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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
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
복잡한 인간 질병은 전통적인 실험실 모형 시스템에서 모델링하는 것이 어려울 수 있습니다. 여기에서, 우리는 면역 결핍 마우스로 인간 골격 근 생검의 이식을 통해 인간 근육 질병을 모델링하는 외과 접근을 기술합니다.
동물 연구에서 관찰 하는 치료 효과 종종 임상 시험에서 되풀이 실패. 이 문제는 다각적인 것이지만, 이 실패의 한 가지 이유는 부적절한 실험실 모델을 사용하기 때문입니다. 전통적인 실험실 유기체에서 복잡한 인간 질병을 모델링하는 것은 어렵지만,이 문제는 인간 이종이식의 연구를 통해 회피 될 수 있습니다. 우리가 여기에서 설명하는 외과 방법은 근육 질병을 모델링하고 전임상 치료 시험을 실행하기 위하여 이용될 수 있는 인간 골격 근 이종이식의 창조를 허용합니다. 기관 검토 위원회 (IRB) 승인 된 프로토콜에 따라, 골격 근육 표본은 환자로부터 획득 한 다음 NOD-Rag1nullIL2rγnull (NRG) 숙주 마우스로 이식됩니다. 이 마우스는 성숙한 림프톨을 만드는 그들의 무능력 때문에 이식 연구 결과를 위한 이상적인 호스트이고 이렇게 세포 중재되고 체액 적응성 면역 반응을 개발할 수 없습니다. 숙주 마우스는 이소플루란으로 마취되고, 마우스 경질전방 및 경전지성 경골 근육이 제거된다. 인간의 근육의 조각은 다음 빈 경골 구획에 배치하고 peroneus longus 근육의 근위 및 원위 힘줄에 봉합된다. 이종이식 근육은 마우스 숙주에 의해 자발적으로 혈관화되고 내심이 생겨전 임상 연구의 모델로 사용될 수 있는 튼튼하게 재생되는 인간의 근육을 생성합니다.
임상 시험을 진행중인 모든 약물 개발 프로그램의 13.8 %만이 성공하고 승인 된 치료법으로 이어진다고보고되었습니다1. 이 성공률은 이전에 보고된 10.4%보다 높지만2.여전히 개선의 여지가 있습니다. 임상 시험의 성공률을 높이기 위한 한 가지 접근법은 전임상 연구에 사용되는 실험실 모델을 개선하는 것입니다. 미국 식품의약국(FDA)은 1상 임상 시험 전에 치료 효능을 보여주고 독성을 평가하기 위한 동물 연구를 요구합니다. 그러나, 종종 동물 연구와 임상 시험 사이 치료 결과제한 된일치가 있다 3. 또한, 전임상 동물 연구의 필요성은 허용된 동물 모델이 없는 질병에서 치료 개발을 위한 극복할 수 없는 장벽이 될 수 있으며, 이는 종종 희귀 또는 산발성 질환의 경우이다.
인간 질병을 모델링하는 한 가지 방법은 인간 조직을 면역 결핍 마우스로 이식하여 이종이식을 생성하는 것입니다. 이종이식 모델에는 세 가지 주요 장점이 있습니다: 첫째, 다른 동물 모델에서는 결코 재현할 수 없는 인간 질병에 존재하는 복잡한 유전적 및 후생유전학적 이상을 재현할 수 있습니다. 둘째, 이종이식은 환자 샘플이 제공되는 경우 희귀하거나 산발적인 질병을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 셋째, 이종이식은 완전한 생체 내 시스템 내에서 질병을 모델링합니다. 이러한 이유로, 우리는 이종이식 모델의 치료 효능 결과가 환자에서 시험으로 번역 될 가능성이 더 높다는 가설을 세워. 인간 종양 이종이식은 이미 다발성 골수종을 포함한 일반적인 암 에 대한 치료법을 개발하는 데 성공적으로 활용되었으며, 개별 환자를 위한 맞춤형치료법4,5,6, 7.
최근, 이종이식은 인간 근육 질환의 모델을 개발하는 데 사용되어왔다 8. 이 모형에서는, 인간 적인 근육 생검 견본은 이종이식을 형성하기 위하여 면역 결핍 NRG 마우스의 뒷다리로 이식됩니다. 이식된 인간 근섬유는 죽지만, 이종이식에 존재하는 인간 근육 줄기 세포는 이후에 이식된 인간 기저 라미나를 다시 채우는 새로운 인간 근섬유로 확장및 분화한다. 따라서, 이러한 이종이식에서 재생된 근섬유는 전적으로 인간이며 마우스 숙성에 의해 자발적으로 재혈관화되고 내심이 생겨납니다. 중요한 것은, 마우스로 이식된 근이영양증(FSHD) 환자 근육 조직은 인간 질환의 주요 특징, 즉 DUX4 전사 인자의발현8을재구성한다. FSHD는 DUX4의 과발현에 의해 발생, 이는 후성 유전학적으로 정상적인 근육 조직에서 침묵9,10. FSHD 이종이식 모델에서, DUX4 특이적 모르폴리노를 함유한 치료는 성공적으로 DUX4 발현 및 기능을 억압하는 것으로 나타났으며, FSHD 환자11에대한 잠재적치료 옵션이 될 수 있다. 이러한 결과는 인간의 근육 이종이식은 인간 근육 질환을 모델링하고 마우스에서 잠재적 인 치료를 테스트하는 새로운 접근 방식임을 보여줍니다. 여기서, 우리는 면역 결핍 마우스에서 인간 골격 근 이종이식을 만들기위한 수술 방법을 자세히 설명합니다.
인간 과목에서 연구 표본의 모든 사용은 참가자의 권리와 복지를 보호하기 위해 존스 홉킨스 기관 검토 위원회 (IRB)에 의해 승인되었다. 모든 동물 실험은 존스 홉킨스 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회 (IACUC)에 의해 승인 되었다 건강의 국가 학회에 따라 (NIH) 실험실 동물의 관리 및 사용에 대 한 가이드. 수레NOD-Rag1nullIL2rγnull(NRG) 숙주 마우스(8-12주 령)는 이종이식 실험을 수행하기 위해 사용된다. 이 마우스는 환기 랙에 보관되어 HEPA 여과, 템퍼링 및 가습 공기뿐만 아니라 역삼투 압여 과염소화 물을 부여한다. 마우스는 물과 조사된 항생제식단(Table of Materials)광고 리비텀을 제공하고, 이 시설은 중앙 타이머에 의해 제어되는 바와 같이 14h의 빛을 10h의 어두운 색으로 제공한다.
1. 장비 준비
2. 외과 준비
3. 이종이식 수술
4. 이종이식 컬렉션
참고: 이종이식은 일반적으로 수술 후 4~6개월 사이에 수집됩니다. 그러나, 수집은 수술 후 12 개월까지 수행되었습니다.
5. 이종이식 면역화학

그림 2: 이종이식 수술. (A)수술 부위에서 머리카락이 제거됩니다. (B)경골 전방 (TA)을 통해 절개가 이루어집니다. TA와 신근 디지터룸 롱구스 (EDL)의 원위 힘줄은 화살표로 표시됩니다. 검은 색 파선은 3.3 단계에서 에미슘이 절단 될 위치를 나타냅니다. (C)TA의 말단 힘줄이 절단되고 근육이 무릎까지 당겨져 있습니다. (D)EDL의 힘줄이 절단되고 EDL이 무릎까지 당겨졌습니다. 이것은 화살표로 표시된 페로누스 롱구스 (PL)의 근위 힘줄을 노출시다. 파선은 EDL(녹색) 및 PL(파란색)을 제거하기 위해 가위로 잘라야 할 위치를 나타냅니다. (E)EDL과 TA가 제거됩니다. (F)봉합사는 PL의 근위 힘줄을 통해 배치된다.(G)이종이식은 빈 경골 구획에 배치되고 양손 수술 정사각형 매듭을 사용하여 근위 PL 힘줄에 봉합된다. (H)봉합사는 화살로 표시된 PL의 말단 힘줄을 통해 배치되고, 또 다른 양손 외과 정사각형 매듭은 말단 힘줄에 이종이식을 봉합하는 데 사용된다. (I)이종이식은 PL에 완전히 이식되고 봉합된다.(J)피부는 외과용 접착제로 닫힙니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 4개월 제종이식 컬렉션. (A)수술 부위에서 머리카락이 제거됩니다. 봉합사는 피부 아래에 볼 수 있습니다. (B)이종이식을 덮는 피부가 제거됩니다. 그런 다음 이종이식은 말단 봉합사에서 홍채 집게로 잡고 부드럽게 위쪽으로 당겼습니다. 발목에서 시작하여 메스는 경골을 따라 자르고 이종이식을 풀어내는 데 사용됩니다. 화살표는 경골을 따라 절개의 시작을 보여줍니다. (C)위장혈을 옆으로 당기면, 페로너스 롱러스(PL) 근육과 위장관(화살표로 표시됨)을 분리하는 희미한 백색 의 상피선이 보입니다. 이 선을 따라 잘라 다른 다리 근육에서 PL을 분리 하는 메스를 사용 합니다. (D)이종이식의 오른쪽과 PL이 다리의 다른 근육에서 자유로이 제거되고 제거할 준비가 되었습니다. 파선은 이종이식 및PL을제거하기 시작하기 위해 수술용 가위로 절단할 위치를 나타내며, 말단 봉합사 아래를 절단한 후, 이종이식을 무릎쪽으로 편향시다. 파선은 경골 구획에서 이종이식 및 PL을 제거하기 위해 수술 용 가위로 절단 할 위치를 나타냅니다. (F)이종이식 및 PL이 있는 빈 경골 구획이 성공적으로 제거되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Yuanfan Zhang 등에서 입증한 바와 같이, 이 외과 프로토콜은 인간 골격 근 이종이식8을생산하는 간단한 방법입니다. 재생된 이종이식은 자발적으로 내면화되고 기능적 수축성을 표시합니다. 또한, FSHD 환자로부터 이식된 근육은 FSHD환자에서관찰된 유전자 발현의 변화를 8.
