نمذجة أورام الدماغ في الجسم الحي باستخدام التوصيل القائم على التثقيب الكهربائي للحمض النووي البلازميد الذي يمثل توقيعات طفرة المريض

Summary

يعد استخدام نموذج الورم الأصلي المختص بالمناعة والمدفوع بطفرات المريض الشائعة للاختبار قبل السريري أمرا بالغ الأهمية لاختبارات العلاج المناعي. يصف هذا البروتوكول طريقة لتوليد نماذج فأر ورم في المخ باستخدام التوصيل القائم على التثقيب الكهربائي للحمض النووي البلازميد الذي يمثل طفرات المريض الشائعة ، وبالتالي توفير نموذج فأر دقيق وقابل للتكرار ومتسقة.

Abstract

تعد نماذج الأورام ضرورية للاختبار قبل السريري لأورام الدماغ من حيث استكشاف علاجات جديدة أكثر فعالية. مع الاهتمام الكبير بالعلاج المناعي ، من الأهمية بمكان أن يكون لديك نموذج فأر متسق ووثيق الصلة سريريا ومختص بالمناعة لفحص الورم ومجموعات الخلايا المناعية في الدماغ واستجابتها للعلاج. في حين أن معظم النماذج قبل السريرية تستخدم زرع تقويم العظام لخطوط الخلايا السرطانية المنشأة ، فإن نظام النمذجة المقدم هنا يسمح بتمثيل "شخصي" لطفرات الورم الخاصة بالمريض في تطور تدريجي ولكنه فعال من تركيبات الحمض النووي التي يتم إدخالها في خلايا السلائف العصبية المنقسمة (NPCs) في الجسم الحي. تتميز تركيبات الحمض النووي بتحليل الفسيفساء باستخدام طريقة تبادل الكاسيت المزدوج بوساطة إعادة التركيب (MADR) ، مما يسمح بطفرات جسدية أحادية النسخة لطفرات المحرك. باستخدام صغار الفئران حديثي الولادة بين الولادة وعمر 3 أيام ، يتم استهداف الشخصيات غير القابلة للعب من خلال الاستفادة من هذه الخلايا المنقسمة التي تبطن البطينين الجانبيين. الحقن المجهري لبلازميدات الحمض النووي (على سبيل المثال ، مشتقة من MADR ، ترانسبوزونات ، sgRNA الموجهة لكريسبر) في البطينين يتبعها التثقيب الكهربائي باستخدام المجاذيف التي تحيط بمنطقة المنقار في الرأس. عند التحفيز الكهربائي ، يتم امتصاص الحمض النووي في الخلايا المنقسمة ، مع إمكانية الاندماج في الجينوم. تم إثبات استخدام هذه الطريقة بنجاح في تطوير كل من أورام الدماغ لدى الأطفال والبالغين ، بما في ذلك ورم الدماغ الخبيث الأكثر شيوعا ، الورم الأرومي الدبقي. تناقش هذه المقالة وتوضح الخطوات المختلفة لتطوير نموذج ورم في المخ باستخدام هذه التقنية ، بما في ذلك إجراء تخدير صغار الفئران ، إلى الحقن المجهري لمزيج البلازميد ، متبوعا بالتثقيب الكهربائي. مع هذا النموذج الأصلي للفأر المناعي ، سيكون لدى الباحثين القدرة على توسيع مناهج النمذجة قبل السريرية ، في محاولة لتحسين وفحص علاج السرطان الفعال.

Introduction

تعد نماذج أورام دماغ الفئران ضرورية لفهم آليات تكوين ورم الدماغ وعلاجه. تتضمن النماذج الحالية عادة عمليات زرع تحت الجلد أو تقويم العظام سريعة الإنتاج لخطوط الخلايا السرطانية شائعة الاستخدام ، بناء على عدد محدود من الطفرات الدافعة أو نماذج xenograft المشتقة من المريض ، باستخدام الفئران التي تعاني من نقص المناعة والتي تعيق دراسات العلاج المناعي المناسبة¹،²،^3،4. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي هذه النتائج قبل السريرية إلى إيجابيات كاذبة ، حيث يمكن أن تظهر هذه النماذج تأثيرات علاجية دراماتيكية في كثير من الأحيان استجابة للعلاج ، ولكن هذا لا يترجم إلى^{العيادة 2}،⁵،^6،7. إن امتلاك القدرة على الإنتاج السريع لنماذج الفئران قبل السريرية المعدلة وراثيا والتي تعكس بشكل أكبر توقيعات طفرات المريض أمر حتمي لتحسين صحة النتائج قبل السريرية.

يسمح التوصيل القائم على التثقيب الكهربائي (EP) لبلازميدات الحمض النووي للحث على كل من فقدان الوظيفة (LOF) واكتساب الوظيفة (GOF) بتوليد مثل هذه النماذج. لقد طورنا طريقة لتمثيل أكثر دقة لطفرات محرك GOF تسمى تحليل الفسيفساء مع تبادل الكاسيت بوساطة إعادة التركيب المزدوج ، أو MADR⁸. تسمح هذه الطريقة بالتعبير عن جين (أو جينات) ذات أهمية بطريقة خاضعة للرقابة ومحددة للموضع في الخلايا الجسدية⁸. بالاقتران مع الأدوات الجزيئية الأخرى ، مثل التكرارات العنقودية القصيرة المتباعدة بانتظام (CRISPR) ، يمكن الجمع بين طفرات المريض المختلفة لتطوير نماذج ورم دماغ الفئران. تم استخدام هذه الطريقة لأورام الدماغ المختلفة لدى الأطفال ، بما في ذلك الأورام الدبقية وأورام البطانة^{العصبية 8} ، بالإضافة إلى نماذج أورام الدماغ للبالغين ، مثل الورم الأرومي الدبقي (GBM).

في حين أن طريقة EP لنمذجة الورم ليست شائعة مثل عملية الزرع ، فإن ما يلي يوضح حتى الآن سهولة نظام النمذجة هذا وقابليته العالية للتكرار. تستخدم الفئران mTmG لإدخال الحمض النووي MADR-plasmid ^8,9. يسمح هذا النظام بإعادة تركيب مواقع هدف loxP و Flp recombinase (FRT) الموجودة في موضع Rosa26 للإدخال اللاحق لبلازميد الحمض النووي المانح (أي جين GOF محل الاهتمام)^8,9. يوضح البروتوكول التالي استقامة هذه الطريقة بعد الممارسة الدؤوبة ، والقدرة على تطوير نماذج أورام دماغ الفئران بطريقة أصلية ومتسقة.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الإجراءات في هذا البروتوكول من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام في مركز سيدارز سيناء الطبي (IACUC). تم تربية الفئران mTmG متماثلة الزيجوت مع الفئران C57BL / 6J للحصول على فضلات من الفئران mTmG مختلطة الجنس وغير متجانسة الزيجوت لاستخدامها في البروتوكول التالي. تم الحصول على من مصدر تجاري (انظر جدول المواد). تم تكهرب الفئران بين أيام ما بعد الولادة 0 و 3 (P0-P3).

1. الإعداد الجراحي

1. رش الطاولة الجراحية بمطهر كيميائي (على سبيل المثال ، Vimoba) وامسحه ، متبوعا ب 70٪ من الإيثانول ، وامسحه مرة أخرى.
2. ضع الأدوات / المواد التالية على طاولة الجراحة: الماصات الشعرية الزجاجية المسحوبة (انظر المرجع¹⁰ حول كيفية سحب الماصات) ، مقص صغير ، حاوية نفايات أدوات حادة بيولوجية صغيرة ، ماصة ميكرولتر وأطراف ماصة ، قطع مربعة 2x من فيلم البارافين ، هلام القطب ، الأقطاب الكهربائية ، حامل الحاقن الدقيق ، ومزيج بلازميد الحمض النووي (انظر جدول المواد والملف التكميلي 1).
3. ضع الملحقات التالية على الجهاز على طاولة الجراحة أو على الأرض عند الإشارة إليها: لوحة تحكم الحاقن الدقيق ، والحامل ، والقابس المتصل بالجهاز ، والحامل لتثبيت حامل الحاقن الدقيق على الجانب (مساعد اللحام) ، ودواسة قدم الحاقن الدقيق (على الأرض) ، والأقطاب الكهربائية المتصلة بالماكينة ، ودواسة قدم القطب (على الأرض) (انظر جدول المواد).
   ملاحظة: تم وضع دواسة القدم الكهربائية على يمين دواسة قدم الحاقن الدقيق كتذكير بترتيب الاستخدام.
4. قم بتشغيل الحاقن الدقيق ولوحات التحكم في القطب الكهربائي.
   1. تحقق من صحة الإعدادات الموجودة على الحاقن الدقيق للتجربة: يجب أن يكون الضغط بين 220-450 هيكتوباسكال ، اعتمادا على كيفية تناول خليط البلازميد.
   2. تحقق من صحة الإعدادات الموجودة على لوحة القطب للتجربة.
      ملاحظة: بالنسبة للتجربة الحالية (ومعظم نماذج أورام المخ لدينا) ، يتم استخدام خمس نبضات من 120 فولت (50 مللي ثانية ؛ مفصولة ب 950 مللي ثانية).

