分離の最適化も極めて重要です。弱いシグナルや飽和を避けるためには、細胞種およびAAVセロタイプごとにMOIを最適化することが不可欠です。さらに、適切な検出方法の選択も重要であり、特にキネティック解析においては、連続的なライブセルイメージングシステムとの互換性が求められます。3DスフェロイドにおけるAAV導入を正確に解釈するためには、いくつかの技術的な検討事項が重要となります。
導入シグナルが弱い、あるいは認められない場合は、ウイルスタイターの低さ、不適切なMOI、またはインキュベーション時間の不足が原因である可能性があり、これらはウイルスタイターの確認、MOIの最適化、およびインキュベーション時間の延長(通常3~5日間)によって対処できます。蛍光または発光シグナルが弱い場合は、トランスジーンの発現レベルが低いか、3D構造内への試薬の浸透が不十分であることが考えられ、露光設定の最適化や基質の拡散に十分な時間をかけることで改善できます。HeLa細胞などの特定の細胞株における大きな課題は自己蛍光であり、これにより蛍光ベースのアッセイにおいて背景シグナルが高くなり、感度が低下することがあります。この制限に対処するため、我々は発光ベースのnanoluciferaseレポーターシステムを導入しました。これにより、S/N比が向上し、自己蛍光のある背景下でもより正確な導入検出が可能になります。さらに、不適切な閾値設定や培地由来の蛍光によって背景シグナルが生じることがあるため、未処理のウェル(MOI = 0)を用いてベースラインを定義し、制御する必要があります。最後に、高いMOIでは、過剰なウイルス量または検出器の限界によりシグナルの飽和が起こる場合があります。これは、MOIの範囲を狭め、検出器の露光設定を最適化して、測定値を線形ダイナミックレンジ内に維持することで軽減できます。
全体として、この3Dスフェロイド手法は、AAVの形質導入、効力、およびキネティクスを評価するための効率的で再現性のあるシステムを提供します。従来の2Dアッセイとin vivo研究のギャップを埋めることで、より的確なベクター開発を可能にし、臨床的に意義のある遺伝子治療戦略の進展を支援します。
著者に開示すべき事項はありません。
著者らは、AAV nanoluciferase製造用プラスミドおよび生細胞用基質試薬を提供してくださったMorten Seirup氏とTrish Hoang氏に感謝いたします。本プロジェクトは、米国エネルギー省とFDAの間の機関間協定に基づき、Oak Ridge Institute for Science and Educationが運営する、米国食品医薬品局(FDA)CBERでのORISE Research Participation Programへの任命により支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 37℃インキュベーター | ThermoFisher Scientific | #51025983 | 標準的な培養条件 |
| A375細胞 | ATCC | CRL-1619 | 細胞株 |
| AAV1プラスミド | Addgene | 112862 | AAVプラスミド |
| AAV2プラスミド | Addgene | 104963 | AAVプラスミド |
| AAV5プラスミド | Addgene | 104964 | AAVプラスミド |
| AAV8プラスミド | Addgene | 112864 | AAVプラスミド |
| AAV9プラスミド | Addgene | 112865 | AAVプラスミド |
| BioTek GEN5 プレートリーダー | Agilent Technologies | 該当なし | 蛍光または発光のエンドポイント読み取り |
| 遠心分離機 | ThermoFisher Scientific | #TSO-MX1R | スフェロイド懸濁液の維持 |
| Corning™ 細胞培養用リン酸緩衝生理食塩水 (1X) | Fisher Scientific | #MT21040CMX | 細胞洗浄用PBS |
| 高グルコースDMEM、GlutaMAXサプリメント、ピルビン酸 | ThermoFisher Scientific | #10569010 | 完全増殖培地 |
| 細胞外NanoLuc阻害剤 | Promega | N235B | あらゆるNanolucを消光する® 細胞外環境から届くシグナル |
| ウシ胎児血清 (FBS) | Sigma-Aldrich | #F4135-500mL | 成長因子を添加する |
| HEK293T細胞 | ATCC | CRL-3216 | 細胞株 |
| HeLa細胞 | ATCC | CRM-CCL-2 | 細胞株 |
| HEP3B細胞 | ATCC | HB-8064 | 細胞株 |
| HepG2細胞 | ATCC | HB-8065 | 細胞株 |
| Huh7細胞 | エージェントベースモデル | T8973 | 細胞株 |
| IncuCyte S3 倒立顕微鏡 | Sartorius | 提供されたソーステキストがありません。翻訳するテキストを入力してください。 | スフェロイドの形成および成長のモニタリング |
| IVIS Spectrumイメージングシステム | スペクトル・インビボ | 該当なし | ルミネッセンスのエンドポイント読み取り |
| Nano-Glo® 生細胞アッセイ | Promega | N2013 | 生細胞検出用ルミネッセンス基質試薬 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン (10,000 U/mL) | ThermoFisher Scientific | # 15140122 | 細菌汚染の防止 |
| 通気孔付きT75組織培養フラスコ | Fisher Scientific | #NC0509296 | 細胞培養用フラスコ |
| トリプシン-EDTA (0.05%) | ThermoFisher Scientific | #25300120 | 細胞の酵素的剥離 |
| 超低接着プレート | Corning | #7007 | スフェロイド形成を促進するための細胞接着の防止 |