우리의 경험에서, 대략 7 의 8 대조군 참을성 있는 견본에서 수행된 이종이식은 성공적인 근육 생착을 보여줄 것입니다. 성공적인 이종이식은 인간 특이적 항체로 확인된 바와 같이 인간 근섬유의 강력한 재생을나타낸다(그림 4). myofibers의 비율 내의 양성 배아 myosin 염색은 재생 과정이 여전히 진행중임을 나타냅니다. 대조적으로, 가난한 외과 기술 또는 부적당한 견본은 근육 섬유의 나쁜 재생으로 이끌어 낼 수 있습니다(그림 4).
특발성 염증성 근병증(IIM)으로 진단받은 환자로부터 수행된 Xenografts는 4-및 6개월 의 회수에서 재생된 인간 근섬유의 적당한 숫자를 나타내고, 배아 myosin 염색은 6개월(도5A)에서지속된다. 염증세포는 H&E염색(도 5A)에의해 도시된 바와 같이 이종이식에 존재하며, CD3, CD68 및 기타 면역학적 마커(나타내지 않은 데이터)로 확인되었다. 제종이식은 마우스 내에서 안정되어 있으며 최대 12개월의 수집이 수행되었습니다. 개별 근섬유 크기는 4-및 6개월 IIM 이종이식과 본래 의 IIM 환자 생검(도5B)과비교된다. 3500 μm2보다 큰 단면적(CSA)을 나타내는 희귀 섬유는 이종이식에서 관찰되지만 IIM 생검에서는 관찰되지 않으며, 이는 이종이식의 일부 근섬유가 건강한 근섬유와 유사한 크기의 CSA로 재생될 수 있음을나타냅니다(그림 5B) ).

그림 1: 외과 적 설정.
A)이종이식 수술 중 스테레오 현미경, Mapleson E 호흡 회로 및 수술 도구의 표준 방향. B)생체 안전 캐비닛에 유도 챔버의 배치.

그림 4: 예상 긍정적 및 부정적 결과.
양호하거나 열악한 재생을 나타내는 4개월 후 수집된 이종이식은 인간 특이적 라민 A/C(1:50) 및 인간 특이적 스펙트린(1:20) 및 배아 미오신(1:10)으로염색된다(재료표). 흰색 파선 상자로 표시된 영역은 더 높은 배율 인서트가 표시됩니다. 배율 표시줄: 200 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 대표적인 이종이식 재생.
A)헤마톡실린과 에오신(H&E),인간 특이적 라민 A/C 및 인간 특정 스펙트린으로 염색된 특발성 염증성 근병증(IIM)으로 진단받은 환자로부터 수행된 Xenografts(파선으로 윤곽선)는 근섬유 형성을 보여줍니다. 4 개월 및 6 개월 시점에서 NRG 마우스 내에서. 배아 myosin 염색은 재생이 두 시점 모두에서 여전히 진행중임을 보여줍니다. 스케일 바: 200 μm. B)특발성 염증성 근병증(IIM)으로 진단된 한 환자로부터 4-및 6개월 이종이식 및 인간 생검으로부터의 근섬유의 단면적(CSA)을 묘사한 히스토그램(CsA)과 1명의 건강한 대조군 환자. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
저자는 그들이 경쟁 적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.
복잡한 인간 질병은 전통적인 실험실 모형 시스템에서 모델링하는 것이 어려울 수 있습니다. 여기에서, 우리는 면역 결핍 마우스로 인간 골격 근 생검의 이식을 통해 인간 근육 질병을 모델링하는 외과 접근을 기술합니다.
