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Este protocolo descreve microinjeção e eletroporação in vivo para edição do genoma mediada por CRISPR regionalmente restrita no oviduto de camundongos.
Modelos de camundongos geneticamente modificados germinativos (G-GEMMs) forneceram informações valiosas sobre a função gênica in vivo no desenvolvimento, homeostase e doenças. No entanto, o tempo e o custo associados à criação e manutenção da colônia são elevados. Avanços recentes na edição do genoma mediada por CRISPR têm permitido a geração de GEMMs somáticos (S-GEMMs) visando diretamente a célula/tecido/órgão de interesse.
O oviduto, ou tuba uterina em humanos, é considerado o tecido de origem do câncer de ovário mais comum, os carcinomas serosos de ovário de alto grau (HGSCs). As HGSCs iniciam-se na região da tuba uterina distal ao útero, localizada adjacente ao ovário, mas não na tuba uterina proximal. No entanto, os modelos tradicionais de camundongos de HGSC têm como alvo todo o oviduto e, portanto, não recapitulam a condição humana. Apresentamos um método de microinjeção de solução de DNA, RNA ou ribonucleoproteína (RNP) na luz do oviduto e eletroporação in vivo para atingir células epiteliais da mucosa em regiões restritas ao longo do oviduto. Existem várias vantagens deste método para a modelagem do câncer, tais como: 1) alta adaptabilidade em atingir a área/tecido/órgão e região de eletroporação, 2) alta flexibilidade em tipos de células-alvo (pliancy celular) quando usado em combinação com promotores específicos para expressão de Cas9, 3) alta flexibilidade no número de células eletroporadas (frequência relativamente baixa), 4) nenhuma linhagem específica de camundongo é necessária (modelagem imunocompetente da doença), 5) alta flexibilidade na combinação de mutações gênicas e 6) possibilidade de rastrear células eletroporosas quando usadas em combinação com uma linha repórter Cre. Assim, este método custo-efetivo recapitula a iniciação do câncer humano.
A tuba uterina, chamada de oviduto em camundongos, é uma estrutura tubular que conecta o útero ao ovário. Desempenha papel essencial na reprodução de mamíferos, proporcionando ambiente para fertilização interna e desenvolvimento pré-implantação 1,2. Apesar de sua importância, pouco se sabe sobre sua função e homeostase, em parte devido ao desenvolvimento de técnicas de fertilização in vitro, driblando qualquer problema de infertilidade relacionado a esse órgão3. Entretanto, tem sido reconhecido que as lesões pré-cancerosas do carcinoma seroso de ovário de alto grau (ICHP), um histotipo agressivo de câncer de ovário que representa cerca de 75% dos carcinomas ovarianos e 85% das mortesrelacionadas4, são restritas ao epitélio distal das tubas uterinas5,6,7,8. Isso indica que nem todas as células do nosso corpo são igualmente suscetíveis a insultos oncogênicos, mas apenas células únicas/suscetíveis em cada tecido/órgão se tornam a célula de origem do câncer – denominada pliancy celular9. Nessa linha, tem sido demonstrado que as células epiteliais da tuba uterina distal, localizadas adjacentes ao ovário, são distintas do restante da tuba10,11. Assim, os modelos tradicionais de camundongos de HGSC, que têm como alvo todas as células do oviduto, não recapitulam a condição humana. Em um estudo recente, usamos uma combinação de edição do genoma mediada por CRISPR, eletroporação in vivo do oviduto e rastreamento de linhagem baseado em Cre para induzir com sucesso HGSC através da mutação de quatro genes supressores de tumor no oviduto distal de camundongos12,13. Este manuscrito apresenta um protocolo passo-a-passo descrevendo este procedimento de microinjeção e eletroporação in vivo para atingir o epitélio mucoso do oviduto de camundongos.
Este método tem várias vantagens. Pode ser adaptado para atingir outros tecidos/órgãos, incluindo o parênquima orgânico14. Embora outras abordagens de entrega gênica in vivo, como sistemas lentiviral e adenoviral, possam ser usadas para alcançar um direcionamento específico de tecido/órgão semelhante, a área de alvo é mais facilmente ajustada usando diferentes tamanhos de eletrodos do tipo tweezer para entrega baseada em eletroporação. Dependendo da concentração de DNA/RNA/ribonucleoproteínas (RNPs), dos parâmetros de eletroporação e do tamanho dos eletrodos, o número de células eletroporosas pode ser alterado. Além disso, tipos celulares específicos podem ser visados quando usados em combinação com promotores para a expressão de Cas9, sem a necessidade absoluta de modelos de camundongos geneticamente modificados Germline (G-GEMMs). Além disso, ao contrário dos sistemas de liberação viral, a eletroporação permite a entrega de múltiplos plasmídeos em células únicas e menos restrição no tamanho do DNA de inserção15. O rastreamento in vivo de mutações gênicas também pode ser realizado com relativa facilidade devido a essa alta flexibilidade. Além disso, células eletroporadas podem ser rastreadas ou rastreadas quando esse método é usado em combinação com linhas de repórteres Cre, como Tdtomato ou Confete16,17.
