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Method Article
Qui, descriviamo la metodologia per eliminare un gene di interesse nel sistema immunitario utilizzando tecnologie basate su brevi ripetizioni palindromiche raggruppate regolarmente interspaziate (CRISPR)/endonucleasi associate a CRISPR (Cas9) e la valutazione di questi topi in un modello di colite indotta da anticorpi agonisti cluster di differenziazione 40 (CD40).
Il sistema immunitario funziona per difendere gli esseri umani dagli invasori estranei come batteri e virus. Tuttavia, i disturbi del sistema immunitario possono portare ad autoimmunità, malattie infiammatorie e cancro. Le malattie infiammatorie intestinali (IBD) - morbo di Crohn (CD) e colite ulcerosa (UC) - sono malattie croniche caratterizzate da infiammazione intestinale recidivante. Sebbene l'IBD sia più diffusa nei paesi occidentali (1 su 1.000), i tassi di incidenza sono in aumento in tutto il mondo. Attraverso studi di associazione, i ricercatori hanno collegato centinaia di geni alla patologia dell'IBD. Tuttavia, l'elaborata patologia alla base dell'IBD e l'elevato numero di potenziali geni pongono sfide significative nella ricerca dei migliori bersagli terapeutici. Inoltre, gli strumenti necessari per caratterizzare funzionalmente ogni associazione genetica introducono molti fattori limitanti la velocità come la generazione di topi geneticamente modificati per ogni gene. Per studiare il potenziale terapeutico dei geni bersaglio, è stato sviluppato un sistema modello utilizzando tecnologie basate su brevi ripetizioni palindromiche raggruppate regolarmente interspaziate (CRISPR)/endonucleasi associate a CRISPR (Cas9) e un anticorpo agonista cluster di differenziazione 40 (CD40). Il presente studio mostra che l'editing mediato da CRISPR/Cas9 nel sistema immunitario può essere utilizzato per studiare l'impatto dei geni in vivo. Limitato al compartimento ematopoietico, questo approccio modifica in modo affidabile il sistema immunitario ricostituito risultante. I topi modificati con CRISPR/Cas9 vengono generati più velocemente e sono molto meno costosi dei tradizionali topi geneticamente modificati. Inoltre, l'editing CRISPR/Cas9 dei topi presenta significativi vantaggi scientifici rispetto alla generazione e all'allevamento di topi geneticamente modificati, come la capacità di valutare bersagli che sono letali embrionali. Utilizzando il CD40 come bersaglio del modello di colite indotta da anticorpi agonisti CD40, questo studio dimostra la fattibilità di questo approccio.
Le malattie autoimmuni si riferiscono a condizioni in cui il sistema immunitario di un paziente attacca le proprie cellule e organi, provocando infiammazione cronica e danni ai tessuti. Ad oggi sono stati descritti quasi 100 diversi tipi di condizioni autoimmuni, che colpiscono il 3-5% della popolazioneumana1. Molte delle condizioni autoimmuni, tra cui il lupus eritematoso sistemico e l'IBD, mancano di trattamenti efficaci e presentano significative esigenze mediche insoddisfatte. Attualmente colpisce circa 1,5 milioni di persone solo negli Stati Uniti, l'IBD è una malattia devastante caratterizzata da un'infiammazione intestinale progressiva, persistente e recidivante senza cura disponibile. Svelare la patogenesi e la fisiopatologia sottostanti è necessario per fornire le nuove strategie di trattamento e prevenzione che i pazienti con IBD richiedono 2,3.
Oltre 230 diversi loci di IBD sono stati identificati attraverso analisi di associazione genome-wide (GWAS)4. Sebbene queste associazioni abbiano chiarito nuovi geni che sono potenzialmente attori importanti nei meccanismi e nei percorsi chiave dell'IBD, sono stati studiati solo pochi geni di questi loci. Alcuni geni sono stati implicati in percorsi specifici. Ad esempio, la via di rilevamento dei microbi è stata collegata alla proteina 2 (NOD2) contenente il dominio di oligomerizzazione legante i nucleotidi; la via dell'autofagia è stata collegata all'autofagia 16 like 1 (ATG16L1), alla famiglia GTPasi M correlata all'immunità (IRGM) e al membro della famiglia 9 del dominio di reclutamento delle caspasi (CARD9); e la via pro-infiammatoria è stata collegata alle risposte delle cellule T guidate dall'interleuchina (IL)-234. Vari modelli murini in vivo sono stati utilizzati per caratterizzare funzionalmente i geni identificati attraverso GWAS 5,6.
Uno dei modelli chiave utilizzati per studiare la patogenesi 7,8 dell'IBD è il modello CD40 della colite, che induce un'infiammazione intestinale immunitaria innata in seguito all'iniezione di un anticorpo agonista CD40 in topi immunodeficienti (cellule T e B). Utilizzato principalmente per esaminare il contributo dell'immunità innata allo sviluppo di IBD, principalmente macrofagi e cellule dendritiche9, non è chiaro se la malattia possa essere indotta in topi wild-type (WT) completamente immunocompetenti. Oltre ai modelli animali, sono necessari anche strumenti specifici per i geni per la caratterizzazione funzionale di un gene, compresi i composti chimici e i farmaci biologici. Ancora più importante, gli animali geneticamente modificati sono essenziali per rivelare la funzione di un gene specifico. Tuttavia, le strategie tipicamente utilizzate per realizzare topi geneticamente modificati – l'iniezione e l'allevamento di embrioni – spesso richiedono più di un anno e comportano un costo finanziario significativo. Questo processo di limitazione della velocità rappresenta una sfida significativa nella ricerca per chiarire le funzioni dei geni correlati alle IBD identificati da GWAS.
Il protocollo qui presentato fornisce una valida alternativa all'allevamento di topi geneticamente modificati. In primo luogo, come mostrato nella Figura 1 , le cellule schematiche, lignaggio-negative, antigene1-positivo, recettore tirosin-chinasi Kit-positive (lineage-Sca1+c-Kit+ o LSK) vengono isolate dal midollo osseo di topi Cas9 knockin (KI) portatori di un allele specifico (CD45.2) per consentire il tracciamento delle cellule immunitarie del donatore. Successivamente, queste cellule sono esposte a lentivirus che portano diversi RNA guida (gRNA) e un marcatore fluorescente, la proteina fluorescente verde eccitata al viola (VexGFP), per consentire il tracciamento delle cellule trasdotte. Due giorni dopo, le cellule VexGFP+ vengono selezionate e iniettate in topi Ly5.1 Pep Boy riceventi irradiati letalmente, che sono topi C57Bl/6 portatori dell'allele CD45.1 per consentire il tracciamento delle cellule immunitarie riceventi. Dodici settimane dopo, il sistema immunitario è completamente ricostituito e i topi possono essere arruolati in modelli in vivo.
Oltre al vantaggio di risparmiare sui costi e di accelerare i tempi di generazione rispetto alla generazione e all'allevamento di animali geneticamente modificati, questa metodologia è ideale per bersagli che sono letali embrionali, in quanto si rivolge specificamente al compartimento ematopoietico. Inoltre, per i bersagli in cui non sono disponibili strumenti, come un anticorpo, questo sistema fornisce un approccio fattibile. In sintesi, per affrontare le sfide descritte finora, è stata sviluppata una piattaforma di editing genomico in vivo basata su CRISPR/Cas9 per generare rapidamente modelli animali geneticamente modificati 10,11,12,13,14. Questo studio dimostra che l'infiammazione intestinale nei topi WT C57Bl/6 può essere indotta da un anticorpo agonista CD40. CD40 è un regolatore chiave della malattia in questo modello ed è stato quindi utilizzato come bersaglio del modello per convalidare il knockout basato su CRISPR/Cas9 e la perdita della funzione genica.
Tutti gli esperimenti sugli animali eseguiti seguendo questo protocollo devono essere approvati dal rispettivo Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali (IACUC). Tutte le procedure qui descritte sono state approvate da AbbVie IACUC.
1. Generazione dei lentivirus necessari e approvvigionamento di animali donatori e riceventi
NOTA: La tabella dei materiali include i dettagli della fonte e del numero d'ordine per tutti gli animali, gli strumenti e i reagenti utilizzati in questo protocollo.
2. Raccolta del midollo osseo e preparazione per la selezione cellulare
3. Smistamento cellulare per isolare le cellule LSK per la trasduzione
4. Trasduzione e coltura di LSK per generare cellule di controllo e knockout
5. Irradiazione animale per prepararsi all'attecchimento delle cellule staminali del donatore
6. Preparazione e iniezione delle cellule in animali riceventi irradiati
7. Modello di colite indotta da anticorpi agonisti CD40 in topi wild-type
NOTA: Pesare e valutare gli animali ogni giorno. Fornire cure di supporto secondo necessità: 1,0 ml di soluzione sottocutanea di cloruro di sodio con una perdita di peso del 10% o se sono disidratati. Il controllo positivo per questo modello è l'anti-p40 dosato per via intraperitoneale a 25 mg/kg due volte alla settimana a partire dal giorno -1.
NOTA: In questo studio, i gruppi sperimentali includevano il controllo naïve, il controllo del veicolo (negativo) e i gruppi di controllo anti-p40 (positivi). Insieme, questi gruppi controllano il normale comportamento del modello di colite indotta da anticorpi agonisti CD40. Gruppi vettore, SgNone e SgRNA: i controlli vettoriali per il vettore lentivirale comune, SgNone è un controllo guida non mirato criptato e i gruppi SgRNA sono i gruppi di "trattamento" che presentano una ridotta espressione del gRNA bersaglio.
Seguendo la procedura sopra descritta, sono stati generati topi che esprimono gRNA mirato a CD40. Entro la settimana 2, le cellule B, i macrofagi CD11b+ e le cellule dendritiche CD11c+ (DC) sono state innestate (Figura 2). Le cellule T tuttavia, come previsto in base alla letteratura precedente18, hanno impiegato più tempo per l'attianto completo e hanno richiesto 12 settimane dopo l'attecchimento per...
I risultati qui mostrati introducono una nuova piattaforma di editing genomico basata su CRISPR/Cas9 in grado di studiare la funzione genica in questo modello di colite indotta da anticorpi agonisti CD40. Lo smistamento cellulare ha arricchito il pool di cellule LSK geneticamente modificate, con conseguente riduzione di oltre il 90% dell'espressione di CD40 negli animali ricostituiti in soli 4 mesi. Inoltre, la ridotta espressione di CD40 all'interno del sistema immunitario ha avuto un p...
La progettazione, la conduzione dello studio e il supporto finanziario per questa ricerca sono stati forniti da AbbVie. AbbVie ha partecipato all'interpretazione dei dati, alla revisione e all'approvazione della pubblicazione. Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Grazie a Ruoqi Peng, Donna McCarthy, Jamie Erikson, Liz O'Connor, Robert Dunstan, Susan Westmoreland e Tariq Ghayur per i vostri sforzi a sostegno di questo lavoro. Grazie ai leader della farmacologia, tra cui Rajesh Kamath e altri, per la loro leadership nella creazione del modello di colite indotta da anticorpi agonisti CD40 nei topi WT C57Bl/6. Inoltre, grazie a tutti coloro che all'AbbVie Bioresearch Center e al Cambridge Research Center del Dipartimento di Medicina Comparata Est supportano gli esperimenti in vivo.
Vorremmo ringraziare il laboratorio Zhang del Broad Institute e il McGovern Institute of Brain Research del Massachusetts Institute of Technology per aver fornito i reagenti CRISPR [multiplex Ingegneria del genoma utilizzando i sistemi CRISPR/Cas. Cong, L, Ran, FA, Cox, D, Lin S, Barretto, R, Habib N, Hsu PD, Wu X, Jiang W, Marraffini LA, Zhang F Science. 3 gennaio 2013].
Name | Company | Catalog Number | Comments |
6-well tissue culture plates | Corning/Costar | #3506 | |
TransIT-LT1 | Mirus Bio | MIR 2300/5/6 | |
MACS Buffer (autoMACS Running Buffer) | Miltenyi Biotec | 130-091-221 | |
0.45 µm filter unit | Millipore | #SLHV013SL | |
0.6 mL microcentrifuge Tube | Axygen | MCT-060-C-S | |
1.5 mL Eppendorf Tube | Axygen | MCT-150-C-S | |
15mL Conical | VWR | 21008-918 | |
23 G Needle | VWR | #305145 | |
24 Well Non-TC Plates | Falcon | #351147 | |
24-Well TC Plates | Falcon | #353047 | |
50 mL Conical tube | VWR | 21008-951 | |
5 mL Syringe | BD Biosciences | #309647 | |
70 µm Filter | Miltenyi | #130-098-462 | |
96-Well Flat Bottom Plates | Corning | #3599 | |
96-Well U-Bottom Plates | Corning/Costar | #3365 | |
Anesthesia Machine | VetEquip - COMPAC5 | #901812 | |
Anti-CD40 Agonist monoclonal antibody | BioXcell | BE-0016 | |
Anti-p40 monoclonal antibody | BioXcell | BE-0051 | |
B220 PE Antibody | BioLegend | #103208 | |
Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A7906-100G | |
Cas9 Knock-in Mice | Jackson Labs | #026179 | C57Bl/6 background |
CD117+ Beads | Miltenyi | #130-091-224 | |
CD11b PE Antibody | BioLegend | #101208 | |
CD3 PE Antibody | BD Biosciences | #553240 | |
Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra 6KR Centrifuge | |
Countertop Centrifuge | Eppendorf | Centrifuge 5424 | |
DPBS | ThermoFisher | #14190136 | |
Dulbecco’s Modified Eagle Medium | Mediatech | #10-013-CV | |
Ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA) | Invitrogen | AM9260G | |
Endoscope | Karl Storz | N/A | Custom Coloview Tower |
Flow cytometer | BD Biosciences | FACS Aria II | |
Fms-related tyrosine kinase 3 ligand (Flt-L) | PeproTech | #250-31L | |
Gr-1 PE Antibody | BD Biosciences | #553128 | |
Hank's balanced salt solution (HBSS) | ThermoFisher | #14170120 | |
Heat-Inactivated Fetal Bovine Serum | HyClone | #SH30071.03 | |
IL-7 | PeproTech | #217-17 | |
Incubator | Binder | #9040-0116 | |
Isoflurane | HenrySchein | #6679401710 | |
LS Column | Miltenyi | #130-042-041 | |
Ly5.1 Pepboy Mice | Jackson Labs | #002014 | C57Bl/6 background |
mouse stem cell factor (mSCF) | PeproTech | #250-03 | |
Sodium chloride (NaCl) | Hospira | #00409488850 | |
OPTI-MEM serum-free media | Invitrogen | #31985-070 | |
Penicillin-streptomycin (PenStrep) | ThermoFisher | #15140-122 | |
Plate Shaker | ThermoFisher | #88880023 | |
pLentiPuro | Addgene | #52963 | |
Polybrene (10 µg/µL) | Sigma Aldrich | #TR-1003-G | |
Red Blood Cell Lysis Buffer | eBioscience | #00-4333 | |
Retronectin | Takarbio | #T100B | |
Sca-1 APC Antibody | BioLegend | #108112 | |
StemSpan | StemCell Technologies | #09600 | |
Ter119 PE Antibody | eBioscience | #12-5921 | |
Thrombopoietin (TPO) | PeproTech | #315-14 | |
X-ray Irradiator | Precision X-Ray | X-Rad 320 |
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