이 작품은 근염 협회와 피터 벅 재단에 의해 지원되었다. 우리는 이종이식 외과 기술에 있는 그녀의 전문지식을 공유하고 훈련을 공유해 준 Yuanfan 장 박사에게 감사드립니다.
| 100mm x 15mm 페트리 접시 | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| 2-메틸부탄 | Fisher | O3551-4 | |
| 20mm x 30mm 마이크로 커버 유리 | VWR | 48393-151 | |
| 동물 저울 | Kent Scientific | SCL-1015 | |
| 항생제-항진균제 솔루션 | Corning, Cellgro | 30-004-CI | |
| AutoClip System | F.S.T | 12020-00 | |
| Castroviejo 바늘 홀더 | F.S.T | 12565-14 | |
| 병아리 배아 추출물 | 정확한 | CE650TL | |
| CM1860 UV 저온 유지 장치 | Leica Biosystems | CM1860UV | |
| Coplin 염색 용기 | Thermo Scientific | 19-4 | |
| 해부 핀 | Fisher Scientific | S13976 | |
| 드라이 아이스 - 펠렛 | Fisher Scientific | NC9584462 | |
| 배아 미오신 항체 | DSHB | F1.652 | 권장 농도 1:10 |
| 에탄올 | Fisher Scientific | 459836 | |
| 소 태아 혈청 | GE Healthcare Life Sciences | SH30071.01 | |
| Fiber-Lite MI-150 | Dolan-Jenner | Mi-150 | |
| 겸자 | F.S.T | 11295-20 | |
| 염소 안티 마우스 IgG1, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21121 | 권장 농도 1:500 |
| 염소 안티 마우스 IgG2b, AlexaFluor 594 | Invitrogen | A-21145 | 권장 농도 1:500 |
| Gum tragacanth | Sigma | G1128 | |
| Hams F-10 Medium | Corning | 10-070-CV | |
| Histoacryl 블루 국소 피부 접착 | 조직 씰 | TS1050044FP | |
| 인간 특정 라민 A / C 항체 | Abcam | ab40567 | 권장 농도 1 : 50-1 : 100 |
| 인간 특정 스펙트럼 항체 | Leica Biosystems | NCLSPEC1 | 권장 농도 1 : 20-1 : 100 |
| 유도 챔버 | VetEquip | 941444 | |
| Iris Forceps | FS T | 11066-07 | |
| Irradiated Global 2018 (Uniprim 4100 ppm) | Envigo | TD.06596 | 호흡기 감염을 다시 보호하기위한 항생제 설치류 식단 |
| Isoflurane | MWI 수의학 공급 | 502017 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34155 | 수술 용 물티슈 |
| Mapleson E 호흡 회로 | VetEquip | 921412 | |
| 메탄올 | 피셔 사이언티픽 | A412 | |
| 모바일 마취 기계 | VetEquip | 901805 | |
| 마우스 기본 키트 | Vector Laboratories | BMK-2202 | 마우스 IgG 차단 시약 |
| 매니큐어 | 전자 현미경 과학 | 72180 | |
| NAIR 헤어 리무버 로션/오일 | 피셔 사이언티픽 | NC0132811 | |
| NOD-Rag1null IL2rg null (NRG) 마우스 | The Jackson Laboratory | 007799 | 2-3개월 된 |
| O.C.T. 화합물 | Fisher Scientific | 23-730-571 | |
| 산소 | 에어가스 | OX USPEA | |
| PBS(인산염 완충 식염수) 버퍼 | Fisher Scientific | 4870500 | |
| 포비돈 요오드 준비 솔루션 | Dynarex | 1415 | |
| ProLong™ 금 퇴색 방지 마운트런 | 트 Fisher Scientific | P10144(DAPI 없음); P36935 (with DAPI) | |
| Puralube Ophthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | |
| Rimadyl (carprofen) 주사 가능한 | Patterson 수의학 | 10000319 | 외과 진통제, 5 mg/kg 용량으로 피하 투 |
| 메스 블레이드 - #11 | F.S.T | 10011-00 | |
| 메스 손잡이 - #3 | F.S.T | 10003-12 | |
| 스테레오 현미경 | Accu-scope | 3075 | |
| Superfrost Plus 현미경 슬라이드 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| 봉합사, 합성, 비흡수성, 30인치 길이, CV-11 바늘 | Covidien | VP-706-X | |
| 1ml 주사기(26 게이지, 3/8인치 바늘) | BD Biosciences | 329412 | |
| 트리머 | Kent Scientific | CL9990-KIT | |
| Vannas 스프링 가위, 8.0mm 절삭날 | F.S.T | 15009-08 | |
| VaporGaurd 활성탄 필터 | VetEquip | 931401 | |
| 상처 클립, 9mm | FST | 12022-09 |