Ksenoprzeszczepy pochodzące od pacjentów (PDX) stanowią potężny model in vivo do badania produkcji prawidłowych i złośliwych komórek krwiotwórczych w „rodzimym” środowisku ssaków. Najczęściej PDX są tworzone poprzez wstrzykiwanie lub przeszczepianie ludzkich komórek do myszy z niedoborem odporności. Tworzenie PDX z wykorzystaniem prawidłowych ludzkich komórek macierzystych krwiotwórczych umożliwia badania in vivo rozwoju prawidłowych ludzkich komórek krwi i komórek odpornościowych. PDX wytworzone z komórek białaczkowych lub innych komórek nowotworowych pozwalają na badanie mechanizmów onkogennych oraz identyfikację skutecznych terapii w kontekście różnorodności krajobrazów genetycznych i mutacji występujących w populacji ludzkiej.1 W konsekwencji PDX są obecnie złotym standardem w translacyjnych badaniach biomedycznych służących identyfikacji skutecznych terapii oraz ważnym narzędziem do zrozumienia mechanizmów progresji nowotworów. Modele PDX są niezbędnym narzędziem wspomagającym badania nad chorobami wynikającymi z nierówności zdrowotnych spowodowanych specyficznymi uszkodzeniami genetycznymi lub każdą chorobą, w której wariacje krajobrazu genetycznego pacjenta mogą w znacznym stopniu przyczyniać się do onkogenezy i wyniku leczenia.
Modele PDX myszo-ludzkie są możliwe dzięki temu, że wiele cytokin mysich w stopniu wystarczającym naśladuje swoje ludzkie odpowiedniki w aktywacji receptorów cytokinowych ludzkich komórek podczas ich przebywania w organizmie myszy. Na przykład interleukina-7 (IL-7) dostarcza krytycznego sygnału dla rozwoju ludzkich limfocytów B.2 W tym przypadku mysia IL-7 wykazuje wystarczającą homologię z ludzką IL-7, aby cytokina mysia stymulowała szlaki sygnalizacyjne w ludzkich prekursorach limfocytów B.2,3,4 Nie dotyczy to jednak limfopoetyny stroma lneiej grasicy (TSLP),5,6 która wraz z innymi cytokinami (IL-3, czynnik stymulujący kolonie granulocytów i makrofagów (GM-CSF), czynnik wzrostu komórek macierzystych (SCF),7 jest ważna dla produkcji prawidłowych i nowotworowych ludzkich komórek krwiotwórczych. Gdy cytokiny mysie i ludzkie wykazują niską homologię, cytokiny mysie nie aktywują odpowiednich receptorów na ludzkich komórkach. Aby pokonać tę przeszkodę, zastosowano szereg strategii w celu zaprojektowania ekspresji ludzkich cytokin w myszach PDX. Obejmują one wstrzykiwanie rekombinowanych ludzkich cytokin, wstrzykiwanie hydrodynamiczne DNA, ekspresję lentiwirusową, ekspresję transgeniczną oraz zastąpienie genu metodą knockin.7 Niniejszy raport opisuje metodę modyfikacji PDX w celu produkcji ludzkiej cytokiny poprzez stroma-pośrednią dostawę cytokin (Rysunek 1).
W zaprezentowanej tutaj metodzie myszy PDX są modyfikowane tak, aby ekspresować ludzką cytokinę TSLP lub służyć jako kontrole negatywne pod względem cytokin. PDX ekspresujące TSLP uzyskuje się poprzez cotygodniowe iniekcje dootrzewnowe komórek zrębu, które zostały przetransdukowane w celu ekspresji wysokich poziomów ludzkiej TSLP. Myszy „kontrolne” PDX negatywne pod względem cytokin są modyfikowane w podobny sposób, przy czym zrąb kontrolny jest transdukowany wektorem kontrolnym. Metoda ta pozwala na osiągnięcie normalnych fizjologicznych poziomów ludzkiej TSLP w myszach PDX, którym wstrzyknięto zrąb TSLP+. W myszach PDX otrzymujących zrąb negatywny pod względem cytokin nie obserwuje się wykrywalnej TSLP. Do naszych badań wybraliśmy ludzką linię komórek zrębu HS-27A, ponieważ rośnie ona intensywnie w hodowli i wykazuje bardzo niski poziom produkcji cytokin, który nie wspiera proliferacji izolowanych komórek progenitorowych w kokulturach.8 W celu ekspresji ludzkiej TSLP zrąb został przetransdukowany zaawansowanym wektorem lentiwirusowym samoartefakcyjnym, pochodzącym z wcześniej opisanego szkieletu,9 zawierającym element cPPT/cts oraz posttranskrypcyjny element regulacyjny wirusa zapalenia wątroby świstaka (WPRE) w celu zwiększenia ekspresji transgenu. Gen ludzkiej TSLP został wprowadzony do tego wektora pod kontrolą promotora alfa czynnika elongacyjnego-1 (EF-1), aby uzyskać silną, konstytutywną i długotrwałą ekspresję.
Konstrukcja tego modelu PDX z wzmocnioną produkcją ludzkich cytokin składa się z 4 głównych etapów. Po pierwsze, przetransdukowane zręby są namnażane in vitro i oceniane za pomocą testu immunoenzymatycznego (ELISA) pod kątem stabilnej, wysokiej produkcji cytokin. Po drugie, aktywność ludzkiej cytokiny produkowanej przez przetransdukowane komórki zrębu (oraz brak aktywności cytokin w zrębie kontrolnym) jest weryfikowana za pomocą cytometrii przepływowej z pomiarem fosforylacji (phospho-flow). Linie komórkowe znane z odpowiedzi na badaną cytokinę (w tym przypadku TSLP) są inkubowane z nadsączem komórek zrębu, a następnie poddawane analizie pod kątem indukowanej cytokiną fosforylacji. Po trzecie, myszom wstrzykuje się przetransdukowany ludzki zrąb, a następnie w osoczu myszy co tydzień ocenia się poziom ludzkiej cytokiny za pomocą testu ELISA. Po czwarte, przeszczepia się ludzkie komórki hematopoetyczne i ocenia efekty funkcjonalne ludzkiej cytokiny in vivo na znanym celu (np. populacji komórek).

Rysunek 1: Model PDX zaprojektowany do produkcji egzogennej ludzkiej cytokiny u myszy. (1A) Zaplanowanie eksperymentu i pozyskanie transdukowanych ludzkich komórek zrębu (1B) Pozyskanie ludzkich komórek (hematopoetycznych komórek macierzystych, komórek białaczkowych, itp.) w celu generowania myszy PDX (ksenoprzeszczepu pochodzącego od pacjenta). (2A) Iniekcja zmodyfikowanego zrębu i (2B) przeszczepienie ludzkich komórek do myszy z niedoborem odporności zgodnie z harmonogramem eksperymentalnym. (3A-B) Monitorowanie stężeń cytokin w nadsączu zrębu oraz w osoczu myszy za pomocą testu ELISA. (4) Pozyskanie ludzkich komórek i ocena funkcjonalnych efektów in vivo ludzkiej cytokiny obecnej w PDX. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dostarczanie ludzkich cytokin via komórki zrębu oferuje zarówno zalety, jak i wady w porównaniu z innymi metodami dostarczania/produkcji ludzkich cytokin w myszach PDX.7 W porównaniu z wstrzykiwaniem rekombinowanej ludzkiej cytokiny, dostarczanie za pośrednictwem zrębu jest zazwyczaj mniej kosztowne (koszt hodowli komórek zrębu jest niższy niż koszt rekombinowanej cytokiny) i mniej pracochłonne (jedno wstrzyknięcie na tydzień w przeciwieństwie do wielu wstrzyknięć na tydzień). Problem krótkiego okresu półtrwania cytokiny jest również ograniczony, ponieważ zrąb stale produkuje egzogenną cytokinę. Dostarczanie cytokiny via hydrodynamiczne wstrzykiwanie DNA może być mniej kosztowne niż dostarczanie via zrąb. Jest ono jednak podobnie przejściowe i może wymagać większych umiejętności technicznych niż proste cotygodniowe wstrzyknięcie doszprytnewe wymagane przy dostarczaniu za pośrednictwem zrębu. Lentiwirusowa ekspresja genów u myszy może zapewnić mniej przejściową metodę dostarczania cytokin; jednak w naszych badaniach nie osiągnięto fizjologicznych poziomów TSLP. Dodatkowo metoda ta jest pracochłonna, gdyż wymaga ciągłej produkcji wektora lentiwirusowego. Myszy transgeniczne lub knock-in oferują stabilną, długoterminową ekspresję cytokiny i mogą być modyfikowane w celu uzyskania ekspresji specyficznej dla tkanki, co może być zaletą. Z drugiej strony, transgeniczna ekspresja ludzkiego genu cytokiny na tle myszy z niedoborem odporności, wymaganym dla myszy PDX, wiąże się z ogromnymi nakładami zasobów, zanim wartość modelu zostanie ustalona. Co więcej, modele transgeniczne zazwyczaj nie pozwalają na możliwość zmiany czasu rozpoczęcia podaży cytokiny lub poziomu produkcji cytokiny in vivo. Można to osiągnąć w przypadku dostarczania za pośrednictwem zrębu, po prostu zmieniając punkt czasowy rozpoczęcia wstrzykiwania komórek zrębu lub dawkę wstrzykiwanych komórek zrębu.
Opisana tutaj metoda dostarczania cytokin za pośrednictwem komórek zrębu została wykorzystana do opracowania modelu PDX w celu oceny roli TSLP w prawidłowym rozwoju ludzkich limfocytów B4,6 oraz w ostrej białaczkowej białaczce limfoblastycznej z komórek B wysokiego ryzyka.6 Metoda ta stanowi alternatywny sposób dostarczania cytokin do generowania podobnych modeli z wykorzystaniem innych ludzkich cytokin niż TSLP. Model ten może być również przydatny do uzyskania wstępnych danych, które pomogą określić, czy wartość transgenicznego modelu PDX z cytokiną lub modelu PDX z knock-in cytokiny uzasadniałaby znaczne nakłady czasu i pieniędzy.