이 보고서는 마우스 신장으로의 효과적이고 안전한 유전자 전달을 위해 신우 를 통한 AAV 벡터의 국소 주입 방법을 자세히 설명합니다.
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방법 논문
이 보고서는 마우스 신장으로의 효과적이고 안전한 유전자 전달을 위해 신우 를 통한 AAV 벡터의 국소 주입 방법을 자세히 설명합니다.
신장으로의 유전자 전달을 위한 효과적인 생체 내 도구 및 방법의 개발은 신장 질환에 대한 기초 신장 연구 및 유전자 치료를 발전시키는 데 매우 중요합니다. 또한, 첨단 유전자 검사를 통해 단일 유전자 신장 질환에 대한 인식이 높아지면서 치료하기 어려운 유전 신장 질환을 치료하고 심지어 치료할 수 있는 유전자 치료의 잠재력이 강조되고 있습니다. 이와 관련하여 아데노 관련 바이러스(AAV) 벡터는 생체 내 유전자 전달을 위한 강력한 플랫폼으로 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 신장의 각 치료적으로 관련된 세포 유형에 대한 AAV 벡터 매개 유전자 전달을 위한 가장 효과적이고 안전한 방법은 아직 완전히 확립되지 않았습니다. 여기에서는 AAV 벡터의 느린 역행 신우(RP) 주입 방법을 자세히 설명하고, 적절하게 선택된 AAV 캡시드와 함께 사용할 때 마우스 신장을 형질도입할 수 있는 높은 잠재력이 입증됩니다. 또한, 이 방법은 표준 염화세슘 초원심분리 정제 AAV(CsCl AAV) 벡터뿐만 아니라 전문적인 AAV 벡터 전문 지식이 필요하지 않은 기술을 사용하여 빠르고 간단하게 준비할 수 있는 원심 한외여과 AAV(CU AAV) 벡터 미니프렙에도 효과적인 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 이 연구는 CsCl 및 CU AAV-KP3 벡터의 느린 RP 주입이 필연적으로 조직 손상으로 이어지는 이전에 보고된 유체역학적 접근법과 달리 명백한 조직 손상 없이 마우스 신장에서 근위 세뇨관의 강력한 형질도입을 초래한다는 것을 보여줍니다. 따라서 이 연구는 선택된 AAV 캡시드 유래 벡터의 느린 역행 RP 주입이 신장으로의 유전자 전달을 위한 효과적이고 안전한 방법임을 강조합니다. 이 방법은 유전자 치료 연구를 포함한 광범위한 신장 연구에 적용할 수 있습니다. CU AAV 벡터 미니프렙을 사용하면 처리량이 크게 증가하고 예비 데이터를 생성하고 중요한 통찰력을 얻는 데 필요한 시간 및 비용 효율성이 향상됩니다.
크고 작은 실험 동물에서 신장에 유전자 전달을 위한 효과적이고 안전한 방법은 기초 신장 연구를 발전시키고 혁신적인 치료 접근법을 탐색할 수 있는 중요한 기회를 제공합니다. 이러한 방법을 확립하는 것은 특히 다양한 신장 질환에 대한 유전자 치료와 관련이 있습니다. 최근 임상 유전자 검사의 발전으로 단일 유전자 신장 질환의 유병률이 이전에 추정된 것보다 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 만성 신장 질환(CKD) 환자의 약 30%에 영향을 미칩니다1. CKD는 진행성 신장 손상을 특징으로 하며, 궁극적으로 진정으로 효과적인 질병 수정 요법 없이 신부전으로 이어집니다. 혈액 투석과 신장 이식은 현재 이용 가능한 치료법입니다. 그러나 CKD 환자의 삶의 질을 크게 손상시키는 한계가 있습니다2. 따라서 유전 질환 치료에 대한 임상적으로 입증된 강력한 접근 방식인 유전자 치료는 CKD로 이어지는 유전 신장 질환을 효과적으로 치료하기 위한 새로운 방법으로 최근 몇 년 동안 큰 주목을 받고 있습니다 3,4,5,6. 이 접근 방식은 질병의 근본 원인을 직접적으로 해결하고 잠재적으로 치료법을 제공할 수 있습니다.
이 분야의 꾸준한 발전에도 불구하고 신장으로의 유전자 전달은 연구 및 치료 환경 모두에서 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 사구체 내피 세포, 사구체 기저막, 족세포 발 돌기로 구성된 사구체 여과 장벽 등 장기의 복잡한 구조와 독특한 생리적 장벽으로 인해 치료 유전자를 가진 신장 세포를 효율적으로 표적으로 삼는 것은 어렵습니다. 직접 신장 피질(RC) 주사 7,8, 신장 동맥(RA) 주사 9,10,11, 신장 정맥(RV) 주사 12,13,14, 신우(RP) 주사 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25 및 바이러스 또는 비바이러스 유전자 전달 벡터의 정맥(IV) 주사19,26,27,28,29,30 및 초음파 및 마이크로버블 매개 핵산 전달 31,32. 이러한 접근법은 다양한 형질도입 효율 또는 기능적 결과를 입증했으며, 종종 조정하기 어려운 일관되지 않은 결과를 산출했습니다(참고 문헌 3,33,34,35에서 검토됨). 신장으로의 유전자 전달은 아직 미숙하여 벡터 시스템과 방법론을 직접 비교하는 것이 어렵습니다. 그러나 고농축 제제를 신장에 직접 투여하는 국소 전달 방법은 일반적으로 전신 IV 전달보다 더 나은 결과를 달성했습니다. 또한, 강력한 안전성 프로파일과 입증된 임상 번역 실적을 갖춘 아데노 관련 바이러스(AAV) 벡터36,37이 가장 많이 연구되었으며 신장 유전자 전달을 위한 주요 선택으로 간주됩니다.
일반적인 AAV 혈청형 및 조작된 캡시드는 마우스에서 IV 주사 후 신장에서 중간엽 및 중간엽 세포의 효과적인 형질도입을 입증했습니다 28,30,38. 특히, 최근 연구에서는 AAV9의 IV 투여가 신증후군 및 알포트 증후군의 마우스 모델에서 족세포를 효과적으로 형질도입할 수 있지만 이러한 효과는 건강한 신장에서는 관찰되지 않음38,39 그리고 조작된 AAV2 캡시드의 IV 투여는 마우스의 건강한 신장과 염증이 있는 신장 모두에서 사구체 내피 세포를 독점적으로 표적으로 삼을 수 있습니다40. 역사적으로 세뇨관은 IV 경로를 통해 형질전달하는 것이 어려웠습니다. 그러나 AAV-KP141과 같은 선택된 AAV 캡시드의 RP 주입이 벤치마크 AAV9 캡시드38로 달성한 것보다 훨씬 더 높은 수준에서 근위 세뇨관의 형질도입을 달성할 수 있다는 것이 최근에 발견되었습니다. 추가 개선이 필요하지만 이러한 발전은 기초 신장 연구 및 유전자 치료를 위한 새로운 길을 열어 이전에는 달성할 수 없었던 기회를 제공합니다.
본 기사에서 AAV 벡터의 느린 역행 RP 주사는 마우스 신장으로의 유전자 전달을 위한 효과적이고 안전한 방법으로 자세히 설명되어 있습니다38. 이 기술의 대표적인 예로서, AAV-KP3는 마우스에서 RP 주입 후 AAV9에 비해 향상된 신장 형질도입을 나타낸 6개의 캡시드(즉, AAV-KP1, AAV-KP2, AAV-KP341, AAV-DJ42, AAV2G943 및 AAV2.7m844) 중 하나라는 발견에 기초하여 모범적인 캡시드로 선택되었다. 특히, 느린 역행 RP 주사 신장 조직은 이전에 보고된 유체역학적 접근법으로 치료된 조직과 달리 명백한 조직 손상을 보이지 않았습니다23,24. 또한, 빠르고 간단한 원심 한외여과에 의해 조잡하게 정제된 AAV 미니프립 벡터(45)(즉, CU AAV 벡터)는 동일한 벡터 게놈 역가로 투여될 때 표준 염화세슘(CsCl) 구배 초원심분리(즉, CsCl AAV 벡터)에 의해 정제된 AAV 벡터 제제에 의해 달성할 수 있는 것의 약 70%의 신장 형질도입 수준을 달성하였다. 따라서 여기에 제시된 방법과 관찰은 생쥐와 잠재적으로 더 큰 동물의 신장으로의 유전자 전달을 향상시키려는 연구자에게 가치 있고 실용적인 자원을 제공합니다.
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여기에 설명된 모든 동물 실험은 오레곤 보건 과학 대학(OHSU)의 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았으며 OHSU의 동물 관리 지침에 따라 수행되었습니다. 이 연구에서는 8주 된 C57BL/6J 수컷 마우스를 사용했습니다. 본 연구에 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.
1. 아데노바이러스가 없는 플라스미드 형질감염에 의한 AAV 벡터 생산
2. AAV 벡터의 원심 한외여과(CU) 정제(AAV miniprep)
3. AAV 벡터의 CsCl 밀도-구배 정제
4. SDS-PAGE에 의한 AAV 벡터 제제의 품질 평가 후 은 염색
5. 웨스턴 블롯에 의한 CU AAV 벡터 제제에서 AAV VP 단백질의 동정
6. 신우(RP) 주사
7. 조직 채취 및 냉동 절편
8. 면역형광염색
9. 조직에서 DNA 추출
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최근 연구에서는 RP 주사 후 AAV9에 비해 신장 형질도입의 현저한 향상을 나타내는 AAV 캡시드의 작은 하위 집합을 확인했습니다38. 확인된 하위 집합은 DNA 섞음에 의해 생성된 키메라 AAV 캡시드인 AAV-KP3를 포함한다41. 따라서 본 연구에서는 AAV9를 벤치마크로 삼아 RP 주사를 위해 AAV-KP3를 선택하였다. AAV9-CAG-td토마토 벡터(AAV9) 및 AAV-KP3-CAG-td토마토 벡터(KP3)는 아데노바이러스가 없는 플라스미드 형질감염 방법으로 HEK293 세포에서 생산되었고 100kDa 분자량 컷오프 필터(CU AAV)를 사용한 CsCl 밀도 구배 초원심분리(CsCl AAV) 또는 원심 한외여과(CU)로 정제되었습니다. CsCl AAV를 제조하는 절차는 이전에 설명되어 있습니다47.
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이 보고서는 마우스 신장으로의 유전자 전달을 위한 국소 투여 방법으로서 AAV 벡터의 느린 역행 RP 주사에 대해 자세히 설명했습니다. RP 주사를 안전하게 수행하기 위한 중요한 단계 중 하나는 주사된 신장의 실질 손상을 방지하기 위해 AAV 벡터의 주입 속도를 조정하는 것입니다. 유체역학적 신우 주사에 대한 이전 보고서에서 100μL의 플라스미드 DNA 용액을 단 3초이내에 마우스 신장에 주입했습니다. 이 빠른 주입은 효과적인 DNA 형질감염을 위해 일시적인 세포막 투과성을 증가시키는 데 필수적이지만 조직 손상을 초래할 수 있습니다24. 이러한 위험을 완화하기 위해 주사기 펌프를 사용하여 50μL/min의 제어된 속도로 RP 를 통해 벡터를 천천히 주입했습니다. 이 절차는 RP 주사 신장의 조직 손상을 성공적으로 예방할 수 있습니다.
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H.N.은 Takara Bio Inc. 및 Capsigen Inc.의 라이선스를 받은 AAV 관련 기술의 로열티를 받고, 생명공학 회사의 컨설턴트로 활동하며, Capsigen Inc.의 공동 창립자이며, Capsigen Inc. 및 Sphere Gene Therapeutics의 주식을 보유하고 있습니다.
AAV9의 도우미 플라스미드를 제공한 Guangping Gao와 James M. Wilson, AAV-KP3의 도우미 플라스미드를 제공한 Katja Pekrun과 Mark A. Kay에게 감사드립니다.
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