随着基因治疗领域的不断发展,对能够应对这些挑战的创新方法的需求越来越大。本文介绍了一种独特的方法,该方法简化了使用 Cell Factory 平台生成高产量和高纯度 AAV 载体的过程,满足 体内 研究的质量标准。
临床前基因治疗研究,特别是在啮齿动物和大型动物模型中的研究,需要生产高产量和高纯度的 AAV 载体。研究实验室的传统方法通常涉及广泛使用细胞培养皿来培养HEK293T细胞,这一过程既费力又有问题。本文介绍了一种独特的内部方法,该方法使用特定的细胞工厂(或细胞堆栈,CF10)平台简化了这一过程。聚乙二醇/水性两相分配与碘克沙醇梯度超速离心相结合,提高了所生成 AAV 载体的产量和纯度。AAV 载体的纯度通过 SDS-PAGE 和银染验证,而满颗粒与空颗粒的比率则使用透射电子显微镜 (TEM) 确定。这种方法为高产量生产 AAV 载体提供了一个高效的细胞工厂平台,并结合了改进的纯化方法,以满足 体内 研究的质量要求。
腺相关病毒 (AAV) 载体已成为基因治疗研究中不可或缺的工具,为基因递送提供了有效性和安全性的独特组合1。在实验室环境中生成 AAV 的传统方法对于促进我们对基因治疗的理解和应用至关重要2。然而,这些方法虽然是基础方法,但存在一定的局限性和挑战,尤其是在产量、时间效率和所产生载体的质量方面,特别是满颗粒与空颗粒的比率3。
AAV 生产的常规程序主要涉及 HEK293 细胞的转染4。该过程通常在细胞培养皿中进行,需要用含有目标基因的质粒以及辅助质粒和 AAV 衣壳质粒 5,6 转染细胞。转染后,细胞产生 AAV 颗粒,然后收获和纯化 5,6。纯化过程通常涉及超速离心,这是获得高纯度 AAV 载体的关键步骤7。超速离心,特别是使用氯化铯 (CsCl) 或碘克沙醇梯度,是将 AAV 颗粒与细胞碎片和其他杂质分离的标准方法8。这一步对于实现所需的 AAV 载体纯度和浓度至关重要,而 AAV 载体的纯度和浓度会直接影响其基因递送的功效8。尽管传统超速离心法应用广泛,但也有其缺点。例如,这种方法的 AAV 载体产量可能可变且通常很低,当需要大量高滴度载体时,这带来了重大挑战,特别是对于体内研究或大型动物模型9。
AAV 载体质量的另一个关键方面是满颗粒与空颗粒的比率10。AAV 制剂通常含有这些颗粒的混合物;然而,只有完整的颗粒含有治疗性遗传物质。高比例空颗粒的存在会显著降低基因递送的效率10。因此,评估和优化满颗粒与空颗粒的比率是评估 AAV 载体功效的关键参数。传统方法虽然能够制备 AAV 载体,但通常难以一致地控制该比率,从而导致载体效力发生变化10。
本文提出了一种独特的方法,该方法简化了使用细胞工厂平台生成高产量和高纯度 AAV 载体的过程,无需在细胞培养皿中使用劳动密集型HEK293T细胞培养物,将聚乙二醇/水性两相分配与碘克沙醇梯度超速离心相结合。通过 SDS-PAGE 和银染确认 AAV 载体纯度,并使用透射电子显微镜 (TEM) 确定满颗粒与空颗粒的比率,符合 体内 研究的质量标准11。
材料 表中列出了研究中使用的试剂、质粒和设备的详细信息。所用缓冲液的成分在 补充文件 1 中提供。
1. 质粒制备
2. 制备HEK293T细胞
3. AAV 质粒的三重转染
4. 收获 AAV 载体
5. AAV 提取
6. 通过碘克沙醇梯度超速离心纯化 AAV
7. 第二轮碘克沙醇梯度超速离心
注意:此步骤是可选的。此步骤是为了降低空 AAV 比率,以获得更高质量的完整 AAV 衣壳。
8. AAV 透析和浓缩
9. AAV 病毒滴定
注:TaqMan 定量聚合酶链反应 (qPCR) 用于滴定纯化的 AAV。
10. AAV 的质量控制
注:使用 SDS-PAGE 凝胶通过 SDS-PAGE 银染表征 AAV 病毒的纯度,并使用市售染色试剂盒染色。
在这个详细的分步方案中,展示了一个标准化平台,可以在大规模研究实验室环境中使用 CF10 制造高滴度和高质量的 AAV 病毒。与传统的细胞培养皿相比,CF10 提供了一种培养大量细胞和产生 AAV 病毒的便捷方法(图 1)。测试了几种培养条件,以确定最佳环境中的细胞是否可以促进病毒生产。补充 10 mM HEPES 和 2% FBS 的低葡萄糖 DMEM 显示出最佳的 AAV 产生。
