De recellulariseerde extracellulaire matrix van een decellulaire rattenlever kan worden gebruikt als een gehumaniseerd, driedimensionaal ex vivo model om de distributie en transgenexpressie van een virus of vireel vector te bestuderen.
Methodenartikel
De recellulariseerde extracellulaire matrix van een decellulaire rattenlever kan worden gebruikt als een gehumaniseerd, driedimensionaal ex vivo model om de distributie en transgenexpressie van een virus of vireel vector te bestuderen.
Dit protocol beschrijft de vorming van een driedimensionaal (3D) ex vivo model lever en de toepassing ervan op het onderzoek en de ontwikkeling van virale vectorsystemen. Het model wordt verkregen door herbevolking de extracellulaire matrix van een gedecellulariseerde rattenlever met humane hepatocyten cellijn. Het model maakt studies in een gevasculariseerde 3D celsysteem vervangen potentieel schadelijke experimenten met levende dieren. Een ander voordeel is het gehumaniseerde aard van het model, dat dichter bij de menselijke fysiologie dan diermodellen.
In deze studie demonstreren we de transductie van de lever model met een virale vector afkomstig van adeno-geassocieerde virussen (AAV vector). De perfusie circuit dat de 3D-lever-model levert met media biedt een eenvoudige manier om de vector toe te passen. Het systeem maakt controle van de belangrijkste metabolische parameters van de lever. Voor de uiteindelijke analyse, kunnen weefselmonsters worden genomen om de omvang van recellularizatie door histologische technieken. Verdeling van de virus vector en expressie van het transgen kan geleverd worden geanalyseerd door kwantitatieve PCR (qPCR), Western blotting en immunohistochemie. Talrijke toepassingen van de vector model in fundamenteel onderzoek en de ontwikkeling van gen-therapeutische toepassingen kunnen worden beoogd, inclusief de ontwikkeling van nieuwe antivirale therapieën, kankeronderzoek, en het onderzoek van virale vectoren en hun mogelijke bijwerkingen.
De meeste actuele biomedische onderzoeken zijn afhankelijk van een van twee benaderingen, hetzij tweedimensionale (2D) celkweekexperimenten of diermodellen, die van nature driedimensionaal (3D) zijn. Deze benaderingen hebben echter enkele ernstige nadelen. Er is aangetoond dat cellen die in 2D-kweek zijn gekweekt, verschillen in genexpressiepatronen en celfysiologie van die welke onder 3D-condities zijn gekweekt.1 Diermodellen, naast dat ze geassocieerd zijn met ethische bezwaren, modelleren vaak de menselijke fysiologie niet goed. Hoewel het ontbreken van duidelijke toxische effecten van een stof moet worden bevestigd in diermodellen voorafgaand aan de eerste dosering bij mensen, zijn er meerdere gevallen gedocumenteerd waarin ernstige, soms fatale, bijwerkingen zijn opgetreden in klinische onderzoeken.2
Om deze tekortkomingen te overwinnen, zijn gehumaniseerde 3D ex vivo orgaanmodellen belangrijke onderzoeksinstrumenten geworden. Wanneer onder geschikte omstandigheden gekweekt, assembleren cellen zichzelf in 3D-structuren die bekend staan als sferoïden. Deze sferoïden missen echter een vasculair systeem, wat de distributie van kleine moleculaire verbindingen, grote biologischen en virale vectoren beperkt. Adenovirale vectoren transduceerden bijvoorbeeld alleen de buitenste cellagen van sferoïden die zijn bereid uit humane glioblastomen.3 Een oplossing voor dit probleem is het gebruik van een orgaanmodel dat een vasculair systeem bevat. Hiertoe kan het orgaan van belang uit een dier worden geëxplanteerd en kunnen de dierlijke cellen worden vervangen door menselijke cellen. Er zijn verschillende methoden beschreven voor decellularisatie van dierlijke leveren door behandeling met detergentia of natriumcholaat.4-6 De resulterende extracellulaire matrix (ECM) herbergt cytokinen en groeifactoren die verschillende cellulaire processen reguleren.7 Het kan worden gebruikt als een schaal voor recellularisatie met menselijke cellen om een functioneel orgaanmodel te verkrijgen.
