Method Article
The recellularized extracellular matrix of a decellularized rat liver can be used as a humanized, three-dimensional ex vivo model to study the distribution and transgene expression of a virus or viral vector.
Bu protokol, üç boyutlu (3D) üretilmesini eks vivo karaciğer modeli ve viral vektör sistemleri çalışma ve gelişime uygulamaları açıklanmıştır. Model, insan hepatosit hücre hattı ile hücresizleştirilmiş sıçan karaciğer dışı matris repopulating ile elde edilir. Model yaşayan hayvanların potansiyel olarak zararlı deneyler yerine, bir vaskülarize 3D hücre sistemi çalışmaları izin verir. Diğer bir avantajı hayvan modellerinde daha insan fizyolojisi yakın olan modelin, insanlaştınlmış doğasıdır.
Bu çalışmada, adeno-ilişkili virüs (AAV vektörü) elde edilen bir viral vektör ile karaciğer modelinin transdüksiyonunu göstermektedir. medya ile 3D karaciğer modeli malzemeleri perfüzyon devre vektör uygulamak için kolay bir yol sağlar. Sistem karaciğer başlıca metabolik parametrelerin izlenmesini sağlar. Nihai analiz için, doku örnekleri recellulariza kapsamını belirlemek için alınabilirhistolojik teknikler ile yon. teslim transgenin virüs vektörü ve ekspresyon dağılımı kantitatif PCR (qPCR), Western blot ve immünohistokimya ile analiz edilebilir. Temel araştırma ve gen terapötik uygulamalarının geliştirilmesi vektör modelinin çok sayıda uygulama yeni antiviral terapötik maddelerin geliştirilmesi, Cancer Research, ve viral vektörlerin çalışma ve potansiyel yan etkileri de dahil olmak üzere, tasavvur edilebilir.
Most current biomedical research relies on one of two approaches, either two-dimensional (2D) cell culture experiments or animal models, which are three-dimensional (3D) by their very nature. However, these approaches have some severe drawbacks. Cells grown in 2D culture have been shown to differ in gene expression patterns and cell physiology from those cultivated under 3D conditions.1 Animal models, in addition to being associated with ethical concerns, often do not model human physiology well. Although the lack of obvious toxic effects of a compound must be confirmed in animal models prior to the first dosing in humans, multiple cases have been documented in which severe, sometimes fatal, adverse effects have occurred in clinical trials.2
To overcome these shortcomings, humanized 3D ex vivo organ models have become important research tools. When cultivated under suitable conditions, cells self-assemble into 3D structures known as spheroids. However, these spheroids lack a vascular system, which limits the distribution of small molecular compounds, large biologics and viral vectors alike. For example, adenoviral vectors only transduced the outer cell layers of spheroids prepared from human glioblastomas.3 A solution to this problem is the use of an organ model containing a vascular system. To this end, the organ of interest can be explanted from an animal, and the animal cells can be replaced by human cells. Various methods for decellularization of animal livers by treatment with detergents or sodium cholate have been described.4-6 The resulting extracellular matrix (ECM) harbors cytokines and growth factors which regulate various cellular processes.7 It can be used as a scaffold for recellularization with human cells to obtain a functional organ model.
In a recent study, we used a humanized 3D liver model to study distribution and transgene expression of an adeno-associated virus (AAV) vector.8 AAV vectors belong to the most promising viral vectors for gene therapeutic applications.9 The first, and to date only, approved gene therapeutic intervention in the Western world uses an AAV vector for the transfer of lipoprotein lipase.10
NOT: RL Landesamt für Gesundheit und Soziales (LaGeSo) organlarının eksplantasyonu etik onay aldı. Karaciğerler Wister sıçanları eksplante edildi. inferior vena kava ve karaciğer portal ven 22 G kanül ile kanüle edildi. Çıkarılan karaciğerin Decellularization yöntemleri daha önce tarif edilmiştir.% 1 sodyum deoksikolat, bir sıçan karaciğer aşın perfüzyon ile elde edilmiştir Burada kullanılan 4,5 hücre dışı matrisler.
