Klonowanie
Protokół klonowania nie ogranicza się do plazmidu pAAV.CMV.Luc.IRES.EGFP.SV40 użytego powyżej i może być łatwo zmodyfikowany w zależności od potrzeb doświadczalnych badacza. Wiele plazmidów zawierających ITR jest łatwo dostępnych w sprzedaży online. Na przykład dostępne są plazmidy zawierające zarówno Cas9, jak i miejsce klonowania sgRNA, jednak wymagają one kilku dodatkowych etapów, takich jak hybrydyzacja oligonukleotydów i traktowanie PNK30. Ponadto można znaleźć plazmidy zawierające wielomiejscową sekwencję klonowania (MCS) z samymi ITR, bez wewnętrznych elementów regulacyjnych31. W przypadku użycia innych plazmidów, enzymy restrykcyjne (RE) stosowane do trawienia są zazwyczaj jedynymi elementami, które mogą wymagać zmiany w tym protokole. Ograniczeniem rAAV jest jednak jego ograniczona pojemność ładunku. Ze względu na fizyczne ograniczenia kapsydu, genom wektora nie powinien przekraczać 4,9 kb, wliczając w to ITR.
Podczas izolowania plazmidu z bakterii kluczowe jest użycie zestawu do midiprepu lub maxiprepu o niskiej zawartości endotoksyn lub wolnego od endotoksyn, aby zminimalizować uszkodzenia komórek podczas transfekcji lub transdukcji potrójnym plazmidem. Plazmidy z zestawów do miniprepu często zawierają więcej zanieczyszczeń, mają niższe stężenia i mniejszą ilość DNA superzwiniętego, co może wpłynąć na późniejszą produkcję rAAV, dlatego ich stosowanie nie jest zalecane.
Zrozumienie struktury i właściwości ITR jest kluczowe podczas klonowania. Po pierwsze, przeprowadzenie reakcji PCR przez ITR jest niezwykle trudne. Należy unikać projektów klonowania wymagających amplifikacji PCR przez ITR oraz ograniczyć stosowanie techniki klonowania Gibson assembly. W związku z tym preferowaną metodą klonowania do plazmidów zawierających ITR jest klonowanie z użyciem enzymów restrykcyjnych. Co więcej, niektóre primery do sekwencjonowania metodą Sangera mogą być niekompatybilne, jeśli sekwencjonowany region zawiera ITR. Zamiast tego zaleca się stosowanie primerów, które sekwencjonują w kierunku oddalającym od ITR, w głąb rdzenia genomu wektora, aby uzyskać bardziej precyzyjne wyniki sekwencjonowania. Po drugie, ITR są podatne na delecje, rearanżacje i mutacje podczas transformacji do bakterii w celu amplifikacji plazmidu32,33. Aby zminimalizować te zjawiska, zaleca się stosowanie szczepów bakterii kompetentnych z defektem rekombinacji, takich jak Stbl3, oraz inkubowanie ich w temperaturze 30 °C, aby spowolnić podziały komórkowe. Wreszcie zauważono, że mniejsze kolonie mogą odpowiadać klonom bez rearanżacji lub delecji, ponieważ te pozbawione ITR mogą wykazywać przewagę wzrostu i być większe. Dlatego zaleca się wybieranie małych kolonii.
Produkcja wektora
Na pomyślną produkcję wektora rAAV może wpływać wiele czynników. Jednym z krytycznych elementów jest stan zdrowia komórek HEK293 lub 293T wykorzystywanych do transfekcji. Zazwyczaj idealne są niskie numery pasaży, ponieważ komórki o wysokim numerze pasażu mogą wykazywać zmienność genotypową i fenotypową, co może prowadzić do obniżenia mian rAAV. Ponadto, dla efektywnej produkcji gęstość wysianych komórek powinna wynosić 75%-90% konfluencji. Rzadki zasiew komórek skutkuje niską wydajnością wektora, ponieważ dostępna jest mniejsza liczba komórek zdolnych do jego produkcji, natomiast komórki przerośnięte nie zostaną efektywnie transfektowane.