Os animais foram alojados em gaiolas estáticas de microisolamento com tampas filtrantes, localizadas em uma sala dedicada contendo uma cabine de biossegurança tipo II. Todo o trabalho com animais foi realizado de acordo com as diretrizes institucionais e foi aprovado pelo Comitê de Cuidados com Animais da Faculdade de Medicina e Ciências da Saúde da Universidade McGill (AUP #7843).
1. Preparação da agulha de microinjeção
Figura 1: Preparo da agulha de microinjeção. (A,B) Tubo capilar tracionado com extremidade pontiaguda (A) que foi cortado para criar uma abertura (B). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
2. Preparo do anestésico para injeção intraperitoneal
3. Preparo da área cirúrgica
4. Preparação da solução e da agulha para injeção
Figura 2: Preparo da área cirúrgica. (A) Configuração da área cirúrgica dentro de uma bancada limpa. (B) Microscópio de dissecção e micromanipulador para um indivíduo destro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Exposição do aparelho reprodutor feminino
6. Injeção in vivo de oviduto e eletroporação
Figura 3: Exposição do aparelho reprodutor feminino e microinjeção . (A) Localização da incisão mediana (mostrada como uma linha amarela) no lado dorsal de um camundongo Rosa-LSLtdTomate. (B) Exposição do aparelho reprodutor feminino. O coxim gorduroso foi pinçado com pinça estéril de buldogue para ancorar o trato e mantê-lo exposto. (C,D) Imagens representativas da injeção in vivo do oviduto. Uma agulha de microinjeção foi inserida na ampola distal (AMP marcada) e filtrado 100% de azul de tripano foi injetado na luz do oviduto enquanto o trato era exposto (C). Imagem representativa de um oviduto dissecado, demonstrando que a solução injetada de azul de tripano se distribui por toda a luz distal e proximal do oviduto (D). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
As Figuras 1 e 2 ilustram o preparo da agulha de microinjeção e a configuração da área cirúrgica, respectivamente, para microinjeção in vivo e eletroporação do oviduto de camundongos. Durante a cirurgia, o aparelho reprodutor feminino foi exposto através de incisões feitas na pele dorsal (Figura 3A) e na parede corpórea de um camundongo Rosa-LSLtdTomato (Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J)17 anestesiado. Uma pinça de buldogue foi fixada no coxim gorduroso acima do trato para mantê-lo exposto e ancorado (Figura 3B). Solução injetável contendo plasmídeos PCS2 CreNLS18 na concentração de 400 ng/μL foi injetada na ampola (AMP marcado) do oviduto espiralado e deixada dispersar por toda a luz do oviduto (Figura 3C,D). Embora plasmídeos PCS2 CreNLS tenham sido usados para gerar resultados representativos neste manuscrito, o método descrito pode ser usado com DNA/RNA/RNPs facilmente intercambiáveis na solução de injeção para edição gênica mediada por CRISPR/Cas no oviduto de camundongos. Em seguida, foram posicionados eletrodos tipo pinça de 1 mm ou 3 mm, de forma que o oviduto distal ficasse entre os eletrodos para liberação baseada em eletroporação.
Os ovidutos foram colhidos 4 dias após a cirurgia e esticados com a remoção da mesossalpinge para visualização da especificidade da eletroporação. Utilizando-se eletrodos do tipo tweezer de 1 mm ou 3 mm, a área alvo, marcada com TdTomato, foi restrita ao epitélio distal do oviduto (Figura 4A,D). O tamanho dessa área alvo foi controlado com o uso de eletrodos de diferentes tamanhos. Usando eletrodos do tipo tweezer de 3 mm, visamos uma área muito maior do AMP (Figura 4B,C), em comparação com o alvo apenas da ponta mais distal, o INF (Figura 4E,F), usando eletrodos do tipo tweezer de 1 mm. Esses ovidutos colhidos foram fixados, tratados com gradiente de sacarose e seccionados com criostato para análises detalhadas. Os cortes foram contracorados com Hoescht 33342 e Faloidina para corar os núcleos e citoesqueleto, respectivamente, e então foram fotografados usando um microscópio confocal de varredura pontual. Na região alvo, as células eletroporadas, marcadas por TdTomato, foram distribuídas aleatoriamente entre as células não eletroporadas (TdTomato-ve) (Figura 4G). Além disso, as células eletroporadas estavam restritas ao epitélio mucoso e não se encontravam no estroma ou na camada muscular subjacente (Figura 4G,H). Finalmente, para confirmar a edição gênica mediada por CRISPR-Cas, células TdTomato+ve podem ser isoladas por classificação celular ativada por fluorescência (FACS) para isolamento de DNA e sequenciamento deMiSeq12.