Bir Sıçan Karaciğer Ekstrasellüler Matriks (ECM) 1. Recellularization
Şekil 1. Biyoreaktör sistemi. A) Bu biyoreaktör sistemi ısmarlama oldu. Bu, 37 ° C'de ve% 5 CO2 seviyesinde organ modelleri tutar. Peristaltik pompaların debileri karaciğer büyüme odasına yerleştirilir) Oda. Ayrı ayrı düzenlenir ve bağlantı olabilirbir peristaltik pompa, orta rezervuar, bir kabarcık kapanı ve basınç sensörü oluşan perfüzyon devresine ed. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Recellularized Sıçan Karaciğer 2. İletimi
Bu çalışmada kullanılan kendi kendini tamamlayan, pseudotyped AAV2 / 6 vektör Şekil 2. ilk. Genom AAV2 ters çevrilmiş terminal tekrarları (ITR) oluşur ve kontrolü altında bir shRNA yanı sıra, CMV promoterinin kontrolü altında EmGFP kodlayan bir U6 organizatörü evi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Recellularized kalıt aktarımlı Sıçan Karaciğer 3. Değerlendirme
recellularization derecesinin değerlendirilmesi için, kriyo-bölümleri, her recellularized karaciğer modelinin her lobun hazırlandı. Kesitler daha sonra hematoksilin ve eozin boyama ile analiz edilmiştir. Şekil 3'te görülebileceği gibi, TLM1, TLM2 olarak belirtilen üç karaciğer modellerin her lob, (recellularized ama transduse değil kontrol karaciğer modeli) ve Ctrl (karaciğer modeller 1 +2 transduse) HepG2 hücreleri ile yeniden doldurulur edildi. Bu hepatosellüler karsinom hücre hattı 15 yaşındaki Arjantinli çocuk tümör dokusundan kurulmuştur. Karaciğer modellerinin bazı alanlarda daha yoğun diğerlerinden daha recellularized bulundu. Bu varyasyonların nedenleri belirlenmelidir.
Şekil 3. Hematoksilen ve her üç lob eozin boyama, karaciğer modellerini analiz TLM1 + 2. Transduse karaciğerModeller 1 ve 2; recellularized ancak kalıt değildi Ctrl .: kontrol karaciğer modeli. Ölçek çubuğu: 200 mikron. (Ref izni ile yeniden basılmış. 8.) bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bir sonraki adımda, karaciğer modelleri transdüksiyon değerlendirildi. Bu amaçla, DNA, karaciğer modellerinin her birinden 28 zımba biyopsilerinden elde edilmiştir vektör titre qPCR ile nicelendirildi. Ortalama olarak, hücre (VG / hücre) her 55 ile 90 içsel vektör genomlarının iki kalıt karaciğer model ölçüldü. 2B hücre kültüründe Deneyler 30 VG / hücre güçlü transgen ifade ve RNAi aracılı susturulması için yeterli olduğunu göstermiştir. EmGFP üretimi RT-PCR ve Batı lekeleme ile analiz edilmiştir. Aslında, raportör ekspresyonu sırasıyla mRNA ve protein düzeyleri üzerinde biyopsi% 80-90 saptandı.8 transdüksiyon verimliliği kapsamlı bir resmini elde etmek için, cryo-kesitler immunohistologically analiz edildi. Şekil 4'te görülebileceği gibi, DAPI lekelemesi ile göz önüne başarılı olarak, recellularized edildi karaciğer modeli alanları da EmGFP ekspresyonunun immünohistokimyasal analizi güçlü flüoresan sinyal verdi. Beklendiği gibi değil, AAV vektörleri ile muamele edilmiş kontrol karaciğer modeli, bir EmGFP ifade göstermemiştir.
EmGFP ifade Şekil 4. immünohistokimyasal analizi, karaciğer modelleri DAPI lekelemesi (mavi) ile görselleştirilmiştir yeniden doldurulur hücreler.; EmGFP sentezleme boyanma (kırmızı) ile görünür hale getirildi. TLM1 + 2: transduced karaciğer modelleri 1 ve 2; recellularized ancak kalıt değildi Ctrl .: kontrol karaciğer modeli. Ölçek çubuğu: 200 mikron. (Izni ile yeniden basılmışRef. 8.) Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Son bir testte, hCycB AAV aracılı demonte QRT-PCR ile analiz edilmiştir. HCycB demonte, 70 ve% 90 arasında bulunmuştur iki transduced karaciğer modellerinin tüm lobu (Şekil 5) üzerinden ortalama edildi.