In een recent onderzoek hebben we een gehumaniseerd 3D-levermodel gebruikt om de distributie en transgenexpressie van een adeno-geassocieerd virus (AAV) vector te bestuderen.8 AAV-vectoren behoren tot de meest veelbelovende virale vectoren voor gentherapeutische toepassingen.9 De eerste, en tot nu toe enige, goedgekeurde gentherapeutische interventie in de westerse wereld gebruikt een AAV-vector voor de overdracht van lipoproteïne lipase.10
LET OP: RL verkregen ethische goedkeuring voor de explantatie van organen van de Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSo). Levers werden geëxplanteerd uit Wister ratten. De onderste vena cava en de poortader van de lever werden gecannuleerd met een 22 G canule. Werkwijzen voor het van cellen ontdoen van geëxplanteerde levers zijn eerder beschreven. 4,5 Het extracellulaire matrices die hier gebruikt werden verkregen door overmatige perfusie van een rattenlever met 1% natriumdeoxycholaat.
1. hercellularisatie van extracellulaire matrix (ECM) van een rattenlever

Figuur 1. Bioreactor-systeem. A) Deze bioreactor systeem werd op maat gemaakt. Het handhaaft de orgaanmodellen bij 37 ° C en 5% CO2. De stroomsnelheden van de peristaltische pompen individueel regelbaar. B) De lever wordt in een groeikamer en sluitened aan de perfusie circuit, die bestaat uit een peristaltische pomp, een medium reservoir, een zeepbel val en een druksensor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Transductie van de Recellularized Rat Liver

Figuur 2. Kaart van het zelf-complementaire gepseudotypeerde AAV2 / 6 vector gebruikt in de onderhavige studie. Het genoom bestaat uit de omgekeerde eindstandige herhalingen (ITR) van AAV2 en codeert EmGFP onder controle van de CMV promoter en een onder controle shRNA van een U6 promotor. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Beoordeling van de Recellularized getransduceerde Rat Liver
Voor de beoordeling van de omvang van hercellularisatie werden cryo-secties bereid van elke lob van elk recellularized lever model. De coupes werden daarna geanalyseerd met hematoxyline en eosine kleuring. Zoals te zien in figuur 3, elke lob van de drie levermodellen, aangeduid als TLM1, TLM2 (getransduceerde levermodellen 1 2) en Ctrl (control lever model dat recellularized, maar niet getransduceerd) werden herbevolkt met HepG2 cellen. Dit hepatocellulaire carcinoma cellijn werd vastgesteld op basis van het tumorweefsel van een 15-jarige Argentijnse jongen. Sommige delen van de lever modellen intensiever recellularized dan anderen. De redenen voor deze variaties nog worden vastgesteld.

Figuur 3. hematoxyline en eosine kleuring van elk kwab van de drie geanalyseerde levermodellen TLM1 + 2:. Getransduceerd levermodel 1 en 2; Ctrl .: controle lever model dat werd recellularized maar niet getransduceerd. Schaal bar: 200 pm. (Re-bedrukt met toestemming van Ref. 8) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In de volgende stap wordt de transductie van de lever model werd beoordeeld. Hiervoor werd DNA bereid uit 28 punch biopsieën van elk van de lever modellen en de vector titer werd gekwantificeerd door qPCR. Gemiddeld 55 en 90 geïnternaliseerd vector genomen per cel (VG / cel) werden gemeten voor de twee getransduceerde lever modellen. Experimenten in 2D celkweek hebben aangetoond 30 VG / cel zijn voldoende voor een sterke transgenexpressie en RNAi-gemedieerde silencing. Productie van EmGFP werd geanalyseerd door RT-PCR en Western blotting. In feite, expressie van het werd gedetecteerd in 80-90% van de biopsieën op mRNA en eiwitniveaus respectievelijk.8 Om een volledig beeld van de transductie efficiëntie te verkrijgen, werden cryo-secties immunohistologisch geanalyseerd. Zoals te zien is in figuur 4, de gebieden van de lever model die met succes werden recellularized, zoals gevisualiseerd door DAPI kleuring, gaf sterke fluorescentiesignalen in de immunohistochemische analyse van EmGFP expressie. Zoals verwacht control lever model, niet behandeld met AAV vectoren geen EmGFP expressie vertonen.

Figuur 4. Immunohistochemische analyse van expressie EmGFP Cellen die herbevolkt de levermodellen werden gevisualiseerd door DAPI kleuring (blauw).; EmGFP expressie werd gevisualiseerd door immunochemische kleuring (rood). TLM1 + 2: getransduceerde lever modellen 1 en 2; Ctrl .: controle lever model dat werd recellularized maar niet getransduceerd. Schaal bar: 200 pm. (Re-bedrukt met toestemmingvan Ref. 8.) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In een laatste proef AAV-gemedieerde knockdown van hCycB werd geanalyseerd met qRT-PCR. De knockdown van hCycB bleek te liggen tussen 70 en 90%, gemiddeld over alle kwabben van beide getransduceerde levermodellen (Figuur 5).

Figuur 5.-RNAi-gemedieerde knockdown van hCycB in-AAV getransduceerde 3D-lever-modellen. Silencing van hCycB werd bepaald door qRT-PCR. Gemiddelde waarden en standaarddeviaties (SD) werden berekend voor alle monsters van elke getransduceerde 3D lever model (TLM1 en 2, respectievelijk) en genormaliseerd tot de gemiddelde waarde van de niet-getransduceerde control (Ctrl.). (Re-bedrukt met toestemming van Ref. 8.) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De gereconstitueerde 3D levers hier omschreven een model om virale vectoren bestuderen in een gehumaniseerd systeem. Herbevolking van de ECM van een rattenlever met een menselijke hepatocellulaire carcinoma cellijn genereert een gevasculariseerde systeem dat de studie van grote biologische toelaat. Deze resultaten vormen een proof-of-concept dat het bereide lever model efficiënt kan worden getransduceerd met een virale vector.
Voor de hier getoonde experimenten, elk leverkwab werd getransduceerd door de AAV vector. In sommige voorlopige experimenten, één lobben niet herbevolkt met cellen. Het is daarom belangrijk om te voorkomen dat celresten of andere componenten van het afsluitorgaan vaatstelsel. Om te testen of alle lobben kan worden geperfundeerd, kan een niet-toxische kleurstof zoals fenol rood worden doorgespoeld lever model.
Een andere cruciale kwestie is het bijhouden van de lever steiger steriel. Terwijl de behandeling met ethanol of antibiotica is disadvantageous het vasculaire systeem, bestraling van de extracellulaire matrix met γ-straling houdt de vaten en gesteriliseerd het monster.
Bovendien zal de omvang van geëxplanteerde lever verschillen, zodat het aantal cellen voor de hercellularisatie procedure en de herbevolking tijd mogelijk moeten worden aangepast om reproduceerbare resultaten te verkrijgen.
De rat levers gebruikt in deze studie zijn relatief groot en vereisen grote hoeveelheden cellen en testreagentia (bijvoorbeeld AAV vectoren). Bovendien, de herbevolking procedure duurde meer dan twee weken. Dit beperkt het aantal herhalingen die kan met redelijke inspanning. We zetten momenteel het model muizenlevers, die slechts ongeveer een vijfde van het volume van rat lever zijn, die het gebruik van minder cellen en minder testreagentia. Hoewel proportionele afbouw van het aantal cellen lijkt redelijk, moet de exacte bedragen die moeten worden bepaald in furtproefjes.
Een andere tekortkoming van dit model is het gebruik van de hepatocellulaire HepG2 cellijn. Experimenten zijn gaande om het gebruik van hepatocyten opzichte van geïnduceerde pluripotente stamcellen, die een fysiologisch relevanter voorbeeld kan dienen ontwikkelen. Bovendien is de lever uit meerdere celtypen naast de hepatocyten, bijvoorbeeld, Kupffer cellen en sinosoids. We nemen aan dat de verschillende celtypes hun natuurlijke omgevingen bevolken wanneer een ECM recellularized meerdere celtypen.
De 3D-lever model combineert een aantal voordelen. Een groot nadeel van de conventionele in vivo modellen is dat dierlijke fysiologie verschilt wezenlijk van de menselijke fysiologie. Toxische bijwerkingen van de behandeling van een menselijke patiënt kan dus onopgemerkt blijven. Deze tekortkoming kan worden overwonnen door het reconstitueren van het 3D-model met menselijke lever cellen die nauwer bij de biologie van human patiënten.