测试了几种纯化 AAV 的方案。大多数程序的病毒产量低且 AAV 衣壳杂质少。在这里,开发了一种修订后的纯化方案,结合了来自细胞沉淀和培养基的 AAV(图 2)。我们发现 80% 的 AAV 在细胞中,另外 20% 的 AAV 在从细胞分泌的培养基中。AAV 的两部分均用 DNase 处理以去除游离 DNA。脱氧胆酸钠用于进一步从细胞中释放 AAV。然后用氯仿萃取提取 AAV,然后进行水性两相分配。这些步骤可以去除大多数蛋白质污染物。AAV 仍可溶于硫酸铵相。
用不连续的碘克沙醇梯度超速离心去除剩余的污染物(图 3A)。梯度还有助于去除空的 AAV 衣壳,尤其是在第二轮碘克沙醇梯度超速离心中。
通过银染测定 AAV 病毒的纯度。当获得对应于 AAV 衣壳蛋白的三个主要条带 VP1、VP2 和 VP3 时,纯度大于 90%,AAV 病毒适合 体内 使用(图 3B)。通过 TEM 访问 AAV 完整衣壳与空衣壳的比率(图 3C)。只有带有转基因插入片段的完整衣壳才能在目标组织中表达转基因。高比例的空衣壳也可能诱导对 AAV 衣壳的免疫反应。这些质量检查对于使用前生产和纯化的每种 AAV 病毒都是必要的。
图 1:HEK293T 细胞三重转染法生产 AAV 的示意图。请点击此处查看此图的较大版本。
图 2:AAV 纯化示意图。请单击此处查看此图的较大版本。
图 3:通过碘克沙醇梯度超速离心和 AAV 病毒纯度验证进行 AAV 纯化。 (A) 碘沙醇梯度层和收获针的位置。(B) 评估衣壳含量和纯度的代表性凝胶。M: 分子标志物;R: 参考 AAV6 完整衣壳;S1:自制的 AAVDJ 衣壳,经过一轮超速离心;S2:内部制造的 AAVDJ 衣壳,经过两轮超速离心;S3:自制 AAV6 衣壳。(C) AAV 的电子显微镜图像。纯化后收集的病毒。包含病毒基因组的病毒衣壳显示为均匀的白色六边形,而空衣壳显示为具有白色边缘但中心较暗的六边形。比例尺:100 nm。 请单击此处查看此图的较大版本。
表 1:AAV 包装的 PEI 计算器。请点击此处下载此表格。
表 2:原始 AAV-PEG-硫酸盐体积图。请点击此处下载此表格。
表 3:碘克沙醇梯度的制备。请点击此处下载此表格。
表 4:第二轮碘克沙醇梯度的制备。请点击此处下载此表格。
表 5:AAV 滴定引物。请点击此处下载此表格。
补充文件 1:用于研究的缓冲液的成分。请点击此处下载此文件。
本文介绍了一种技术先进的方案,用于使用细胞工厂平台 (CF10) 大规模生产高滴度和高质量的 AAV 载体,这是对传统细胞培养皿方法的显著改进。细胞工厂的使用简化了大量细胞的培养过程,促进了 AAV 病毒的更高效的生产1。此外,通过优化培养条件,特别是使用补充有 10 mM HEPES 和 2% FBS 的低葡萄糖 DMEM,证实了病毒产量的显著提高,表明细胞环境在病毒产量中起着关键作用。
修订后的纯化方案结合了来自细胞沉淀和培养基的 AAV,解决了许多现有方案中常见的病毒产量低和杂质问题。氯仿萃取和水两相分配步骤可有效去除大多数蛋白质污染物,AAV 仍可溶于硫酸铵相。与传统的梯度超速离心方法相比,使用 PEG/水性两相分配结合碘克沙醇梯度超速离心的 AAV 载体的产量和纯度都有所提高,这可能归因于 PEG/水性双相分配增强的初始分离、碘克沙醇梯度超速离心的纯化纯度以及污染物共纯化的减少12.首先,在超速离心之前引入 PEG/水性两相分配可显著改善 AAV 颗粒与细胞碎片和其他污染物的初始分离。PEG 是一种高分子量聚合物,当与水溶液混合时,会产生两个不同的固定相13。AAV 载体倾向于优先分配到这些相之一(通常是富含 PEG 的相),而许多污染物和杂质则被分配到其他13 个相中。这种选择性分配可有效地浓缩 AAV 颗粒,并在超速离心之前去除大部分杂质,从而提高产量并减少进入超速离心步骤13 的污染物负荷。其次,碘克沙醇梯度超速离心进一步提高了 AAV 载体的纯度。碘沙醇是一种非离子等渗梯度填料,与传统的 CsCl 梯度相比,可实现更温和、更可控的分离14。在这个梯度中,AAV 颗粒迁移到梯度中与其浮力密度14 相对应的位置。重要的是,该过程可有效分离完整的 AAV 衣壳(包含遗传有效载荷)和空衣壳(缺乏遗传物质),这是载体质量的关键决定因素。碘克沙醇的异渗性质也比 CsCl 等高渗剂更能保持 AAV 衣壳的完整性,从而有可能获得更高的完整功能性载体产量14。最后,传统的超速离心方法,尤其是使用 CsCl 梯度的方法,有时可以共纯化与 AAV 载体具有相似浮力密度的污染物15。通过使用 PEG 分配作为初步步骤,在超速离心之前大大降低了此类污染物的负载13。污染物载量的减少意味着碘克沙醇梯度可以更有效地、更选择性地纯化 AAV 载体,从而提高纯度15。
AAV 载体的纯度和质量通过银染和 TEM11 进行严格评估。对对应于 AAV 衣壳蛋白 VP1、VP2 和 VP3 的三个主要条带的观察,纯度超过 90%,表明这些 AAV 载体适合 体内 使用。用于确定完整衣壳与空衣壳比率的 TEM 分析尤为重要,因为高比例的空衣壳会导致基因递送效率和潜在免疫反应降低11。这种质量检查虽然是必不可少的,但会增加程序的复杂性,并且可能需要额外的技术专业知识。
总之,该方案在 AAV 载体的生产方面提供了重大的技术进步,特别是在可扩展性和纯度方面。然而,与纯化过程相关的复杂性以及对专业设备和专业知识的需求可能仍然是其在某些研究环境中应用的一个小限制。这些技术的进一步改进和简化可以使这种方法更容易获得并广泛适用于基因治疗研究领域。
作者声明,该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
TZ 设计了实验。TZ 、 VD 、 SB 和 JP 进行了实验。TZ 和 VD 生成数据并分析数据。TZ 和 YX 写了手稿。TZ 和 GG 修改了手稿。这项工作得到了匹兹堡 UPMC 儿童医院的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
293T/17 cells | ATTC | CRL-11268 | |
(NH4)2SO4 | Millipore Sigma | 1.01217.1000 | |
0.5 M EDTA | MilliporeSigma | 324506-100ml | |
1 mL Henke-Ject syringe | Fisher Scientific | 14-817-211 | |
10% pluronic F68 solution | Fisher Scientific | 24-040-032 | |
10x Tris/Glycine/SDS Buffer | Biorad | 1610732 | |
1M HEPES | Fisher Scientific | 15-630-080 | |
2% Uranyl Acetate Solution | Electron Microscopy Sciences | 22400-2 | |
4%–20% Precast Protein Gels | biorad | 4561094 | |
40% PEG solution | Sigma | P1458-50ML | |
AAV6 reference full capsids | Charles River Laboratories | RS-AAV6-FL | |
Accutase Cell Detachment Solution | Fisher Scientific | A6964-100ML | |
Benzonase | Sigma | E1014-25KU | |
BioLite Cell Culture Treated Dishes 150 mm | Fisher Scientific | 12-556-003 | |
Centrifugal Filter Unit | MilliporeSigma | UFC905024 | |
Corning PES Syringe Filters | Fisher Scientific | 09-754-29 | |
Dialysis Cassettes, 10 K MWCO | Fisher Scientific | PI66810 | |
Disposable PES Filter Units 1 L 0.2 µm | Fisher Scientific | FB12566506 | |
Disposable PES Filter Units 1 L 0.45 µm | Fisher Scientific | FB12566507 | |
Disposable PES Filter Units 500 mL 0.2 µm | Fisher Scientific | FB12566504 | |
DMEM high glucose | Fisher Scientific | 10-569-044 | |
DMEM low glucose | Fisher Scientific | 10567022 | |
DNase | NEB | M0303S | |
DPBS 1x | Fisher Scientific | 14-190-250 | |
Fetal Bovin Serum (FBS) | Biowest | S1620 | |
Formvar/Carbon 300 Mesh, Cu | Electron Microscopy Sciences | FCF300-Cu-50 | |
glycerol | Sigma | G5516-1L | |
KCl | Sigma | P9541-500G | |
LB agar | Sigma | L2897-250G | |
LB broth | Fisher Scientific | BP9732-500 | |
MgCL2·6H2O | Sigma | M9272-100G | |
NEB stable competent cells | NEB | C3040H | |
Nest Biofactory 10 chamber | MidSci | 771302 | |
NucleoBond Xtra Maxi EF | Macherey-Nagel | 740424 | |
Opti-MEM | Fisher Scientific | 31-985-088 | |
OptiPrep Density Gradient Medium | Millipore Sigma | D1556-250ml | |
pAAV-CMV-GFP | Addgene | 105530 | |
pAAV-DJ | Cell BioLab | VPK-420-DJ | |
pAAV-RC6 | Cell BioLab | VPK-426 | |
pAdDeltaF6 | Addgene | 112867 | |
PEG 8000 | Promega | V3011 | |
PEI Max | Polysciences, Inc | 49553-93-7 | |
Pen-Strep | Fisher Scientific | 15-140-163 | |
Phenol red | Millipore Sigma | 1.07242.0100 | |
Pierce Silver Stain Kit | Thermo Fisher Scientific | 24612 | |
QuickSeal tube | Fisher Scientific | NC9144589 | |
Sodium Chloride | Sigma | 1162245000 | |
sodium deoxycholate | Millipore Sigma | D6750-100G | |
Taqman Fast Advanced Master Mix | Thermo Fisher Scientific | 4444557 | |
Type 70 Ti Fixed-Angle Titanium Rotor | Beckman Coulter | 337922 | |
Western Blotting Substrate | ThermoFisher | 32209 |
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