HCycB Şekil AAV-transdüksiyonlu 3D karaciğer modellerinde hCycB 5. RNAi aracılı demonte. Susturma QRT-PCR ile tespit edilmiştir. Ortalama değerleri ve standart sapmalar (SD) transdüksiyona kontrol ortalama değeri ile (sırasıyla TLM1 ve 2), her bir transduse 3B karaciğer modeli tüm örnekler için hesaplanan, normalize edildi (CTRL).. (R izni ile yeniden basılmışef. 8.) Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Burada anlatılan yeniden 3D karaciğerleri insanlaştırılmış sistemde viral vektörlerin incelemek için bir model. Bir insan hepatoselüler karsinoma hücre hattı ile, bir sıçan karaciğer ECM popülasyonu büyük biyolojik çalışmasına izin verir vaskülarize sistemi oluşturur. Bu sonuçlar, bir proof-of-concept sulandırılmış karaciğer modeli verimli bir viral vektör ile transduced olabilir sağlar.
Burada gösterilen deney için, karaciğer her lobun AAV vektör ile kalıt edildi. Bununla birlikte, bazı ön deneylerde tek loblar hücreleri ile yeniden doldurulur değildi. Vasküler sistem kapatılmasıy hücre artıkları ya da diğer bileşenleri bilmek önemlidir. Tüm lobu perfüze edilip edilemeyeceğini test etmek için, örneğin fenol kırmızısı gibi toksik olmayan boya karaciğer modeli ile temizlenebilir.
Bir başka önemli madde steril karaciğer iskele tutuyor. etanol ya da antibiyotikler ile tedavi disadv ikenantageous vasküler sistem için, γ-radyasyonla hücre dışı matrisin ışınlama damarları korunmuş ve örnek sterilize edilmiştir.
Recellularization prosedürü ve repopulation defa kullanılan hücre sayısı yeniden üretilebilir sonuçlar elde etmek için ayarlanması gerekebilir, böylece Ayrıca, eksplante karaciğerler büyüklüğü, farklı olacaktır.
Bu çalışmada kullanılan fare karaciğerleri nispeten büyüktür ve hücre ve test reaktifleri (örneğin, AAV vektörleri) ihtiyaç duyar. Buna ek olarak, yeniden çoğalması prosedürü iki haftadan fazla sürmüştür. Bu makul bir çaba ile yapılabilir çoğaltır sayısını sınırlar. Şu anda daha az hücre ve daha az test reaktiflerinin kullanımına izin veren, sıçan karaciğerinden hacminin yalnızca yaklaşık beşte biri olan fare karaciğerleri, modelini kurmaktadır. Hücre sayısının oransal ölçek aşağı makul görünse de, kesin miktarlar furt tespit edilmesi gerekenOnun deneyleri.
Bu modelin bir diğer sakıncası hepatoselüler HepG2 hücre hattı kullanılmasıdır. Deneyler fizyolojik daha alakalı bir model sağlayacak uyarılmış pluripotent kök hücrelerin ayırt hepatositlerin kullanımını geliştirmek için çalışmalar devam etmektedir. Ayrıca, karaciğer hepatositleri, örneğin, Kupffer hücreleri ve sinosoids ek olarak birden çok hücre tipinde oluşur. Biz bir ECM birden fazla hücre tipleri ile recellularized zaman farklı hücre tipleri kendi doğal ortamları yeniden doldurmak olacağını varsayıyorum.
3D karaciğer modeli birçok avantajlarını birleştirir. In vivo modeller, geleneksel önemli bir dezavantajı, Bitki Fizyolojisi, insan fizyolojisinin esasen farklı olmasıdır. bir insan hastanın tedavisi için toksik yan etkileri, bu nedenle tespit edilmemiş kalabilir. Bu eksiklik daha yakından hu biyolojisini yansıtan insan hücreleri ile 3D karaciğer modeli sulandırılması ile aşılabiliradam hasta.