Het tweede voordeel van de lever model is haar bijdrage aan het welzijn van dieren. Hoewel dierlijke componenten vereist voor de reconstitutie experimenten, de benadering volgt nog steeds de doelstellingen van de 3R principe (vervanging, vermindering, verfijning) als overtollig dieren kunnen worden gebruikt die werden opgeofferd andere dierproeven, dwz dat geen extra dieren nodig en aanpak vermijdt volledig lijden van dieren die vaak gepaard gaat met in vivo experimenten. Sferoïden zijn een alternatief middel om cellulaire processen in 3D te bestuderen. Echter, sferoïden niet gevasculariseerd zodat grote en biologische stoffen niet diep in het binnenste van de structuur. Deze problemen zijn overwonnen met de gevasculariseerde lever 3D-model.
In de hier beschreven experimenten werden AAV vectoren onderzocht, omdat ze behoren tot de meest veelbelovende kandidaten voor gentherapietoepassingen. Talrijke gen therapeutische benaderingen gericht op de lever te richten, bijvoorbeeld voor de behandeling van infecties met hepatitis virussen of alfa-1-antitrypsine-deficiëntie, kan de 3D lever worden gebruikt bij de werkwijze volgens deze AAV vector ontwikkeling. Het is natuurlijk ook geschikt voor de studie van andere hepatotrope virale vectoren, zoals adenovirale vectoren. Bovendien kan het worden gebruikt om infectieuze hepatitis virussen zoals hepatitis B of C virus bestuderen. Het kan bijvoorbeeld worden toegepast om nieuwe antivirale strategieën te ontwikkelen. Bovendien, 3D-orgel modellen vertegenwoordigen veelbelovende instrumenten om nieuwe cytostaticum therapieën voor de behandeling van kanker en toxicologisch onderzoek uit te voeren te ontwikkelen. Op de lange termijn, kan kunstmatige levers worden gebruikt in de regeneratieve geneeskunde als transplantaties. Bij elkaar genomen, het 3D-lever model biedt een breed scala aan toepassingen in infectie biologie en andere gebieden van het biomedisch onderzoek.
De auteurs hebben niets te onthullen.
De auteurs danken Bernd Krostitz voor technische assistentie, Radoslaw Kedzierski voor de eerste bijdragen aan het project, Erik Wade voor het corrigeren en nuttige opmerkingen, en Prof. Heike Walles voor het verstrekken van de bioreactor en het delen van haar waardevolle ervaring met orgaan-decellularisatie. We zijn ook dankbaar voor de financiering van het project en publicatie door de Technische Universiteit van Berlijn.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Incubator | Fraunhofer | / | |
| Peristaltische pomp | Fraunhofer | / | |
| Flens met groef | Duran | 2439454 | gewijzigd door gaffer |
| O-ring transparant | Duran | 2922551 | |
| Snelsluiting | Duran | 2907151 | |
| Vlakke flensdeksel | Duran | 2429857 | gewijzigd door gaffer |
| Schroefdraadbuis | Duran | 2483802 | gewijzigd door gaffer |
| Schroefdraadbuis | Duran | 2483602 | gewijzigd door gaffer |
| Siliconen afdichtring | Duran | 2862012 | |
| Schroefdop | Duran | 2924013 | |
| Schroefdop | Duran | 2924008 | |
| Schroefdop met opening | Duran | 2922709 | |
| Schroefdop met opening | Duran | 2922705 | |
| Filter | Sarstedt | 831,826,001 | |
| Siliconen slang | VWR | 228-1500 | |
| Buisschakelaar | Ismatec | ISM556A | |
| Biocompatibele slang | Ismatec | SC0736 | |
| T175 kweekkolven | Greiner bio-one | 660 160 | |
| RPMI 1640 | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0501-500 | |
| glutamine | BioWest SAS (Th. Geyer) | X0551-100 | |
| Trypsine | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0940-100 | |
| penicilline/streptomycine | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0022-100 | |
| foetaal runder serum | cc pro | S-10-M | |
| Tissue-Tek O.C.T. | Weckert-Labortechnik | 600001 | |
| HepG2 | DSMZ | ACC 180 | |
| Cryomold 15 x 15 x 5 mm | Sakura | 4566 | |
| Biopsie-punch 4 mm | pfm medical | 48401 | |
| Nucleospin miRNA | Macherey & Nagel | 740971.10 | |
| Nucleospin RNA/DNA bufferset | Macherey & Nagel | 740944 |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen