Summary
Komplexe menschliche Krankheiten können in traditionellen Labormodellsystemen eine Herausforderung darstellen. Hier beschreiben wir einen chirurgischen Ansatz zur Modellierung menschlicher Muskelerkrankungen durch die Transplantation menschlicher Skelettmuskelbiopsien in immundefizienten Mäusen.
Abstract
Behandlungseffekte, die in Tierstudien beobachtet werden, lassen sich in klinischen Studien oft nicht rekapitulieren. Obwohl dieses Problem vielschichtigen Probleme hat, ist ein Grund für diesen Ausfall die Verwendung unzureichender Labormodelle. Es ist eine Herausforderung, komplexe menschliche Krankheiten in traditionellen Labororganismen zu modellieren, aber dieses Problem kann durch das Studium menschlicher Xenografts umgangen werden. Die chirurgische Methode, die wir hier beschreiben, ermöglicht die Schaffung von menschlichen Skelettmuskel-Xenografts, die verwendet werden können, um Muskelerkrankungen zu modellieren und präklinische therapeutische Tests durchzuführen. Im Rahmen eines von einem Institutional Review Board (IRB) zugelassenen Protokolls werden Skelettmuskelproben von Patienten erworben und dann in NOD-Rag1nullIL2r-null (NRG) Wirtsmäuse transplantiert. Diese Mäuse sind ideale Wirte für Transplantationsstudien aufgrund ihrer Unfähigkeit, reife Lymphozyten herzustellen und sind daher nicht in der Lage, zellvermittelte und humoral adaptive Immunantworten zu entwickeln. Wirtsmäuse werden mit Isofluran betäuht, und die Maus tibialis anterior und extensor digitorum longus Muskeln werden entfernt. Ein Stück menschlicher Muskeln wird dann in das leere Tibialfach gelegt und an die proximalen und distalen Sehnen des Peroneus longus Muskels vernässt. Der xenotransplantierte Muskel wird vom Mauswirt spontan vaskularisiert und innerviert, was zu robust regenerierten menschlichen Muskeln führt, die als Modell für präklinische Studien dienen können.
Introduction
Es wurde berichtet, dass nur 13,8% aller Arzneimittelentwicklungsprogramme, die sich in klinischen Studien befinden, erfolgreich sind und zu zugelassenen Therapien führen1. Während diese Erfolgsquote höher ist als die zuvor gemeldeten 10,4%2, gibt es noch erheblichen Raum für Verbesserungen. Ein Ansatz zur Steigerung der Erfolgsrate klinischer Studien besteht darin, Labormodelle zu verbessern, die in der präklinischen Forschung verwendet werden. Die Food and Drug Administration (FDA) verlangt, dass Tierstudien die Wirksamkeit der Behandlung nachweisen und die Toxizität vor klinischen Phase-1-Studien bewerten. Allerdings gibt es oft eine begrenzte Übereinstimmung in den Behandlungsergebnissen zwischen Tierstudien und klinischen Studien3. Darüber hinaus kann die Notwendigkeit präklinischer Tierstudien ein unüberwindbares Hindernis für die therapeutische Entwicklung bei Krankheiten sein, bei denen kein akzeptiertes Tiermodell gilt, was häufig bei seltenen oder sporadischen Krankheiten der Fall ist.
Eine Möglichkeit, menschliche Krankheiten zu modellieren, besteht darin, menschliches Gewebe in immundefizizizizizizizizizizide Mäuse zu transplantieren, um Xenografts zu erzeugen. Xenograft-Modelle haben drei wesentliche Vorteile: Erstens können sie die komplexen genetischen und epigenetischen Anomalien rekapitulieren, die bei menschlichen Krankheiten existieren und in anderen Tiermodellen möglicherweise nie reproduzierbar sind. Zweitens können Xenografts verwendet werden, um seltene oder sporadische Krankheiten zu modellieren, wenn Patientenproben verfügbar sind. Drittens modellieren Xenografts die Krankheit innerhalb eines vollständigen In-vivo-Systems. Aus diesen Gründen gehen wir davon aus, dass die Wirksamkeit der Behandlung zu Xenograft-Modellen führt, die eher zu Studien bei Patienten führen. Humantumor Xenografts wurden bereits erfolgreich verwendet, um Behandlungen für häufige Krebsarten zu entwickeln, einschließlich multiples Myelom, sowie personalisierte Therapien für einzelne Patienten4,5,6, 7.
In letzter Zeit wurden Xenografts verwendet, um ein Modell der menschlichen Muskelerkrankung zu entwickeln8. In diesem Modell werden menschliche Muskelbiopsieproben in die Hinterbeine immundefizien NRG-Mäuse transplantiert, um Xenografts zu bilden. Die transplantierten menschlichen Myofiber sterben, aber menschliche Muskelstammzellen, die im Xenograft vorhanden sind, dehnen sich anschließend aus und differenzieren sich in neue menschliche Myofiber, die die transplantierte menschliche Basallamina wieder bevölkern. Daher sind die regenerierten Myofiber in diesen Xenografts vollständig menschlich und werden spontan revaskularisiert und vom Mauswirt innerviert. Wichtig ist, fascioscapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD) Patienten Muskelgewebe in Mäuse transplantiert rekapituliert Schlüsselmerkmale der menschlichen Krankheit, nämlich Expression der DUX4 Transkriptionsfaktor8. FSHD wird durch Überexpression von DUX4 verursacht, das im normalen Muskelgewebe epigenetisch zum Schweigen gebracht wird9,10. Im FSHD Xenograft Modell hat sich gezeigt, dass die Behandlung mit einem DUX4-spezifischen Morpholino die DUX4-Expression und -Funktion erfolgreich reprimieren und eine mögliche therapeutische Option für FSHD-Patienten sein kann11. Diese Ergebnisse zeigen, dass menschliche Muskelxenografts ein neuer Ansatz sind, um menschliche Muskelerkrankungen zu modellieren und potenzielle Therapien bei Mäusen zu testen. Hier beschreiben wir detailliert die chirurgische Methode zur Schaffung menschlicher Skelettmuskel-Xenografts bei immundefizienten Mäusen.
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Protocol
Alle Verwendung von Forschungsproben von menschlichen Probanden wurde vom Johns Hopkins Institutional Review Board (IRB) genehmigt, um die Rechte und das Wohlergehen der Teilnehmer zu schützen. Alle Tierversuche wurden vom Johns Hopkins University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) in Übereinstimmung mit dem National Institutes of Health (NIH) Guide for the Care and Use of Laboratory Animals genehmigt. Männliche NOD-Rag1nullIL2r-null (NRG) Wirtsmäuse (8-12 Wochen alt) werden verwendet, um Xenograft-Experimente durchzuführen. Diese Mäuse sind in belüfteten Regalen untergebracht und erhalten HEPA-gefilterte, temperierte und befeuchtete Luft sowie umgedrehtes Osmosegefiltertes hyperchloriertes Wasser. Mäuse werden mit Wasser und einer bestrahlten antibiotischen Diät (Tabelle der Materialien) ad libitum versorgt, und die Anlage bietet 14 h Licht bis 10 h Dunkelheit, wie durch den zentralen Timer gesteuert.
1. Gerätevorbereitung
- Erwerben Sie NOD-Rag1nullIL2r-null (NRG) Mäuse, 8-12 Wochen alt.
- Autoklavchirurgische Ausrüstung: Schere, Zange, Nadelhalter, chirurgische Hefter (Tisch der Materialien), Wundclips, chirurgische Tücher ( Tisch derMaterialien), und Becher (Abbildung 1A).
- Bereiten Sie 50 ml Muskelmedien (20% fetales Rinderserum, 2% Küken-Embryo-Extrakt, 1% Antimykotik um 1% in Hams F10 Medium) vor. Halten Sie alle Chemikalien/Medikamente/Lösungen, die für die Operation verwendet werden, bei Raumtemperatur, es sei denn, dies wird im Protokoll anders angegeben.
- Bereiten Sie eine 1 ml Spritze mit einer 26 G Nadel, die 3/8 Zoll lang ist, enthält 2 mg/ml Schmerz (Tabelle der Materialien), und legen Sie auf Eis. Das Schmerzmittel kann mit steriler Phosphatgepufferte Saline (PBS) auf die richtige Konzentration verdünnt werden.
2. Chirurgische Vorbereitung
- Erhalten Sie eine menschliche Muskelbiopsie im Rahmen eines IRB-zugelassenen Protokolls von Patienten, deren Muskeln Stärke aufweisen > 4-/5 auf der MRC-Skala (Medical Research Council)Skala 12. Legen Sie die Forschungsprobe in eine 100 mm x 15 mm Petrischale mit Muskelmedien.
HINWEIS: Die MRC-Skala wird in der klinischen Praxis als Beurteilung der Muskelkraft verwendet, wobei 0 keine Kontraktion zeigt, 5 mit normaler Leistung und 4 (4- bis 4+) Bewegung gegen Widerstand12. Wir haben festgestellt, dass Muskeln mit leichter bis mäßiger Schwäche (MRC > 4-/5) typischerweise Krankheitspathologie zeigen, aber nicht ausgiebig durch Fettgewebe oder Fibrose ersetzt werden, die beide die Xenograft-Regeneration behindern. Im Falle von Autopsiegewebe, bei dem kein aktueller MRC-Score verfügbar ist, kann über grobe Beobachtung auf die Muskelqualität zugegriffen werden. Muskelbiopsien, die blass rosa aussehen oder große Bereiche von Fettgewebe haben, sind wahrscheinlich nicht xenograft erfolgreich. - Entfernen Sie alle verbleibenden Faszien oder Fettgewebe aus der Probe mit chirurgischer Schere mit einem Stereomikroskop und Lichtquelle, um die Visualisierung zu unterstützen.
- Sezieren Sie die Muskelbiopsie mit einer chirurgischen Schere mit einer chirurgischen Schere mit einer Lichtquelle in ca. 7 mm x 3 mm x 3 mm Stücke. Stellen Sie sicher, dass die Fasern längs innerhalb der Probe angeordnet sind.
- Legen Sie die Petrischale mit seziertem Muskel auf Eis. Im Durchschnitt werden die Xenografts während der Operationen 4 Stunden lang in den Medien aufbewahrt. Biopsien wurden jedoch 24 Stunden lang vor der Xenografting in Medien gelagert, und diese Verzögerung schien sich nicht negativ auf die Transplantation oder Regeneration auszuwirken.
- Synthetische, nicht resorbierbare Nähte (Materialtabelle) in eine 100 mm x 15 mm Petrischale mit 70 % Ethanol geben.
- Richten Sie einen Dual-Prozedur-Anästhesiekreis ein: Richten Sie den Mapleson E-Atemkreis auf dem Stereomikroskop an und legen Sie die Induktionskammer in einen Biosicherheitsschrank (Abbildung 1A,B).
- Erhalten Sie das Gewicht der NRG-Maus, indem Sie in einem autoklavierten Becher auf einer Skala platzieren und in die Induktionskammer übertragen. Induzieren Anästhesie unter 3% Isofluran. Sobald die entsprechende Anästhesietiefe erreicht ist – gemessen anhand der Beobachtung der Atemfrequenz, Muskelentspannung und mangelnder freiwilliger Bewegung – reduzieren Sie die Verdampfereinstellung für den Rest der Operation auf 1,5%.
- Übertragen Sie die Maus von der Induktionskammer auf den Mapleson E Atemkreis und tragen Sie die ophthalmologische Salbe auf die Augen auf.
- Entfernen Sie die Haare, die das tibialis anterior (TA) von Knöchel zu Knie mit einem Trimmer überlagern, gefolgt von einer 1 min Behandlung mit Haarentfernungslotion (Tabelle der Materialien) ( Abbildung2A).
- Desinfizieren Sie die chirurgische Stelle, indem Sie das Bein mit Povidon-Jod-Lösung abwischen. Dann das restliche Povidon-Jod mit 70% Ethanol wegwaschen.
- Injizieren Sie die Maus subkutan mit Analgetika, wie Carprofen, (Tabelle der Materialien) in einer Dosis von 5 mg/kg.
3. Xenograft Chirurgie
- Verjüngen Sie das Bein und machen Sie einen geraden Schnitt über den tibilalis anterioren (TA) Muskel mit Schere und Iriszange, die an den distalen Sehnen entsteht und unterhalb des Knies endet (Abbildung 2B).
- Trennen Sie die Haut von der Muskulatur mit stumpfer Sezierung mit chirurgischer Schere.
- Schneiden Sie das Epimysium des TA-Muskels mit einer Schere ab der Sehne und endend am Knie.
HINWEIS: Dies ist ein sehr oberflächlicher Schnitt (weniger als 0,5 mm; Abbildung 2B, schwarze gestrichelte Linie) und die zugrunde liegende TA sollten dabei nicht beschädigt werden, da dies die Entfernung schwieriger machen würde. Bei richtiger Leistung entspannen sich die Muskelfasern sichtbar. - Schneiden Sie die distale Sehne der TA mit einer Schere, greifen Sie die Sehne mit Iriszange, und ziehen Sie die TA in Richtung Knie (Abbildung 2C).
- Schneiden Sie die distale Sehne des Extensor digitorum longus (EDL) mit einer Schere und ziehen Sie die EDL in Richtung Knie (Abbildung 2D). Sobald die proximale Sehne des Peroneus longus (PL) Muskels sichtbar ist, entfernen Sie die EDL mit der Schere (Abbildung 2D, grün gestrichelte Linie).
- Entfernen Sie die TA mit der Schere(Abbildung 2D, blaue gestrichelte Linie) und verwenden Sie ein chirurgisches Tuch mit PBS und leichtem Druck, um Hämostase zu erreichen (Abbildung 2E).
- Fädeln Sie eine Naht durch proximalen Peroneus longus (PL) Sehne und Trimmen, so dass etwa 1,5 Zoll Faden auf beiden Seiten der Sehne (Abbildung 2F).
- Führen Sie die erste Hälfte eines zweihändigen chirurgischen quadratischen Knotens durch, aber ziehen Sie sich nicht fest: dies wird einen Kreis bilden. Legen Sie einen Xenograft in diesen Kreis und ziehen Sie die Schleife fest, um das Xenograft zu sichern. Vervollständigen Sie die andere Hälfte des quadratischen Knotens (Abbildung 2G,H). Dadurch wird das Xenograft an die proximale Sehne der PL anähnet.
- Fadennaht durch distale PL-Sehne und wiederholen Sie die quadratische Knotentechnik von Schritt 3.8, um das Xenograft an die distale Sehne zu binden (Abbildung 2H,I).
HINWEIS: Die mediale Tarsalarterie und Vene kann in der Nähe oder auf der distalen Sehne der PL liegen. Stellen Sie keine Nähte durch oder um diese Gefäße. Es ist leicht zu erkennen, ob eine Naht unsachgemäß platziert wurde, da Gefäße blanchieren oder bluten. Entfernen Sie in diesem Fall die Naht und platzieren Sie sie an einer anderen Stelle. - Ziehen Sie die Haut über den xenotransplantierten Muskel, versiegeln Sie ihn mit chirurgischem Kleber und legen Sie 2-3 chirurgische Klammern über den Schnitt (Abbildung 2J).
- Legen Sie die Maus in einen sauberen Käfig auf einem beheizten Pad, um sich zu erholen. Überwachen Sie die Maus bis zum vollständigen Bewusstsein und periodisch in den nächsten Tagen auf Anzeichen einer lokalen systemischen Infektion und um sicherzustellen, dass die chirurgische Stelle nicht wieder geöffnet wird.
HINWEIS: Eine Einzeldosis Analgetika, wie in Schritt 2.11 beschrieben, ist in der Regel ausreichend zur Schmerzlinderung. Die Mäuse sollten jedoch auch auf anhaltende Schmerzen (z. B. Lahmheit, Rüschenkittel, geknickte Körperhaltung) überwacht und bei Bedarf postoperativ mit Schmerzmittel n. 24 h redosiert werden.
4. Xenograft Sammlung
HINWEIS: Xenografts werden in der Regel zwischen 4 bis 6 Monate nach der Operation gesammelt. Jedoch, Sammlungen wurden bis zu 12 Monate nach der Operation durchgeführt.
- Legen Sie einen überdachten Becher mit 200 ml 2-Methylbutan in eine Box mit Trockeneis für mindestens 30 min vor der Xenograft-Sammlung.
- Induzieren Anästhesie unter 3% Isofluran in in der Induktionskammer. Sobald die entsprechende Anästhesietiefe erreicht ist, reduzieren Sie die Verdampfereinstellung für den Rest der Operation auf 1,5%.
- Übertragen Sie die Maus aus der Induktionskammer auf den Mapleson E Atemkreis, der auf einem Stereomikroskop angeordnet ist.
- Entfernen Sie das Haar, das das tibialis vordere Haar von Knöchel zu Knie mit einem Trimmer und Haarentfernungslotion überlagert. Die Nähte, die das Xenograft an Ort und Stelle halten, können durch die Haut gesehen werden (Abbildung 3A).
- Verjüngen Sie das Bein herunter und verwenden Sie Scheren und Iriszangen, um die Haut über dem Xenograft zu öffnen, bis beide Nähte sichtbar sind (Abbildung 3B). Die Überlagerung der Xenograft kann entfernt werden, wie gezeigt, um die Entfernung des Xenograft szuen der Xenograft zu erleichtern.
- Verwenden Sie ein Skalpell zwischen dem Xenograft und der Tibia zu schneiden(Abbildung 3B, Pfeil bezeichnet anfangsstelle und Richtung des Einschnitts). Dadurch wird eine Seite des Xenografts frei.
- Verwenden Sie ein Skalpell zwischen dem PL-Muskel und dem Magen-Darm-Muskel zu schneiden(Abbildung 3C, incision entlang Epimysium mit Pfeil beschriftet). Die PL wird mit dem Xenograft entfernt.
- Unter die distale Naht und durch die distale Sehne der PL schneiden (Abbildung 3D, entlang gepunkteter Linie geschnitten).
- Entfernen Sie die Xenograft und PL, indem Sie die Naht mit Iriszange greifen und sie in Richtung Knie ablenken, während Sie eine Schere verwenden, um sie vom darunter liegenden Muskel wegzuschneiden (Abbildung 3E).
- Schneiden Sie über die proximale Naht mit der Schere, um die Xenograft und PL zu entfernen (Abbildung 3F, entlang gepunkteter Linie in 3Egeschnitten ).
- Legen Sie das Exemplar auf ein kleines Stück Pappe oder Kunststoff und heften Sie so nah wie möglich an den Nähten. Dehnen Sie den Muskel beim Anheften der Probe vorsichtig, um sicherzustellen, dass die Faserausrichtung während des Schnappgefriervorgangs beibehalten wird. Nachdem die Stifte sicher an Ort und Stelle sind, schieben Sie den Muskel nach oben die Stifte, so dass es nur über dem Karton ruht.
HINWEIS: Alternativ kann ein Ende des Xenografts in Tragacanth auf einem Kork montiert werden, oder es kann vollständig in optimale Schnitttemperatur (O.C.T.) Verbindung in einem Kryomold untergetaucht werden. Mit Vorsicht kann die Muskelkonformation mit beiden Methoden erhalten bleiben. - Fangen Sie das Xenograft in vorgekühltem 2-Methylbutan ein.
- Xenograft bei -80 °C lagern.
- Unmittelbar nach der Xenograft-Sammlung, einschläfern Mäuse in Übereinstimmung mit American Veterinary Medical Association Richtlinien:
- Platzieren Sie Mäuse in einer versiegelten Kammer mit einem geeigneten Abgas-Aufräumsystem. Verwenden Sie Isofluran in einer Konzentration von 3-4%, um Anästhesie zu induzieren.
- Sobald die entsprechende Anästhesietiefe erreicht ist – gemessen anhand der Beobachtung der Atemfrequenz, Muskelentspannung und mangelnder freiwilliger Bewegung – erhöhen Sie die Verdampfereinstellung auf 5%, um den Tod zu induzieren. Lassen Sie die Mäuse in der Kammer für weitere 2 min nach dem Atmen beendet. Der Tod wird durch die Beobachtung bestätigt, dass sich die Mäuse nicht innerhalb von 10 min nach einer Überdosis Isofluran erholen.
- Schließlich führen Sie zervikale Dislokation an den Mäusen durch.
HINWEIS: Bei bilateral xenografierten Mäusen kann das kontralaterale Xenograft für eine spätere Sammlung gespeichert werden. Um eine Überlebenssammlung durchzuführen, öffnen Sie die Haut über dem Xenograft mit einem einzigen geraden Schnitt mit chirurgischer Schere, und entfernen Sie das Xenograft, wie in den Schritten 4.6 bis 4.10 beschrieben. Dann schließen Sie die Haut über dem leeren Tibialfach mit chirurgischem Kleber und Heftklammern. Behandeln Sie die Maus mit Schmerzmittel, wie in Schritt 2.11 beschrieben und legen Sie die Maus in sauberen Käfig auf beheizten Pad zu erholen. Überwachen Sie die Maus bis zum vollständigen Bewusstsein und periodisch in den nächsten Tagen auf Anzeichen einer lokalen systemischen Infektion und um sicherzustellen, dass die chirurgische Stelle nicht wieder geöffnet wird.
5. Xenograft Immunhistochemie
- Verwenden Sie einen Kryostat, um 10 bis 12 m Abschnitte aus dem gesammelten Xenograft auf positiv geladene Dias zu schneiden (Tabelle der Materialien).
- Färbeglas mit Methanol füllen und bei -20 °C 30 min vorkühlen lassen.
- Legen Sie Dias in eiskaltem Methanol für 10 min, um die Xenograft-Abschnitte zu fixieren und zu durchdringen.
- Dias in Färbeglasungsglas legen und 3x mit Phosphatgepufferter Saline (PBS) für 5 min waschen.
- Block mit Anti-Maus IgG (Materialtabelle) für 2 h bei 4 °C.
- Blot mit primären Antikörpern, wie Spektrin, Lamin A/C, und embryonales Myosin (Materialtabelle) in PBS, ergänzt mit 2% Ziegenserum über Nacht bei 4 °C.
- Dias in ein Färbeglaschen geben und 3x mit Phosphatgepufferter Saline (PBS) 5 min waschen.
- Blot mit fluoreszierenden-dye konjugierten sekundären Antikörpern (Tabelle der Materialien) in PBS ergänzt mit 2% Ziegenserum für 1 h bei Raumtemperatur.
- Dias in Färbeglasungsglas legen und 3x mit Phosphatgepufferter Saline (PBS) für 5 min waschen.
- Legen Sie Montagemedium (Materialtabelle) über Xenografts Abschnitte, legen Sie Deckelrutsch auf der Oberseite, und verwenden Sie Nagellack, um den Coverslip zu versiegeln.
Abbildung 2: Xenograft-Chirurgie. (A) Das Haar wird von der chirurgischen Stelle entfernt. (B) Ein Schnitt erfolgt über das tibialis anterior (TA). Die distalen Sehnen der TA und des Extensor digitorum longus (EDL) sind mit Pfeilen gekennzeichnet. Die schwarze gestrichelte Linie zeigt an, wo das Epimysium in Schritt 3.3 geschnitten wird. (C) Die distale Sehne der TA wird geschnitten und der Muskel bis zum Knie gezogen. (D) Die Sehne der EDL wird geschnitten und die EDL bis zum Knie gezogen. Dadurch wird die proximale Sehne des peroneus longus (PL) mit einem Pfeil markiert. Gestrichelte Linien zeigen an, wo mit einer Schere geschnitten werden soll, um die EDL (grün) und PL (blau) zu entfernen. (E) Die EDL und TA werden entfernt. (F) Eine Naht wird durch die proximale Sehne der PL gelegt. (G) Das Xenograft wird im leeren Tibialfach platziert und mit einem zweihändigen chirurgischen quadratischen Knoten an die proximale PL-Sehne vernäht. (H) Eine Naht wird durch die distale Sehne der PL gelegt, mit einem Pfeil markiert, und ein weiterer zweihändiger chirurgischer quadratischer Knoten wird verwendet, um das Xenograft an die distale Sehne zu vernäht. (I) Das Xenograft ist vollständig transplantiert und an die PL vernäht. (J) Die Haut wird mit chirurgischem Kleber verschlossen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: 4 Monate Xenograft-Sammlung. (A) Das Haar wird von der chirurgischen Stelle entfernt. Nähte sind unter der Haut sichtbar. (B) Die Überhaut des Xenografts wird entfernt. Dann wird der Xenograft mit den Iriszangen an der Distalnaht gepackt und sanft nach oben gezogen. Beginnend am Knöchel wird ein Skalpell verwendet, um entlang der Tibia zu schneiden und das Xenograft zu befreien. Der Pfeil zeigt den Beginn des Einschnitts entlang der Tibia. (C) Durch Das Ziehen des Gastrocnemius-Muskels zur Seite wird eine schwache weiße Linie von Epimysium sichtbar, die den Peroneus longus (PL) Muskel und den Gastrocnemius (durch den Pfeil dargestellt) trennt. Verwenden Sie das Skalpell entlang dieser Linie zu schneiden, um die PL von den anderen Beinmuskeln zu trennen. (D) Die rechte Seite des Xenograft, und die PL sind jetzt frei von den anderen Muskeln im Bein und sind bereit für die Entfernung. Die gestrichelte Linie zeigt an, wo mit einer chirurgischen Schere zu schneiden, um das Entfernen der Xenograft und PL. (E) Nach dem Schneiden unter der distalen Naht, lenken Sie die Xenograft in Richtung knie. Die gestrichelte Linie zeigt an, wo mit einer chirurgischen Schere geschnitten werden soll, um das Xenograft und PL aus dem Tibialfach zu entfernen. (F) Das leere Tibialfach mit dem Xenograft und PL wurde erfolgreich entfernt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Representative Results
Wie von Yuanfan Zhang et al. gezeigt, ist dieses chirurgische Protokoll eine einfache Methode, um menschliche Skelettmuskel Xenografts zu produzieren8. Regenerierte Xenografts werden spontan innerviert und zeigen funktionale Kontraktilität. Darüber hinaus rekapituliert Muskelxenografted von FSHD-Patienten Veränderungen in der Genexpression, die bei FSHD-Patienten beobachtet wurden8.
Nach unserer Erfahrung zeigen ca. 7 von 8 Xenografts, die aus Kontrollpatientenproben durchgeführt werden, eine erfolgreiche Muskeltransplantation. Ein erfolgreiches Xenograft zeigt eine robuste Regeneration menschlicher Myofiber, die mit humanspezifischen Antikörpern identifiziert sind (Abbildung 4). Positive embryonale Myosinfärbung innerhalb eines Anteils von Myofibers deutet darauf hin, dass der Regenerationsprozess noch im Gange ist. Im Gegensatz dazu kann eine schlechte Operationstechnik oder eine unzureichende Probe zu einer schlechten Regeneration der Muskelfasern führen (Abbildung 4).
Xenografts, die von einem Patienten durchgeführt wurden, bei dem eine idiopathische entzündliche Myopathie (IIM) diagnostiziert wurde, zeigen eine moderate Anzahl regenerierter menschlicher Myofiber bei 4- und 6-monatigen Sammlungen, und die embryonale Myosinfärbung bleibt bei 6 Monaten an(Abbildung 5A). Entzündliche Zellen sind im Xenograft vorhanden, wie in H&E-Färbung gezeigt (Abbildung 5A), und wurden mit CD3, CD68 und anderen immunologischen Markern bestätigt (Daten nicht gezeigt). Xenografts sind innerhalb der Maus stabil, und es wurden bis zu 12-Monats-Sammlungen durchgeführt. Die individuelle myofiber-Größe ist vergleichbar zwischen den 4- und 6-monatigen IIM-Xenografts und der ursprünglichen IIM-Patientenbiopsie (Abbildung 5B). Seltene Fasern mit einer Querschnittsfläche (CSA) von mehr als 3500 m2 werden in Xenografts beobachtet, jedoch nicht in der IIM-Biopsie, was darauf hindeutet, dass einige Myofiber in den Xenografts sich zu einer CSA regenerieren können, die in der Größe mit gesunden Myofibern vergleichbar ist (Abbildung 5B ).
Abbildung 1: Chirurgische Einrichtung.
A) Standardausrichtung des Stereomikroskops, des Mapleson E Atemkreises und chirurgischer Werkzeuge während der Xenograft-Chirurgie. B) Platzierung der Induktionskammer im Biosicherheitsschrank.
Abbildung 4: Erwartete positive und negative Ergebnisse.
Xenografts gesammelt 4 Monate nach der Operation zeigt gute oder schlechte Regeneration sind mit human-spezifischen Lamin A /C (1:50) und human-spezifische Spektrin (1:20) und embryonales Myosin (1:10) gefärbt (Tabelle der Materialien). Regionen, die durch die weißen gestrichelten Felder gekennzeichnet sind, werden als Einsätze mit höherer Vergrößerung angezeigt. Maßstabsleiste: 200 m. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Repräsentative Xenograft-Regeneration.
A) Xenografts (mit gestrichelten Linien) durchgeführt von einem Patienten mit einer idiopathischen entzündlichen Myopathie (IIM) mit Hämatoxylin und Eosin (H&E), humanspezifische Lamin A/C, und humanspezifische Spektrin diagnostiziert, zeigen Myofiberbildung NRG-Mäusen sowohl zu 4- als auch zu 6-Monats-Zeitpunkten. Die embryonale Myosinfärbung zeigt, dass die Regeneration zu beiden Zeitpunkten noch andauert. Skala bar: 200 m. B) Histogramme, die den Querschnittsbereich (CSA) von Myofibiden von 4- und 6-monatigen Xenografts und menschlichen Biopsien von einem Patienten mit einer idiopathischen entzündlichen Myopathie (IIM) und einem gesunden Kontrollpatienten darstellen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Patienten-abgeleitete Xenografts sind eine innovative Möglichkeit, Muskelerkrankungen zu modellieren und präklinische Studien durchzuführen. Die hier beschriebene Methode zur Herstellung von Skelettmuskel-Xenografts ist schnell, unkompliziert und reproduzierbar. Einseitige Operationen können in 15 bis 25 Minuten oder bilateral in 30 bis 40 Minuten durchgeführt werden. Bilaterale Xenografts können zusätzliche experimentelle Flexibilität bieten. Zum Beispiel können Forscher eine lokalisierte Behandlung eines Xenografts durchführen, wobei der andere als Kontrolle übrig bleibt. Die NRG-Mäuse sind resistent gegen chirurgische Infektionen, wenn sie in einer pathogenfreien Einrichtung untergebracht sind; in unserer Erfahrung mit mehr als 200 Xenografts, wir hatten noch nie eine Maus eine chirurgische Infektion erwerben. Darüber hinaus vertragen Wirtsmäuse die Entfernung der TA und EDL sehr gut. Innerhalb einer Stunde nach der Operation werden einseitig und bilateral xenografierte Mäuse aktiv sein und um ihren Käfig herumlaufen und sogar auf ihren Hinterbeinen stehen. Gelegentlich beobachten wir einen Fußabfall bei Wirtsmäusen, aber in der Regel erst nach einer Zeit der Inaktivität, wie wenn vor kurzem erwacht, und innerhalb von Minuten nach dem Aufwachen Bein Gebrauch wird normal sein.