2. التحضير قبل الجراحة

1. تحضير مزيج البلازميد في حاقن دقيق.
   1. استرجع ماصة شعرية زجاجية مسحوبة وأدخلها في حامل الحاقن الدقيق. تأكد من تثبيت الطرف لتثبيته في مكانه.
   2. امسك حامل الحاقن الدقيق بيد واحدة والمقص الصغير باليد الأخرى ؛ ضع طرف الماصة فوق حاوية صغيرة من المخاطر البيولوجية. مع إغلاق المقص ، اضغط لأسفل برفق على الماصة الشعرية الزجاجية المطولة. قطع حيث ينظر إلى الانحناء ، حوالي 2 مم من الفتحة. إذا بدا القطع ناجحا ، ضعه بعناية على الجانب.
   3. ضع أنبوب مزيج البلازميد المتاح تجاريا بشكل مسطح على طاولة الجراحة وافتحه. ضع صندوق طرف الماصة أو أي عنصر آخر خلف قاع الأنبوب للحفاظ على ثباته أثناء سحب مزيج البلازميد. ضع الماصة الزجاجية المتصلة بخط الحاقن الدقيق بشكل مسطح على الطاولة وأدخلها برفق في أنبوب مزيج البلازميد ، مع التأكد من أن الطرف موجود جيدا في المزيج بالقرب من قاع الأنبوب.
      ملاحظة: بسبب شفط الجاذبية الطبيعية ، سيبدأ شفط مزيج البلازميد في الماصة الزجاجية قبل السحب بنشاط.
   4. باستخدام طرف الماصة الزجاجية في مزيج البلازميد ، استخدم لوحة الحاقن الدقيق لزيادة الكمية التي يتم سحبها. بدءا من 0 ، أدر المقبض الأيمن واطلب في الاتجاه السلبي نحو -60 - سيؤدي ذلك إلى إدخال مزيج البلازميد في الماصة الزجاجية. جلب فقط في ~ 1 بوصة من مزيج البلازميد. أعد المقبض إلى 0 ، ثم قم بإزالة طرف الماصة من المزيج.
      ملاحظة: لا تقم بإزالة طرف الماصة من المزيج أثناء وجوده في الاتجاه السلبي ، لأن هذا سيؤدي إلى إطلاق المزيج في الحاقن الدقيق وربما في الأنبوب.
   5. اختبر كمية المزيج في حقنة واحدة عن طريق حقن المزيج على شريط واحد من فيلم البارافين. استخدم دواسة القدم واضغط مرة واحدة لحقن المزيج على فيلم البارافين. استخدم الماصة المحددة على 1 ميكرولتر لامتصاص المزيج على فيلم البارافين لمعرفة ما إذا كان بالضبط 1 ميكرولتر.
      ملاحظة: إذا كان أقل بقليل من 1 ميكرولتر ، يمكن زيادة ضغط الحاقن الدقيق. إذا كان الضغط يقترب من 450 هيكتوباسكال ولا يزال أقل من 1 ميكرولتر ، فإن فتحة الماصة الزجاجية صغيرة جدا وستحتاج إلى قطع أكثر. يقترح وضع مزيج البلازميد مرة أخرى في الأنبوب قبل التشذيب. على الرغم من ذلك ، سيظل هناك مزيج متبقي على المقص ، لذلك من الضروري تنظيف المقص جيدا بعد ذلك باستخدام DNase لإزالة أي مزيج متبقي. إذا كان الحقن أكثر من 1 ميكرولتر ، فستحتاج إلى استخدام ماصة زجاجية مسحوبة جديدة وتقليمها. عندما تكون كمية الاختبار بالضبط 1 ميكرولتر ، يكون طرف الماصة الزجاجي بالحجم الصحيح.
   6. كرر الخطوة 2.1.4 لسحب مزيج بلازميد إضافي للإجراء ، أو حوالي 2-3 بوصات في الماصة الزجاجية المسحوبة. تأكد من أن الخليط لا يذهب بعيدا في الحاقن الدقيق حيث لا يمكن للمرء رؤية النهاية.
      ملاحظة: عند الرسم في مزيج البلازميد ، من الضروري تجنب فقاعات الهواء. في حالة وجود فقاعات ، من الضروري إعادة هذه الخطوة عن طريق إزالة مزيج البلازميد من ماصة الزجاج المسحوب والبدء من جديد. ستكون فقاعات الهواء الموجودة ضارة بالخطوات التالية عند الحقن في بطين الجرو.
   7. مع جاهزية مزيج البلازميد في الماصة الزجاجية المسحوبة ، ضع الماصة الجاهزة على الجانب على حامل مساعد اللحام وبعيدا عن الطريق حتى لا تلمسها / تصطدم بها عن طريق الخطأ.
2. تحضير للتجربة.
   1. تحضير دلو الثلج لتخدير الجراء. أضف الماء إلى دلو الثلج ليذوب وساعد على تبريد حامل التخدير (على سبيل المثال ، أعلى صندوق الماصة).
   2. ضع سطح الصندوق على الثلج المذاب ليبرد.
   3. قم بإزالة الجراء (الجراء) بعناية من القفص وضعها في أعلى الصندوق المبرد ، والذي يبقى على الجليد. ضع قمة أخرى بشكل غير محكم فوق الجزء السفلي للمساعدة في عملية التبريد.
   4. بعد 2-3 دقائق ، تحقق من الجراء. افصل الجراء عن بعضها البعض مع البقاء في وضعية الانبطاح.
      ملاحظة: سوف تتلوى الجراء ، لكن هذا سيتباطأ مع بدء التخدير البارد. يمكن ترك الجزء العلوي من الصندوق لسهولة عرض الجراء.
   5. للتحقق من التخدير المناسب ، قرصة ذيل الجرو وابحث عن رد فعل. إذا كان هناك رد فعل ، كرر الخطوة 2.2.4. إذا لم يتم إجراء أي صرير أو حركة قليلة ، يكون الجرو جاهزا لهذا الإجراء.
      ملاحظة: لا ينبغي أن تبقى الفئران على الجليد لفترات طويلة من الزمن لأن هذا سيؤثر على قدرتها على التعافي بعد العملية. يجب فقط وضع عدد الجراء التي يمكن حقنها وتحويلها بالكهرباء أثناء التخدير على الجليد في وقت واحد ؛ يمكن عمل أعداد أكبر من خلال الخبرة.

3. الحقن المجهري لمزيج بلازميد الحمض النووي في بطين الدماغ

1. ضع جروا على الطاولة في الوضع البطني.
2. اسحب قليلا على الجزء الخلفي من الرأس لتصور خيوط الجمجمة عبر الجلد. العثور على لامدا على الجمجمة. سيكون موقع البطين / الحقن في منتصف المسافة بين لامدا والعين.
   ملاحظة: لامدا هو المكان الذي تتقاطع فيه الغرز السهمية واللامبدية. انظر المرجع¹¹ للتعرف على لامدا على جمجمة الفأر.
3. اثقب الجلد بطرف الماصة الزجاجي بزاوية عمودية (الماصة مستقيمة نحو السقف). لاحظ مسافة بادئة مقعرة طفيفة عند الضغط على الجمجمة ومقاومة أولية. بمجرد ثقبه وثقب طرف الماصة الزجاجي من خلال المسافة البادئة المقعرة ، يتم الوصول إلى مستوى الحقن المناسب.
4. ثبت طرف الماصة الزجاجية في مكانها واضغط على دواسة قدم الحاقن الدقيق مرة واحدة لحقن 1 ميكرولتر من مزيج البلازميد.
   ملاحظة: هناك طريقتان لرؤية نجاح الحقن بوضوح. أولا ، اطلب من عضو آخر في المختبر مشاهدة مزيج البلازميد ينخفض في الماصة الزجاجية أثناء حقنه. أيضا ، في حالة استخدام صبغة خضراء سريعة أو صبغة أخرى في مزيج البلازميد ، ستنتشر الصبغة بشكل واضح في البطين تحت الجلد بمجرد حقنها ويمكن رؤيتها بسهولة عند رفعها إلى مصباح جراحي.

4. التثقيب الكهربائي

1. ضع قطعة من فيلم البارافين (مربع واحد) على الطاولة واضغط على هلام القطب أعلى الفيلم. قم بتغطية مجاذيف الأقطاب الكهربائية بجل القطب الكهربائي عن طريق تنظيف كمية وفيرة على كل مجداف. يمكن سحب أي هلام زائد يقطر على منشفة ورقية.
   ملاحظة: بعد EP الأول ، لا تدع الجل من كل مجداف يلمس الجانب الآخر. سيؤدي ذلك إلى نقل الشحنة ، وعند التقديم على رأس الجرو ، قد يسمع صوت أزيز. سيحدث هذا أيضا إذا لامس الجل الموجود على رأس الجرو من أحد الأقطاب الكهربائية الجل من قطب كهربائي آخر.
   تنبيه: يجب توخي الحذر لإبعاد الأصابع عن المجاذيف أثناء التثقيب الكهربائي.
2. امسك جسم الجرو بيد واحدة (عادة اليد غير المهيمنة) ، مع إبقاء الأصابع خلف الرأس جيدا.
   ملاحظة: إذا كان اليد اليمنى ، فمن الأسهل أن تمسك الجرو باليد اليسرى والأقطاب الكهربائية باليد اليمنى. إذا كنت أعسرا ، فافعل العكس.
3. قرب الأقطاب الكهربائية من رأس الجرو للتأكد من أنها في الموضع المناسب ، مع وجود القطب الموجب على السطح الخارجي للرأس حيث يتم استهداف البطين (على سبيل المثال ، إذا كنت تستهدف البطين الأيسر ، ضع الموجب على الجانب الأيسر للجرو والسالب على الجانب الأيمن للجرو). أثناء وضع الأقطاب الكهربائية ، حرك إصبعك برفق (عادة الإبهام) على الجانب الظهري من الجسم / الرقبة خلف الرأس للمساعدة في رفع الرأس إلى موضعه.
4. تحقق من عمق التخدير عن طريق قرص الذيل والمضي قدما في التثقيب الكهربائي فقط إذا كان الجرو في مستوى التخدير المناسب. اضغط برفق على مجاذيف القطب على الجزء المنقاري من رأس الماوس ، وضعها على العينين. اضغط على دواسة القدم الكهربائية مرة واحدة لبدء التثقيب الكهربائي. يستخدم هذا البروتوكول خمس نبضات 120 فولت (50 مللي ثانية ، مفصولة ب 950 مللي ثانية) ؛ كل نبضة ستكون مسموعة.
   1. مع كل نبضة ، قم بتدوير مجاذيف القطب قليلا في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة بحيث يتحرك المجداف الموجب نحو أعلى الرأس.
      ملاحظة: مع التثقيب الكهربائي المناسب ، سيشعر المرء / يرى ارتعاش جسم جرو الفأر مع كل نبضة.
5. بعد النبض النهائي ، قم بإزالة المجاذيف ووضعها على الجانب. انقل الجرو إلى منشفة ورقية نظيفة واطلب من عضو آخر في المختبر تنظيف الجل من رأس الجرو ووضعه تحت مصباح حراري على "قارب" منشفة ورقية.
   ملاحظة: تأكد من أن مصباح الحرارة ليس قريبا جدا من الجراء. تأكد من وجود عضو آخر في المختبر يساعد في هذه الخطوة وراقب الجراء باستمرار. غالبا ما يساعد على حمل الجراء في يد المرء تحت مصباح الحرارة لزيادة الحرارة للجرو. تدليك بلطف البطن من الجرو يمكن أن يساعد أيضا في الشفاء.
6. أعد الجراء إلى قفص المنزل بمجرد أن يكون لأجسامهم لون وردي صحي ولديهم استجابة صرير لقرصة ذيل خفيفة.
   ملاحظة: قبل وضعها مرة أخرى في القفص ، خذ كمية صغيرة من مادة فراش القفص المنزلي ونظف الجراء برفق للحصول على رائحة القفص. ضع الجراء مرة أخرى في القفص تحت مادة الفراش والعودة إلى غرفة الحجز.

5. خطوات ما بعد الجراحة

1. أعد مزيج البلازميد غير المستخدم من ماصة زجاج الحاقن الدقيق إلى الأنبوب. إذا كان هناك ما يكفي من الخليط المتبقي ، يمكن استخدامه في الإجراءات المستقبلية. يحفظ في درجة حرارة -20 درجة مئوية.
2. امسح الجل من المجاذيف الكهربائية باستخدام مناشف ورقية.
3. أعد جميع أجزاء المعدات إلى مكانها الأصلي.
   ملاحظة: إذا تم استخدام المقص لقطع طرف الماصة الزجاجية بعد تناول مزيج البلازميد ، اترك المقص للتنظيف تماما باستخدام محلول DNase.
4. رش الطاولة بمطهر كيميائي ، ثم امسحها ، متبوعا برذاذ 70٪ من الإيثانول ، ثم امسحها مرة أخرى.

النتائج

تم استخدام البروتوكول الموصوف أعلاه لتطوير نماذج فأر أورام الدماغ للأطفال والبالغين بنجاح ، مع نشر الأول بتفصيل واسع في Kim et ^al.8. مع التقنية المناسبة والتخطيط الدقيق لتصميم البلازميد ، يكون نجاح تطوير EP للأورام عادة 100٪. علم الأنسجة هو أسرع وأسهل طريقة للتحقق من نجاح إدخال بلاز...

Discussion

يسمح توصيل الحمض النووي البلازميد القائم على التثقيب الكهربائي باستخدام البيولوجيا الجزيئية في الجسم الحي ، على غرار تلك المستخدمة في نماذج الفئران المعدلة وراثيا ، ولكن مع سرعة وتوطين وكفاءة نقل الفيروس⁸،^13،14. ومع ذلك ، مع هذا الأخ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.1-2.5 µL 1-channel pipette	Eppendorf	3123000012
2 µL pipette tips	Fisher Scientific	02-707-442
20 µL pipette tips	Fisher Scientific	02-707-432
2-20 µL 1-channel pipette	Eppendorf	3123000098
DNAZap PCR DNA Degradation Solutions	Fisher Scientific	AM9890
ECM 830 Square Porator Electroporator	BTX	45-0662
Electrode Gel	Parker Labs	PLI152CSZ
Fast Green Dye	Sigma-Aldrich	F7258-25G
Helping Hands Soldering Aid	Pro'sKit	900-015
Micro Dissecting Scissors, 4.5" Straight Sharp	Roboz	RS-5916
Mouse Strain: C57BL/6J	The Jackson Laboratory	JAX: 000664
Mouse Strain: Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J	The Jackson Laboratory	JAX: 007676
Parafilm	Grainger	16Y894
Plasmid: pCag-FlpO-2A-Cre EV	Addgene	129419
Platinum Tweezertrode, 7 mm Diameter	BTX	45-0488
Sharps container, 1-quart	Uline	S-15307
Standard Glass Capillaries, 4 in, 1 mm OD, 0.58 mm ID	World Precision Instruments	1B100F-4	Capillary pipettes need to be pulled - see reference 10 for details.
Vertical Micropipette Puller	Sutter Instruments	P-30	Heat settings: Heat #1 at 880, Heat #2 at 680; pull at 800. See reference 10 for more details on pulling.
Vimoba Tablet Solution	Quip Laboratories	VIMTAB
XenoWorks Digital Microinjector	Sutter Instruments	BRE
XenoWorks Micropipette Holder	Sutter Instruments	BR-MH