Różnice między partiami odczynników, zapasami komórek oraz ogólna zmienność między laboratoriami wpływają na różnice w wydajności transfekcji i mianie produktu. Jednym z czynników podlegających optymalizacji, który może prowadzić do poprawy miana, jest stosunek plazmidu do PEI w reakcjach transfekcji. Krytyczne jest stosowanie świeżego (wiek <1 miesiąca) PEI MAX. Zaleca się, aby jako punkt wyjścia zastosować stosunek plazmidu do PEI wynoszący 1:1, a w przypadku niskiej wydajności transfekcji lub transdukcji, przetestować kilka różnych stosunków. Optymalizacja miana jest najłatwiejsza przy użyciu transgenu z odczytem wizualnym, takiego jak użyty tutaj jako materiał wyjściowy do klonowania transgen reporterowy CMV.Luc.IRES.EGFP. Aby przeprowadzić optymalizację, należy wykonać krok 3 protokołu, używając płytki 12-dołkowej i zmniejszając dwukrotnie masę plazmidu oraz objętość odczynników (końcowa masa plazmidu wynosi 2,6 µg). Należy odpowiednio dostosować objętość PEI tak, aby odpowiadała stosunkom w zakresie od 1:0,75 do 1:3, z przyrostem o 0,25 (Rycina 6). Po 15 min każdą reakcję należy rozcieńczyć 950 µL pożywki SF. Dla wygody można przygotować master mix zawierający trzy plazmidy i zapipetować go do probówek 1,5 mL przed dodaniem PEI – patrz Plik uzupełniający 2. Należy zebrać wektor, przeprowadzić transdukcję wybranych komórek i wykonać obrazowanie. Dołek z najwyższą wydajnością transdukcji (odsetek komórek GFP+) odpowiada najwyższemu mianu i najbardziej optymalnemu stosunkowi PEI:DNA.

Rysunek 6: Schemat optymalizacji PEI. Schemat kroków wymaganych do optymalizacji PEI. Testowane są różne proporcje plazmidu do PEI w celu wyznaczenia stosunku optymalnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Uwagi dotyczące zbioru i miareczkowania
Technika zamrażania i rozmrażania stosowana do zbioru wektora rAAV skutecznie lizuje komórki HEK293 w sposób umożliwiający bezpośrednie wykorzystanie klarownego lizatu do transdukcji hodowlanych komórek. Niektóre serotypy rAAV, takie jak AAV1, AAV8 i AAV9, są uwalniane z komórek podczas produkcji wektora i mogą być zbierane z pożywki hodowlanej bez cykli zamrażania i rozmrażania34. Metoda opisana w niniejszej procedurze zazwyczaj daje miana rzędu 1 x 1010 VG/mL przy użyciu kapsydów AAV2 oraz 1 x 1011 VG/mL dla AAV8. Chociaż wyższe miana można osiągnąć poprzez lizę detergentową lub inną lizę chemiczną, są one szkodliwe dla komórek w dalszych etapach wykorzystania i wymagają dodatkowego oczyszczania rAAV z lizatu. Niższe miano jest jednym z kompromisów, które badacz powinien rozważyć, określając, czy preparaty surowe są odpowiednie do jego potrzeb badawczych; jednak nieznacznie niższe miana uzyskiwane metodami opisanymi tutaj mogą bardzo dobrze transdukować wiele typów komórek (patrz wyniki reprezentatywne). Oprócz wydajności transfekcji i stanu zdrowia komórek, miana wektora różnią się w zależności od kapsydu użytego podczas produkcji rAAV oraz wielkości i sekwencji transgenu wewnątrz VG35.
Podczas pozyskiwania surowych preparatów wektorów może występować plazmidowe DNA użyte podczas transfekcji potrójnej, co w rzadkich przypadkach może prowadzić do wtórnej transfekcji w trakcie transdukcji. Co więcej, nieopakowane VGs mogą wiązać się z zewnętrzną stroną kapsydów i wywoływać wrodzoną odpowiedź immunologiczną na nagie i obce jednoniciowe DNA36,37. W związku z tym w przypadku wrażliwych typów komórek preparaty wektorów mogą wymagać trawienia DNazą i oczyszczania w celu usunięcia nieopakowanych VGs oraz plazmidów.
Jeśli chce się obliczyć miano surowego preparatu, można przeprowadzić qPCR w celu określenia liczby zapakowanych VG wewnątrz cząstek odpornych na DNazę (DRP). W skrócie, niewielką ilość surowego preparatu poddaje się trawieniu DNazą, aby usunąć DNA plazmidowe, zanieczyszczające kwasy nukleinowe lub częściowo zapakowane VG. Następnie próbkę poddaje się qPCR i kwantyfikuje chronione VG wewnątrz DRP, co pozwala uzyskać miano wyrażone w jednostkach genomu wektora na mL surowego preparatu38. Nie zaleca się przeprowadzania miareczkowania wektora za pomocą testów opartych na metodzie ELISA, które kwantyfikują miana kapsydów. W porównaniu z wirusem AAV typu dzikiego, rAAV charakteryzuje się obecnością pewnej proporcji kapsydów pustych i częściowo zapakowanych39. Test ELISA skwantyfikuje wszystkie kapsydy niezależnie od zawartości genomu i zawyży liczbę jednostek transdukcyjnych obecnych w preparacie, które wymagają zapakowanego VG.
