È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
Le malattie umane complesse possono essere difficili da modellare nei sistemi di modelli di laboratorio tradizionali. Qui, descriviamo un approccio chirurgico per modellare la malattia muscolare umana attraverso il trapianto di biopsie muscolari scheletriche umane in topi immunodeficienti.
Gli effetti del trattamento osservati negli studi sugli animali spesso non vengono riassunti negli studi clinici. Mentre questo problema è multiforme, uno dei motivi di questo fallimento è l'uso di modelli di laboratorio inadeguati. È difficile modellare malattie umane complesse negli organismi di laboratorio tradizionali, ma questo problema può essere aggirato attraverso lo studio degli xenografi che si possono fare attraverso l'uomo. Il metodo chirurgico che descriviamo qui permette la creazione di xenogratti muscolari scheletrici umani, che possono essere utilizzati per modellare la malattia muscolare e per effettuare test terapeutici preclinici. In base a un protocollo approvato dall'IRB (Institutional Review Board), i campioni muscolari scheletrici vengono acquisiti dai pazienti e poi trapiantati in topi ospiti NOD-Rag1nullIL2r . Questi topi sono ospiti ideali per gli studi di trapianto a causa della loro incapacità di fare linfociti maturi e sono quindi in grado di sviluppare risposte immunitarie adattative mediate dalle cellule e morali. I topi ospiti sono anestetizzati con isoflurane e i muscoli del tibialis anteriore ed estensore del digitalum vengono rimossi. Un pezzo di muscolo umano viene quindi collocato nello scomparto tibiale vuoto e suturato ai tendini prossimali e distali del muscolo longus peroneo. Il muscolo xenotrapianto è spontaneamente vascolarizzato e innervato dall'ospite del topo, risultando in un muscolo umano robustamente rigenerato che può servire come modello per gli studi preclinici.
È stato riferito che solo 13.8% di tutti i programmi di sviluppo di farmaci in fase di sperimentazione clinica hanno successo e portano a terapie approvate1. Mentre questo tasso di successo è superiore al 10,4% precedentemente riportato2, c'è ancora significativo margine di miglioramento. Un approccio per aumentare il tasso di successo degli studi clinici è quello di migliorare i modelli di laboratorio utilizzati nella ricerca preclinica. La Food and Drug Administration (FDA) richiede studi sugli animali per mostrare l'efficacia del trattamento e valutare la tossicità prima degli studi clinici di fase 1. Tuttavia, c'è spesso una concordanza limitata negli esiti del trattamento tra studi sugli animali e studi clinici3. Inoltre, la necessità di studi sugli animali preclinici può essere una barriera insormontabile per lo sviluppo terapeutico in malattie che non hanno un modello animale accettato, che spesso accade per le malattie rare o sporadiche.
Un modo per modellare la malattia umana è trapiantare il tessuto umano in topi immunodeficienti per generare xenografi. Ci sono tre vantaggi principali per i modelli di xenotrapianto: in primo luogo, possono ricapitolare le complesse anomalie genetiche ed epigenetiche che esistono nella malattia umana che potrebbero non essere mai riproducibili in altri modelli animali. In secondo luogo, gli xenografi possono essere utilizzati per modellare malattie rare o sporadiche se sono disponibili campioni di pazienti. In terzo luogo, gli xenogratto modellano la malattia all'interno di un sistema in vivo completo. Per questi motivi, ipotizziamo che i risultati dell'efficacia del trattamento nei modelli di xenotrapianto siano più propensi a tradursi in sperimentazioni in pazienti. Gli xenografi tumorali umani sono già stati utilizzati con successo per sviluppare trattamenti per tumori comuni, tra cui mieloma multiplo, così come terapie personalizzate per singoli pazienti4,5,6, 7.
Recentemente, gli xenogratto sono stati utilizzati per sviluppare un modello di malattia muscolare umana8. In questo modello, i campioni di biopsia muscolare umana vengono trapiantati negli arti posteriori di topi NRG immunodeficienti per formare xenografi. Le miofibre umane trapiantate muoiono, ma le cellule staminali muscolari umane presenti nello xenotrapianto successivamente si espandono e si differenziano in nuove miofibre umane che ripopolano la lamina basale umana innestata. Pertanto, le miofibre rigenerate in questi xenotrapianto sono interamente umane e vengono spontaneamente vascolarizzate e innervate dall'ospite del topo. è importante sottolineare che il fascio, la distrofia muscolare scapopulohumerale (FSHD) del tessuto muscolare del paziente trapiantato nei topi ricapitola le caratteristiche chiave della malattia umana, vale a dire l'espressione del fattore di trascrizione DUX4 8. La FSHD è causata dalla sovraespressione del DUX4, che è epigeneticamente silenziato nel tessuto muscolare normale9,10. Nel modello xenotrapianto FSHD, il trattamento con un morfolino specifico del DUX4 ha dimostrato di reprimere con successo l'espressione e la funzione di DUX4 e può essere una potenziale opzione terapeutica per i pazienti fsHD11. Questi risultati dimostrano che gli xenogratti muscolari umani sono un nuovo approccio per modellare la malattia muscolare umana e testare potenziali terapie nei topi. Qui, descriviamo in dettaglio il metodo chirurgico per la creazione di xenografi muscolari scheletrici umani in topi immunodeficienti.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Tutto l'uso di campioni di ricerca da soggetti umani è stato approvato dal Johns Hopkins Institutional Review Board (IRB) per proteggere i diritti e il benessere dei partecipanti. Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dal Johns Hopkins University Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) in conformità con la Guida dei National Institutes of Health (NIH) per la cura e l'uso degli animali da laboratorio. Maschio NOD-Rag1nullil2r -null topi ospiti (NRG) sono utilizzati per effettuare esperimenti di xenotrapianto. Questi topi sono alloggiati in rack ventilati e ricevono aria filtrata, temperata e umidificata HEPA, nonché acqua iperclorinata filtrata per osmosi inversa. Ai topi viene fornita acqua e una dieta antibiotica irradiata (Tabella dei materiali) al libitum, e la struttura fornisce 14 h di luce a 10 h di scuro come controllato dal timer centrale.
1. Preparazione dell'attrezzatura
2. Preparazione chirurgica
3. Chirurgia Xenotrapianto
4. Collezione Xenograft
NOT: Xenografts sono in genere raccolti tra 4 A 6 mesi post-chirurgia. Tuttavia, le collezioni sono state eseguite fino a 12 mesi dopo l'intervento chirurgico.
5. Immunohistochimica Xenotrapianto
Figura 2: Chirurgia dello Xenotrapianto. (A) I capelli vengono rimossi dal sito chirurgico. (B) Un'incisione viene effettuata sopra il tibialis anteriore (TA). I tendini distale del TA e dell'estensore digitorum longus (EDL) sono contrassegnati con frecce. La linea tratteggiata nera indica dove verrà tagliato l'epimysio al punto 3.3. (C) Il tendine distale della TA viene tagliato e il muscolo viene tirato fino al ginocchio. (D) Il tendine dell'EDL viene tagliato e l'EDL viene tirato fino al ginocchio. Questo espone il tendine prossimale del peroneo longus (PL) contrassegnato con una freccia. Le linee tratteggiate indicano dove tagliare con le forbici per rimuovere l'EDL (verde) e il PL (blu). (E) L'EDL e la TA vengono rimossi. (F) Una sutura viene posta attraverso il tendine prossimale del PL. (G) Lo xenotrapianto viene posto nel compartimento tibiale vuoto e suturato al tendine pISciale PL utilizzando un nodo quadrato chirurgico a due mani. (H) Una sutura viene posta attraverso il tendine distale del PL, contrassegnato con una freccia, e un altro nodo quadrato chirurgico a due mani viene utilizzato per suturare lo xenotrapianto al tendine distale. (I) Lo xenotrapianto è completamente trapiantato e suturato al PL. (J) La pelle è chiusa con colla chirurgica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Collezione Xenotrapianto di 4 mesi. (A) I capelli vengono rimossi dal sito chirurgico. Le suture sono visibili sotto la pelle. (B) La pelle sovrastante lo xenotrapianto viene rimossa. Quindi lo xenotrapianto viene afferrato con le pinze dell'iride alla sutura disal e delicatamente tirato verso l'alto. A partire dalla caviglia, un bisturi viene utilizzato per tagliare lungo la tibia e liberare lo xenotrapianto. La freccia mostra l'inizio dell'incisione lungo la tibia. (C) Tirando il muscolo gastrocnemio di lato, una debole linea bianca di epimysio che separa il muscolo peroneo longus (PL) e il gastrocnemio (mostrato dalla freccia) diventa visibile. Utilizzare il bisturi per tagliare lungo questa linea per separare il PL dagli altri muscoli delle gambe. (D) Il lato destro dello xenotrapianto, e il PL sono ora liberi dagli altri muscoli della gamba e sono pronti per la rimozione. La linea tratteggiata indica dove tagliare con le forbici chirurgiche per iniziare a rimuovere lo xenotrapianto e PL. (E) Dopo il taglio sotto la sutura distale, deviare lo xenotrapianto verso il ginocchio. La linea tratteggiata indica dove tagliare con le forbici chirurgiche per rimuovere lo xenotrapianto e il PL dal vano tibiale. (F) Lo scomparto tibiale vuoto con lo xenotrapianto e il PL sono stati rimossi con successo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Come dimostrato da Yuanfan e altri, questo protocollo chirurgico è un metodo semplice per produrre xenografi muscolari scheletrici umani8. Gli xenogratto rigenerati diventano spontaneamente innervati e mostrano contrattilità funzionale. Inoltre, lo xenotrapianto muscolare da parte dei pazienti affetti da FSHD riassume i cambiamenti nell'espressione genica osservati nei pazienti affetti da FSHD8.
Nella nostra esperienza, circa 7 degli 8 xenograf...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli xenografi derivati dal paziente sono un modo innovativo per modellare le malattie muscolari e condurre studi preclinici. Il metodo qui descritto per creare xenogratti muscolari scheletrici è rapido, diretto e riproducibile. Gli interventi chirurgici unilaterali possono essere eseguiti in 15-25 minuti, o bilateralmente in 30 a 40 minuti. Gli xenotrapianto bilaterali possono fornire ulteriore flessibilità sperimentale. Per esempio, i ricercatori possono eseguire il trattamento localizzato di uno xenotrapianto, con l'...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Questo lavoro è stato sostenuto da The Myositis Association e dalla Peter Buck Foundation. Ringraziamo il Dr. Yuanfan e sprondin per aver condiviso la sua esperienza e la sua formazione nella tecnica chirurgica dello xenotrapianto.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
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 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon