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Method Article
Doenças humanas complexas podem ser desafiadoras para modelar em sistemas de modelos laboratoriais tradicionais. Aqui, nós descrevemos uma aproximação cirúrgica para modelar a doença do músculo humano com a transplantação de biópsias humanas do músculo esqueletal em ratos immunodeficientes.
Os efeitos do tratamento observados em estudos em animais muitas vezes não conseguem ser recapitulados em ensaios clínicos. Embora esse problema seja multifacetado, uma razão para essa falha é o uso de modelos laboratoriais inadequados. É desafiador modelar doenças humanas complexas em organismos laboratoriais tradicionais, mas esta questão pode ser contornada através do estudo de xenoenxertos humanos. O método cirúrgico que descrevemos aqui permite a criação de xenoenxertos de músculo esquelético humano, que podem ser usados para modelar a doença muscular e realizar testes terapêuticos pré-clínicos. um Conselho de revisão institucional (IRB)-protocolo aprovado, espécimes de músculo esquelético são adquiridos de pacientes e, em seguida, transplantados em NOD-Rag1NULLIL2rγNULL (NRG) hospedeiro camundongos. Esses camundongos são hospedeiros ideais para estudos de transplante devido à sua incapacidade de fazer linfócitos maduros e, portanto, não conseguem desenvolver respostas imunes adaptáveis mediadas por células e humorais. Camundongos hospedeiros são anestesiados com isoflurano, e os músculos do rato tibial anterior e extensor dos dedos longos são removidos. Uma parte do músculo humano é colocada então no compartimento tibial vazio e suturada aos tendões proximal e longe do ponto de origem do músculo do longo do peroneus. O músculo xenografado é espontaneamente vascularizado e inervado pelo hospedeiro do camundongo, resultando em músculo humano regenerado de forma robusta que pode servir de modelo para estudos pré-clínicos.
Tem sido relatado que apenas 13,8% de todos os programas de desenvolvimento de medicamentos submetidos a ensaios clínicos são bem-sucedidos e levam a terapias aprovadas1. Quando esta taxa de sucesso for mais elevada do que os 10,4% relatados previamente2, há ainda uma sala significativa para a melhoria. Uma abordagem para aumentar a taxa de sucesso dos ensaios clínicos é melhorar os modelos laboratoriais utilizados na investigação pré-clínica. A administração de alimentos e drogas (FDA) requer estudos em animais para demonstrar a eficácia do tratamento e avaliar a toxicidade antes dos ensaios clínicos de fase 1. No entanto, muitas vezes há concordância limitada nos desfechos de tratamento entre estudos em animais e ensaios clínicos3. Além disso, a necessidade de estudos pré-clínicos em animais pode ser uma barreira intransponível para o desenvolvimento terapêutico em doenças que não têm um modelo animal aceito, o que geralmente é o caso de doenças raras ou esporádicas.
Uma maneira de modelar a doença humana é transplantar o tecido humano em camundongos imunodeficientes para gerar xenoenxertos. Existem três principais vantagens para os modelos de Xenoenxerto: primeiro, eles podem recapitular as complexas anormalidades genéticas e epigenéticas que existem na doença humana que podem nunca ser reprodutíveis em outros modelos animais. Em segundo, os xenoenxertos podem ser usados para modelar doenças raras ou esporádicas se as amostras do paciente estiverem disponíveis. Terceiro, os xenoenxertos modelam a doença dentro de um sistema completo in vivo. Por estas razões, nós supor que os resultados da eficácia do tratamento em modelos do xenograft são mais prováveis traduzir aos testes nos pacientes. Os xenoenxertos de tumores humanos já foram utilizados com sucesso para desenvolver tratamentos para cânceres comuns, incluindo mielomamúltiplo, bemcomo terapias personalizadas para pacientes individuais4,5,6, o 7.
Recentemente, os xenoenxertos têm sido usados para desenvolver um modelo de doença muscular humana8. Neste modelo, os espécimes humanos da biópsia do músculo são transplantados nos hindmembros de ratos immunodeficientes de NRG para dar forma a xenoenxertos. Os myofibers humanos transplantados morrem, mas as pilhas de haste humanas do músculo atuais no xenograft expandem subseqüentemente e diferenciam-se em myofibers humanos novos que repovoam o lamina básico humano enxertado. Conseqüentemente, os myofibers regenerados nestes xenoenxertos são inteiramente humanos e são revascularizados espontâneamente e inervado pelo anfitrião do rato. Importante, o tecido muscular do paciente da distrofia muscular fascioscapulohumeral (FSHD) transplantado em ratos recapitula características chaves da doença humana, a saber expressão do fator8da transcrição DUX4 . A FSHD é causada pela superexpressão de DUX4, que é epigeneticamente silenciada no tecido muscular normal9,10. No modelo de FSHD xenograft, o tratamento com um morfolino DUX4-specific foi mostrado para reprisificar com sucesso DUX4 expressão e função, e pode ser uma opção terapêutica potencial para pacientes de FSHD11. Estes resultados demonstram que os xenoenxertos do músculo humano são uma aproximação nova para modelar a doença do músculo humano e para testar terapias potenciais nos ratos. Aqui, nós descrevemos em detalhe o método cirúrgico para criar xenoenxertos humanos do músculo esqueletal em ratos immunodeficientes.
Todo o uso de espécimes de pesquisa de sujeitos humanos foi aprovado pelo Conselho de revisão institucional (IRB) da Johns Hopkins para proteger os direitos e o bem-estar dos participantes. Todos os experimentos com animais foram aprovados pelo Comitê institucional de cuidado e uso de animais da Universidade Johns Hopkins (IACUC), de acordo com o guia nacional de saúde (NIH) para o cuidado e uso de animais de laboratório. Macho NOD-Rag1NULLIL2rγNULL (NRG) camundongos hospedeiros (8-12 semanas de idade) são usados para realizar experimentos xenograft. Estes ratos são alojados em racks ventilados e são dadas HEPA-filtrado, temperado, e ar humidificado, bem como osmose reversa filtrada água hiperclorada. Os ratos são fornecidos água e uma dieta antibiótica irradiada (tabela de materiais) ad libitum, e a instalação fornece 14 h de luz para 10 h de escuro como controlado pelo temporizador central.
1. preparação do equipamento
2. Preparação cirúrgica
3. cirurgia de Xenoenxerto
4. coleção xenograft
Nota: Os xenoenxertos são tipicamente coletados entre 4 a 6 meses após a cirurgia. No entanto, as coletas foram realizadas até 12 meses após a cirurgia.
5. Xenoenxerto imunoistoquímica
Figura 2: cirurgia de Xenoenxerto. (A) o cabelo é removido do local cirúrgico. (B) uma incisão é feita sobre o tibial anterior (ta). Os tendões distais do TA e do extensor longo do digitorum (EDL) são marcados com setas. A linha tracejada preta indica onde o epimísio será cortado na etapa 3,3. (C) o tendão distal do ta é cortado e o músculo é puxado até o joelho. (D) o tendão do EDL é cortado e o EDL é puxado até o joelho. Isto expõe o tendão proximal do longo do peroneus (pl) marcado com uma seta. Linhas tracejadas indicam onde cortar com tesouras para remover o EDL (verde) e PL (azul). (E) os EDL e ta são removidos. (F) uma sutura é colocada através do tendão proximal do pl. (G) o xenograft é coloc no compartimento tibial vazio e suturado ao tendão proximal do pl usando um nó quadrado cirúrgico da dois-mão. (H) uma sutura é colocada através do tendão distal do pl, marcada com uma seta, e outro nó quadrado cirúrgico de duas mãos é usado para suturar o Xenoenxerto para o tendão distal. (I) o Xenoenxerto é totalmente transplantado e suturado para o pl. (J) a pele é fechada com cola cirúrgica. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3:4 mês coleção xenograft. (A) o cabelo é removido do local cirúrgico. Suturas são visíveis a pele. (B) a pele que sobrejacente o xenograft é removida. Então o xenograft é agarrado com o fórceps da íris na sutura longe do ponto de origem e puxado delicadamente para cima. A partir do tornozelo, um bisturi é usado para cortar ao longo da tíbia e libertar o Xenoenxerto. A seta mostra o início da incisão ao longo da tíbia. (C) puxando o músculo gastrocnêmio ao lado, uma linha branca fraca de epimísio que separa o músculo do longo do peroneus (pl) e o gastrocnêmio (mostrado pela seta) torna-se visível. Use o bisturi para cortar ao longo desta linha para separar o PL dos outros músculos da perna. (D) o lado direito do xenograft, e o pl estão agora livres dos outros músculos na perna e estão prontos para a remoção. A linha tracejada indica onde cortar com tesouras cirúrgicas para começar a remover o xenograft e o PL. (e) após o corte abaixo da sutura longe do ponto de origem, deflexionar o xenograft para o joelho. A linha tracejada indica onde cortar com tesouras cirúrgicas para remover o xenograft e o PL do compartimento tibial. (F) o compartimento tibial vazio com o xenograft e o pl removidos com sucesso. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Como demonstrado por Yuanfan Zhang et al., este protocolo cirúrgico é um método direto para produzir xenoenxertos de músculo esquelético humano8. Xenoenxertos regenerados tornam-se espontaneamente inervado e exibem contratilidade funcional. Além, o músculo xenografados dos pacientes de FSHD recapitula mudanças na expressão de gene observadas em pacientes de FSHD8.
Em nossa experiência, aproximadamente 7 de 8 xenoenxertos executados dos ...
Os xenoenxertos derivados do paciente são uma forma inovadora de modelar a doença muscular e realizar estudos pré-clínicos. O método descrito aqui para criar xenoenxertos do músculo esqueletal é rápido, direto, e reprodutível. Cirurgias unilaterais podem ser realizadas em 15 a 25 minutos, ou bilateralmente em 30 a 40 minutos. Os xenoenxertos bilaterais podem fornecer flexibilidade experimental adicional. Por exemplo, os pesquisadores podem realizar o tratamento localizado de um Xenoenxerto, com a outra esquerda ...
Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.
Este trabalho foi apoiado pela Associação de myositis e pela Fundação de Peter Buck. Gostaríamos de agradecer ao Dr. Yuanfan Zhang por compartilhar sua expertise e treinamento na técnica cirúrgica do xenograft.
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 |
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