Uwagi dotyczące transdukcji
Wiele czynników wpływa na transdukcję rAAV, dlatego przy każdym nowym eksperymencie należy odpowiednio je rozważyć. W zależności od promotora sterującego ekspresją transgenu, początek ekspresji może nastąpić już 4 h po transdukcji (hpt), a szczyt ekspresji jest zazwyczaj osiągany do 48 hpt. Ważne jest, aby wziąć pod uwagę czas od początkowego wysiewu komórek do punktu końcowego eksperymentu. Pozwala to oszacować początkowy stopień konfluencji komórek i upewnić się, że nie zrosną się one zbyt gęsto do końca badania. W przypadku zbyt wysokiej konfluencji zachowanie komórek może ulec zmianie z powodu odpowiedzi stresowej, co może zafałszować wyniki eksperymentu. Niektóre typy komórek, takie jak U2-OS, dość dobrze tolerują nadmierny wzrost/hamowanie kontaktowe. Dodatkowo mogą one wytrzymać długie okresy (48 h+) w bezsurowiczym medium warunkującym – produkcie niniejszego protokołu produkcji. Jednak wrażliwe typy komórek mogą wymagać dodania surowicy lub rozcieńczenia surowego preparatu specjalną pożywką wzrostową w celu utrzymania ich żywotności podczas transdukcji. Nieznacznie obniżona wydajność transdukcji przy użyciu pożywek zawierających surowicę jest potencjalnym kompromisem w celu zachowania stanu zdrowia komórek i powinna być rozważona przez badacza.
Zazwyczaj w przypadku szybko dzielących się komórek, optymalna początkowa konfluencja wynosi około 50% dla zastosowań, które zostaną zakończone 48 hpt. Niemniej jednak konfluencję można odpowiednio dostosować w zależności od potrzeb eksperymentu. Nie zaleca się transdukcji unieśmiertelnionych linii komórkowych typu monowarstwy przy konfluencji przekraczającej 75% ze względu na obniżoną wydajność transdukcji. Większość hodowanych typów komórek zostaje pomyślnie transdukowana i pozostaje zdrowa po nocnej inkubacji z surowymi preparatami rAAV, a następnie po zmianie na świeże medium zawierające surowicę następnego ranka.
Serotyp kapsydu jest istotnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas produkcji rAAV w celu transdukcji komórki docelowej, ponieważ kapsyd jest głównym determinantem tropizmu komórkowego i późniejszej ekspresji transgenu13. AAV2 jest szeroko stosowanym serotypem ze względu na jego zdolność do efektywnej transdukcji wielu typów komórek hodowlanych12. Właściwość ta AAV2 może być przypisana proteoglikanom siarczanu heparanu (HSPGs), które służą jako główny czynnik przylegania dla AAV2, oraz wysokim poziomom HSPGs w komórkach hodowlanych wynikającym z adaptacji do wzrostu in vitro40. Inne kapsydy, takie jak AAV9, są mniej skuteczne w transdukcji szerokiego spektrum typów komórek, co można wyjaśnić ich zależnością od czynników przylegania, które nie są ekspresjonowane w takich warunkach41. Dlatego rekomendujemy AAV2 jako kapsyd pierwszego wyboru w komórkach hodowlanych, jeśli wybrana komórka docelowa nie była wcześniej testowana z rAAV w literaturze.
Należy pamiętać, że głównym ograniczeniem surowych preparatów wektorów jest fakt, iż nie nadają się one do transdukcji modeli zwierzęcych. Badania in vivo wymagają oczyszczenia preparatów oraz przeprowadzenia oceny ich jakości.
Ekspresja transgenu i kwestie potencjalnej integracji
rAAV nie prowadzą w sposób niezawodny do permanentnej ekspresji transgenu. Z czasem genomy wirusowe (VG) mogą ulec wyciszeniu, a ekspresja transgeniczna może zostać zahamowana po kilku pasażach42. Ponadto większość VG pozostaje w formie episomalnej, a rAAV nie zawierają wirusowych białek Rep, które pośredniczyłyby w częstej integracji z genomem gospodarza, jak ma to miejsce w lizogennej infekcji wirusa typu dzikiego, ani nie promowałyby replikacji VG43. W konsekwencji episomy w transdukowanych komórkach będą z czasem rozcieńczane w komórkach potomnych w wyniku podziałów.
Integracja na poziomie podstawowym jest możliwa dla całego dostarczonego transgenicznego materiału DNA. Jednakże wektory genomowe (VG) zawierające sekwencje ITR wykazują tendencję do integracji z wyższą częstotliwością44. W związku z tym w niewielkiej podgrupie komórek może zostać zaobserwowana trwała ekspresja transgenu. Użytkownicy powinni wziąć pod uwagę tę możliwość, szczególnie podczas stosowania rAAV do dostarczania enzymów tnących DNA, takich jak Cas9, ponieważ pęknięcia dwuniciowe mogą prowadzić do jeszcze większej częstotliwości integracji i trwałej ekspresji45. Choć czyni to rAAV dobrym kandydatem do dostarczania matryc do naprawy sterowanej homologią w celu znakowania endogennego lub dodawania genów, należy rozważyć możliwość insercji Cas919,46.