Figura 4: Validação do sucesso da injeção in vivo e eletroporação das células epiteliais do oviduto, 4 dias pós-operatório. (A-C) Eletroporação utilizando eletrodos do tipo tweezer de 3 mm. O oviduto foi desenrolado pela remoção da mesossalpinge para melhor visualização da especificidade da eletroporação (A). A área de eletroporação, identificada pela expressão de TdTomato, foi restrita ao oviduto distal, marcado como AMP (B,C). (D-F) Eletroporação utilizando eletrodos do tipo tweezer de 1 mm. O oviduto foi desenrolado com a remoção da mesossalpinge para melhor visualização da especificidade da eletroporação (D). A área de eletroporação foi restrita ao infundíbulo (INF), a ponta mais distal do oviduto (E,F). (G,H) Secção transversal do oviduto distal 4 dias após a eletroporação com plasmídeos PCS2 CreNLS. As células eletroporadas marcadas com TdTomato (G) foram restritas à monocamada epitelial (H). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Etapas cruciais neste protocolo detalhado são a microinjeção de solução de DNA/RNA/RNP na luz do oviduto e o controle da força e área de eletroporação. O vazamento da solução de DNA/RNA/RNP durante a microinjeção pode causar transfecção de áreas/células indesejadas. Para uma eletroporação consistente e eficiente, é preferível preencher a luz do oviduto com a solução (Figura 3C,D). Isso ocorre porque a área de eletroporação é controlada principalmente pelo tamanho e colocação do eletrodo. A eletroporação fraca reduz o número de células eletroporadas, e a eletroporação severa pode causar a eletroporação de células indesejadas ou perturbar a estrutura do tecido. O número de células eletroporadas pode ser variado ajustando-se a concentração da solução DNA/RNA/RNP ou os parâmetros de eletroporação. No entanto, como altas tensões/produção de calor durante a eletroporação podem danificar o tecido, esses parâmetros devem ser testados antes do uso em camundongos vivos/anestesiados. Finalmente, devido à natureza exigente deste procedimento, recomenda-se praticar exposição do trato e microinjeção em camundongos mortos antes de realizar esta cirurgia em camundongos vivos/anestesiados.
Reconhece-se que múltiplos genes estão envolvidos na iniciação do câncer, portanto, a recapitulação desse evento requer modificação multialélica de vários genes. Além disso, sabe-se também que nem todas as células são igualmente suscetíveis a mutações oncogênicas9. A modelagem do câncer, portanto, requer linhas específicas de camundongos Cre para alcançar um controle rigoroso dos insultos oncogênicos. No entanto, sua disponibilidade e especificidade causam vários desafios, incluindo efeitos em tecidos não visados e letalidade19. Além disso, os G-GEMMs tradicionais incorrem em altos custos de manutenção e requerem tempo para a geração da linha de mouses. O desenvolvimento da tecnologia de edição do genoma CRISPR/Cas9 e a melhoria da entrega de genes em células somáticas específicas nos permitiu superar essas questões. Neste protocolo, apresentamos um método de liberação de DNA/RNA/RNP para manipulação do genoma somático que pode ser usado para modelagem de câncer, sem a necessidade absoluta de linhagens específicas decamundongos12. Ao injetar soluções de DNA/RNA/RNP no lúmen e usar diferentes tamanhos de eletrodos do tipo tweezer para liberação baseada em eletroporação, áreas restritas do epitélio da mucosa do oviduto de camundongos são visadas (Figura 4A-F). Isso é especialmente útil na modelagem do início das HGSCs que se originam da extremidade distal da tuba uterina.
O método de microinjeção e eletroporação in vivo apresentado é altamente versátil para atingir tecidos/órgãos com lúmen. O parênquima orgânico também é alvo dessemétodo14. Abordagens de entrega viral, como sistemas lentiviral e adenoviral, também podem ser usadas para fins semelhantes. No entanto, as vantagens da eletroporação sobre as abordagens de liberação viral são: 1) entrega múltipla de plasmídios em células únicas, 2) nenhuma restrição no tamanho da inserção15 e 3) fácil controle da área e do momento do parto. Além disso, a especificidade da segmentação pode ser melhorada com o uso de promotores específicos de linhagem. Isso às vezes é difícil em sistemas virais devido ao limite de embalagens virais.
Como é da natureza da eletroporação, as células epiteliais eletroporosas são aleatoriamente intercaladas com células saudáveis e não editadas (Figura 4G). No entanto, esse mosaicismo em células geneticamente modificadas e não modificadas poderia ser vantajoso para estudar a iniciação do câncer, pois recapitula a natureza esporádica da iniciação precoce do câncer dentro de um microambiente imunocompetente. A frequência de células eletroporadas pode ser ajustada variando-se as concentrações da solução de DNA/RNA/RNP e/ou os parâmetros de eletroporação. Usando a edição gênica mediada por CRISPR-Cas em combinação com o protocolo apresentado, é fácil rastrear múltiplos genes e gerar padrões heterogêneos de mutações/combinações alélicas em genes-alvo; isso é particularmente útil na modelagem de cânceres que apresentam um número considerável de alterações genômicas como HGSCs20,21. Além disso, por meio do sequenciamento de genes-alvo durante a progressão do câncer, é possível acompanhar a evolução clonal in vivo de tumores e metástases em camundongosimunocompetentes12.
Os autores não têm nada a revelar.
Os autores agradecem a Katie Teng e ao Dr. Matthew J. Ford pelo fornecimento de plasmídeos usados para gerar resultados representativos e otimização de protocolos. K.H. foi apoiado pelo Fonds de recherche du Québec - Santé (FRQS) bolsa de doutorado, Donnor Foundation, Delta Kappa Gamma World Fellowship, Centre for Research in Reproduction and Development (CRRD), Hugh E. Burke, Rolande e Marcel Gosselin e Alexander McFee.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 µm sterile filter unit | LifeGene | SF0.22PES | |
1 mL syringe | Terumo Medical Corportation | SS-01T | |
1 mm tweezer-type electrodes | BEX CO., LTD | LF650P1 | |
3 mm tweezer-type electrodes | BEX CO., LTD | LF650P3 | |
30G x 1/2 Needle | BD | 305106 | Needle is attached to the 1 mL syringe when using injectable anesthetic or analgesic. |
Adson forceps | Fisher Scientific | 10-000-451 | |
Air-pressured syringe | BD | B302995 | Attached to the micromanipulator; as shown in Figure 2B |
Analgesic | - | - | Carprofen, dose: 5mg/kg. |
Antiseptic | Cardinal Health | OMEL0000017 | Baxedin: 2% chlorhexidine in 70% isopropyl alcohol |
Avertin (2,2,2-tribromoethanol) - Anesthetic | Sigma Aldrich | T48402-25G | |
Clamp mount micromanipulator | AD Instruments | MM-33 | |
Curved serrated forceps | Fisher Scientific | NC0696845 | |
Dissecting microscope | Zeiss | SteREO Discovery.V8 | Apochromat S, 0.63X, FWD 107mm. Attached KL 200 LED for top light, labelled as light source in Figure 2B. |
Eye lubricant | Alcon | - | Systane ointment (Lubricant eye ointment) |
Glass capillary needles | Sutter Instrument Co. | B100–50-10 | Outside diameter: 1 mm, inside diameter: 0.5 mm, length: 10 cm |
Hartman hemostats | Fisher Scientific | 50-822-711 | |
Heating pad/disc | - | - | SnuggleSafe Pet Bed Microwave Heating Pad was used in this protocol. Microwave for 2-5min, and test with back of gloved hand. |
Magnetic Mount for micromanipulator | AD Instruments | MB-B | Used to keep the clamp mount micromanipulator stable and upright during injection. |
Micro bulldog clamp | Fisher Scientific | 50-822-230 | 3 cm |
Micropipette puller | Sutter Instrument Co. | P-97 | P-97 Flaming/Brown type micropipette puller. Program used: P = 500, Heat = 576, PULL = 50, VEL = 80, DEL = 70 |
Petri dish | Fisher Scientific | 263991 | Autoclaved/sterile glass petridishes can also be used. |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Bio Basic Inc. | PD8117 | 10X PBS was diluted to 1X with DI water. Autoclave before use. |
Pulse generator/Electroporator | BEX CO., LTD | CUY21 EDIT II | Electroporation settings: 30 V, 3 pulses, 1 s interval, P. length = 50 ms, unipolar |
Rosa-LSLtdTomato mice | The Jackson Laboratory | 7914 | Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J |
Sharp-blunt dissection scissors | Fisher Scientific | 28251 | |
Sharp-pointed dissecting scissors | Fisher Scientific | SDI130 | |
Shaver | - | - | Hair removal cream can also be used. |
Silk braided sutures | Ethicon | 682G | 3/8 circle, gauge: 5-0, needle size: 18 mm, thread length: 75 cm. Staples can also be used. |
Tapered ultrafine tip forceps | Fisher Scientific | 12-000-122 | |
Thin absorbent paper | Kimberly-Clark Professional | 34120 | Kimwipes |
Trypan blue | STEMCELL Technologies | 7050 | Filtered using 0.22 µm sterile filter before use for microinjection. |
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