Es gibt mehrere wichtige Schritte im Protokoll. Erstens, während der Entfernung der EDL und TA, ist es sehr wichtig, nicht den angrenzenden PL Muskel oder seine Sehnen zu verletzen. Dies kann vermieden werden, indem die Platzierung aller distalen Sehnen nach dem ersten Schnitt über die TA sorgfältig und korrekt identifiziert wird. Darüber hinaus sollte die proximale Sehne der PL identifiziert und vor der Entfernung der EDL deutlich sichtbar sein (Abbildung 2D). Zweitens müssen Nähte durch Sehnen gelegt und vollständig in einem richtigen chirurgischen Vierkantknoten mit zwei Handen angezogen werden. Xenografts regenerieren sich unter Spannung robuster, und dies ist nur dann erhältlich, wenn das Xenograft an die PL Sehnen gebunden ist und wenn sich die Nähte nicht postoperativ lösen. Schließlich ist es wichtig, keine größeren Blutgefäße zu beschädigen oder zu trennen, die den Fuß versorgen. Insbesondere die mediale Tarsalarterie und Vene kann in der Nähe oder auf der distalen Sehne der PL liegen. Stellen Sie keine Nähte durch oder um diese Gefäße. Es ist leicht zu erkennen, ob eine Naht unsachgemäß platziert wurde, da Gefäße blanchieren oder bluten. Entfernen Sie in diesem Fall die Naht und platzieren Sie sie an einer anderen Stelle.
Diese Methode hat mehrere Einschränkungen. Es ist nicht für Standard-Funktionstests in Maus-Modelle von Muskelerkrankungen verwendet, wie Griffkraft oder Laufband Ausdauer. Elektrophysiologische Bewertungen der Xenograft-Funktion können jedoch weiterhin durchgeführt werden. Evokierte Kraftmessungen können aus Xenograft-Explants aufgezeichnet werden, und einzelne enzymatisch isolierte Myofiber aus Xenografts, die mit ratiometrischen Kalziumfarbstoffen beladen und elektrisch stimuliert werden, können verwendet werden, um die Calciumdynamik zu untersuchen8. Eine weitere inhärente Herausforderung in diesem Modell ist, dass die Beschaffung und Arbeit mit menschlichem Gewebe schwierig sein kann. Nicht alle Laboratorien werden einfachen Zugang zu frischen Muskelbiopsien haben, aber es hat sich gezeigt, dass Xenografts aus Autopsiegewebe etwa 48 Stunden nach dem Tod erfolgreich engraft werden können, und dieses Gewebe kann für einige leichter zu erhalten sein Laboratorien8. Es ist auch eine Herausforderung, die Genexpression im menschlichen Gewebe zu manipulieren, während Forscher, die Standard-Mausmodelle von Krankheiten verwenden, leicht die Fülle der verfügbaren Maus-Genwerkzeuge verwenden können.
Eine Stärke dieses Xenograft-Modells ist, dass es Forschern ermöglicht, menschliche Muskeln in vivo zu studieren. Gewebekultur wurde ausgiebig verwendet, um die Zell- und Molekularbiologie des menschlichen Muskels zu studieren. Doch diese kurzfristigen Ex-vivo-Studien nähern sich nicht immer dem funktionellen Muskel in vivo an. Eine Einschränkung ist jedoch, dass es schwierig ist zu bestimmen, wie eng Xenograft Biologie und Funktion nähert sich menschlichen Muskel durch den Beitrag der Wirt Maus Komponenten während des regenerativen Prozesses. Zum Beispiel sind neuromuskuläre Knoten zwischen Mensch und Maus (NMJs) morphologisch verschieden, und es gibt signifikante Divergenzen zwischen dem synaptischen Proteom von Human- und Maus-NMJs13. Da Xenografts vom Mauswirt innerviert werden, kann dies zu biologischen Veränderungen führen, die für die menschlichen Xenografts einzigartig sind.
In zukünftigen Studien könnte diese Skelettmuskel-Xenograft-Methode verwendet werden, um die menschliche Muskelzellbiologie besser zu verstehen und neuartige Modelle für seltene oder erworbene Muskelerkrankungen zu entwickeln, denen derzeit Tiermodelle fehlen. Wir gehen davon aus, dass dies erhebliche positive Auswirkungen auf die therapeutische Entwicklung dieser Krankheiten haben wird.
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Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Myositis Association und der Peter Buck Foundation unterstützt. Wir danken Dr. Yuanfan Zhang für den Austausch ihrer Expertise und Ausbildung in der Xenograft-Chirurgietechnik.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 100 mm x 15 mm Petri dish | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| 2-Methylbutane | Fisher | O3551-4 | |
| 20 mm x 30 mm micro cover glass | VWR | 48393-151 | |
| Animal Weighing Scale | Kent Scientific | SCL- 1015 | |
| Antibiotic-Antimycotic Solution | Corning, Cellgro | 30-004-CI | |
| AutoClip System | F.S.T | 12020-00 | |
| Castroviejo Needle Holder | F.S.T | 12565-14 | |
| Chick embryo extract | Accurate | CE650TL | |
| CM1860 UV cryostat | Leica Biosystems | CM1860UV | |
| Coplin staining jar | Thermo Scientific | 19-4 | |
| Dissection Pins | Fisher Scientific | S13976 | |
| Dry Ice - pellet | Fisher Scientific | NC9584462 | |
| Embryonic Myosin antibody | DSHB | F1.652 | recommended concentration 1:10 |
| Ethanol | Fisher Scientific | 459836 | |
| Fetal Bovine Serum | GE Healthcare Life Sciences | SH30071.01 | |
| Fiber-Lite MI-150 | Dolan-Jenner | Mi-150 | |
| Forceps | F.S.T | 11295-20 | |
| Goat anti-mouse IgG1, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-21121 | recommended concentration 1:500 |
| Goat anti-mouse IgG2b, AlexaFluor 594 | Invitrogen | A-21145 | recommended concentration 1:500 |
| Gum tragacanth | Sigma | G1128 | |
| Hams F-10 Medium | Corning | 10-070-CV | |
| Histoacryl Blue Topical Skin Adhesive | Tissue seal | TS1050044FP | |
| Human specific lamin A/C antibody | Abcam | ab40567 | recommended concentration 1:50-1:100 |
| Human specific spectrin antibody | Leica Biosystems | NCLSPEC1 | recommended concentration 1:20-1:100 |
| Induction Chamber | VetEquip | 941444 | |
| Iris Forceps | F.S.T | 11066-07 | |
| Irradiated Global 2018 (Uniprim 4100 ppm) | Envigo | TD.06596 | Antibiotic rodent diet to protect again respiratory infections |
| Isoflurane | MWI Veterinary Supply | 502017 | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | 34155 | surgical wipes |
| Mapleson E Breathing Circuit | VetEquip | 921412 | |
| Methanol | Fisher Scientific | A412 | |
| Mobile Anesthesia Machine | VetEquip | 901805 | |
| Mouse on Mouse Basic Kit | Vector Laboratories | BMK-2202 | mouse IgG blocking reagent |
| Nail Polish | Electron Microscopy Sciences | 72180 | |
| NAIR Hair remover lotion/oil | Fisher Scientific | NC0132811 | |
| NOD-Rag1null IL2rg null (NRG) mice | The Jackson Laboratory | 007799 | 2 to 3 months old |
| O.C.T. Compound | Fisher Scientific | 23-730-571 | |
| Oxygen | Airgas | OX USPEA | |
| PBS (phosphate buffered saline) buffer | Fisher Scientific | 4870500 | |
| Povidone Iodine Prep Solution | Dynarex | 1415 | |
| ProLong™ Gold Antifade Mountant | Fisher Scientific | P10144 (no DAPI); P36935 (with DAPI) | |
| Puralube Ophthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | |
| Rimadyl (carprofen) injectable | Patterson Veterinary | 10000319 | surgical analgesic, administered subcutaneously at a dose of 5 mg/kg |
| Scalpel Blades - #11 | F.S.T | 10011-00 | |
| Scalpel Handle - #3 | F.S.T | 10003-12 | |
| Stereo Microscope | Accu-scope | 3075 | |
| Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Suture, Synthetic, Non-Absorbable, 30 inches long, CV-11 needle | Covidien | VP-706-X | |
| 1ml Syringe (26 gauge, 3/8 inch needle) | BD Biosciences | 329412 | |
| Trimmer | Kent Scientific | CL9990-KIT | |
| Vannas Spring Scissors, 8.0 mm cutting edge | F.S.T | 15009-08 | |
| VaporGaurd Activated Charcoal Filter | VetEquip | 931401 | |
| Wound clips, 9 mm | F.S.T | 12022-09 |
References
- Wong, C. H., Siah, K. W., Lo, A. W. Estimation of clinical trial success rates and related parameters. Biostatistics. 0, 1-14 (2018).
- Hay, M., Thomas, D. W., Craighead, J. L., Economides, C., Rosenthal, J. Clinical development success rates for investigational drugs. Nature Biotechnology. 32, 40-51 (2014).
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- Gabellini, D., Green, M. R., Tupler, R. Inappropriate Gene Activation in FSHD : A Repressor Complex Binds a Chromosomal Repeat Deleted in Dystrophic Muscle. Cell. 110, 339-348 (2002).
- Lemmers, R. J. L. F., et al. A Unifying Genetic Model for Facioscapulohumeral Muscular Dystrophy. Science. 329, 1650-1654 (2010).
- Chen, J. C. J., et al. Morpholino-mediated Knockdown of DUX4 Toward Facioscapulohumeral Muscular Dystrophy Therapeutics. Molecular Therapy. 24, 1405-1411 (2016).
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- Jones, R. A., et al. Cellular and Molecular Anatomy of the Human Neuromuscular Junction. Cell Reports. 21, 2348-2356 (2017).