Karaciğer modelinin ikinci avantajı hayvan refahına katkısı olduğunu. Hayvan bileşenleri yeniden oluşturma deneyleri için gerekli olsa da fazlası hayvanlar, yani, herhangi bir ek hayvan gereklidir, diğer hayvan deneyleri için kurban edildi ve kullanılabilir olduğu, bu yaklaşım hala, 3R prensibi (değiştirme, redüksiyon, arıtma) amaçlarını aşağıdaki yaklaşımı tamamen sıkça in vivo deneyler ile ilişkili hayvanların acı önler. Sferoidler 3D sisteminde hücresel süreçleri incelemek için alternatif bir araçtır. Büyük maddeler ve biyolojik yapının iç bölüme derinlemesine nüfuz kalmaması Ancak, sferoidler vaskülarize değildir. Bu sorunlar vaskülarize 3D karaciğer modeli ile aşılmıştır.
bunlar, gen terapi uygulamaları için en ümit verici adaylar arasında, çünkü burada tarif edilen deneylerde, AAV vektörleri, araştırılmıştırUygulamalar. Gibi çok sayıda gen terapötik yaklaşımlar hepatit virüsü veya alfa-1 antitripsin eksikliği enfeksiyonlarının tedavisi için, örneğin, karaciğer hedefleme amaçlamaktadır, 3D karaciğer bu AAV vektörü geliştirme sürecinde kullanılabilir. Ayrıca, tabii ki, diğer hepatotropik viral vektörler, örneğin, adenoviral vektörlerin çalışma için uygundur. Buna ek olarak, hepatit B ya da C virüsü gibi bulaşıcı hepatit virüsleri incelemek için kullanılabilir. Örneğin, yeni bir antiviral stratejiler tasarlamak için de kullanılabilir. Ayrıca, 3D organı modelleri kanserini tedavi etmek ve toksikolojik çalışmaları yürütmek için yeni sitostatik ilaçlar geliştirebilmek için umut verici araçları temsil etmektedir. uzun vadede, yapay karaciğerler nakli gibi rejeneratif tıpta kullanılabilir. Birlikte ele alındığında, 3D karaciğer modeli enfeksiyon biyoloji uygulamaları ve biyomedikal araştırmanın diğer alanlarda geniş bir yelpazede sunuyor.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Bernd Krostitz for technical assistance, Radoslaw Kedzierski for initial contributions to the project, Erik Wade for proofreading and giving helpful comments, and Prof. Heike Walles for providing the bioreactor and sharing her valuable experience with organ decellularization. We are also thankful for funding of the project and publication by the Berlin University of Technology.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Incubator | Fraunhofer | / | |
Peristaltic Pump | Fraunhofer | / | |
Flange with groove | Duran | 2439454 | modified by gaffer |
O-Ring Transparent | Duran | 2922551 | |
Quick Release Clamp | Duran | 2907151 | |
Flat Flange Lid | Duran | 2429857 | modified by gaffer |
Screw thread Tube | Duran | 2483802 | modified by gaffer |
Screw thread Tube | Duran | 2483602 | modified by gaffer |
Silicone sealing Ring | Duran | 2862012 | |
Screw Cap | Duran | 2924013 | |
Screw Cap | Duran | 2924008 | |
Screw Cap with aperture | Duran | 2922709 | |
Screw Cap with aperture | Duran | 2922705 | |
Filter | Sarstedt | 831,826,001 | |
Silicone Tubing | VWR | 228-1500 | |
Tube connector | Ismatec | ISM556A | |
Biocompatible Tubing | Ismatec | SC0736 | |
T175 culture flasks | Greiner bio-one | 660 160 | |
RPMI 1640 | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0501-500 | |
glutamine | BioWest SAS (Th. Geyer) | X0551-100 | |
Trypsin | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0940-100 | |
penicillin/streptomycin | BioWest SAS (Th. Geyer) | L0022-100 | |
fetal calf serum | cc pro | S-10-M | |
Tissue-Tek O.C.T. | Weckert-Labortechnik | 600001 | |
HepG2 | DSMZ | ACC 180 | |
Cryomold 15 x 15 x 5 mm | Sakura | 4566 | |
Biopsy punch 4 mm | pfm medical | 48401 | |
Nucleospin miRNA | Macherey & Nagel | 740971.10 | |
Nucleospin RNA/DNA Buffer Set | Macherey & Nagel | 740944 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır