לחקר ויראלי וקטורים בתוך אוכלס מחדש תלת מימדי הכבד דגם עם הקו Cell Carcinoma Hepatocellular האדם HepG2
Summary
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.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר את הדור של (3D) תלת מימדי מודל כבד vivo לשעבר ויישומו במחקר ופיתוח של מערכות וקטור ויראלי. המודל מתקבל על ידי repopulating המטריצה התאית של כבד עכברוש decellularized עם קו תא hepatocyte אנושי. המודל מאפשר לימודי מערכת תאי 3D vascularized, החלפת ניסויים מזיקים עם בעלי חיים. יתרון נוסף הוא הטבע האנושי של המודל, שדומה יותר פיזיולוגיה אנושית מאשר במודלים של בעלי חיים.
במחקר זה, אנו מדגימים את התמרה של מודל הכבד הזה עם וקטור ויראלי נגזר וירוסים adeno הקשורים (וקטור AAV). מעגל זלוף המספק המודל הכבד 3D עם תקשורת מספק אמצעי קל ליישום הווקטור. המערכת מאפשרת ניטור של פרמטרים מטבוליים העיקריים של הכבד. עבור בסופו של דבר, דגימות רקמה שניתן לנקוט כדי לקבוע את מידת recellularization ידי טכניקות היסטולוגית. הפצה של וקטור וירוס וביטוי של transgene נמסר יכול להיות מנותח על ידי PCR כמותי (qPCR), סופג אימונוהיסטוכימיה המערבי. יישומים רבים של מודל הווקטור במחקר בסיסי בפיתוח יישומים רפואיים גן יכולים להיות שחזה, כוללים פיתוח תרופות אנטי רומן, חקר הסרטן, ואת המחקר של וקטורים ויראליים ותופעות הלוואי האפשריות שלהן.
Introduction
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
Protocol
Representative Results
Discussion
כבדי 3D מחדש המתוארים כאן לספק מודל ללמוד וקטורים ויראליים במערכת אנושית. ואכלוס של ECM של כבד עכברוש עם קו תא קרצינומה אדם hepatocellular מייצר מערכת כלי דם המאפשרת חקר תרופות ביולוגיים גדולות. תוצאות אלה מספקות הוכחה של קונספט שהמודל הכבד מחדש ניתן transduced ביעילות עם וקטור ויראלי.
עבור הניסויים המוצגים כאן, כל אונה של הכבד הייתה transduced ידי וקטור AAV. עם זאת, בכמה ניסויים ראשוניים, אונות יחידה לא אוכלסה מחדש עם תאים. לכן חשוב למנוע פסולת התא או רכיבים אחרים מהעמוד שאטם את מערכת כלי הדם. כדי לבדוק אם כל האונות ניתן perfused, צבע רעיל כגון פנול אדום יכול להיות סמוק דרך המודל הכבד.
עוד עניין מכריע הוא שמירה על הפיגום הכבד סטרילי. למרות שטיפול עם אתנול או אנטיביוטיקה הוא disadvantageous עבור מערכת כלי הדם, הקרנה של תאי מטריקס עם קרינת γ שמר על כלי ולחטא המדגם.
יתר על כן, בגודל של כבדי explanted יהיה שונה, כך שמספר התאים המשמשים עבור הליך recellularization והזמן והאכלוס עשוי להיות מותאם כדי להשיג תוצאות לשחזור.
כבדי העכברוש השתמשו במחקר הנוכחי הם גדולים יחסית ודורשים כמויות גדולות של תאי ריאגנטים בדיקה (למשל, וקטורי AAV). בנוסף, ההליך ואכלוס לקח יותר משבועיים. זה מגביל את מספר משכפל אשר ניתן לעשות במאמץ סביר. בשלב זה אנו מקימים את המודל עבור כבדי העכבר, שהן רק כחמישית מהיקף כבדי חולדה, המאפשר שימוש של פחות תאים ריאגנטים מבחן פחות. למרות למטה בקנה מידה היחסי של המספר הסלולרי נראה סביר, את הסכומים המדויקים צריכים להיקבע furtהניסויים שלה.
עוד חיסרון של המודל הנוכחי הוא השימוש של הקו הסלולרי HepG2 hepatocellular. ניסויים נמשכים לפתח את השימוש של hepatocytes הבדיל מתאי גזע מושרים, אשר תספק מודל רלוונטי מבחינה פיזיולוגית יותר. יתר על כן, הכבד מורכב של סוגי תאים מרובים בנוסף hepatocytes, למשל, תאי Kupffer ואת sinosoids. אנו מניחים כי תאים מסוגים שונים יהיה לאכלס מחדש בסביבתם הטבעית כאשר ECM הוא recellularized עם סוגי תאים מרובים.
המודל הכבד 3D משלב מספר יתרונות. החיסרון העיקרי של קונבנציונאלי במודלים vivo הוא כי פיזיולוגיה של בעלי חיים שונה באופן מהותי מן הפיזיולוגיה האנושית. תופעות לוואי רעילות של טיפול של חולה אנוש ולכן עשוי להישאר מבלי שיבחינו בו. חיסרון זה ניתן להתגבר על ידי reconstituting המודל הכבד 3D עם תאים אנושיים כי יותר מקרוב משקף את הביולוגיה של huחולי גבר.
היתרון השני של המודל הכבד הוא תרומתה רווחת בעלי החיים. למרות רכיבים מן החי נדרשים עבור ניסויי הכינון מחדש, הגישה עדיין עוקבת אחר המטרות של עיקרון 3R (החלפה, הפחתה, עידון), כחיות עודפות יכולות לשמש כי הוקרבו לניסויים בבעלי חיים אחרים, כלומר, לא חיות נוספות נדרשות ו הגישה לחלוטין תמנע סבל של בעלי חיים אשר מזוהים לעתים קרובות עם ניסויי in vivo. Spheroids הם כלים חלופיים ללמוד תהליכים תאיים במערכת 3D. עם זאת, spheroids אינו vascularized כך חומרים גדולים בתחום תרופות ביולוגיות אינם חודרות עמוק לתוך החלקים הפנימיים של המבנה. בעיות אלה הוכרעו עם המודל הכבד 3D vascularized.
בניסויים שתוארו כאן, וקטורי AAV נחקרו, שכן הם בין המועמדים המבטיחים ביותר עבור טיפולי גןיישומים. כפי גישות טיפוליות רב גן לכוון מיקוד הכבד, למשל, לטיפול בדלקות עם וירוסים הפטיטיס או של אלפא-1-antitrypsin חסר, כבד 3D ניתן להשתמש בתהליך של פיתוח הווקטור אלה AAV. זהו, כמובן, גם מתאים ללימוד וקטורים ויראליים hepatotropic אחרים, למשל, וקטורים adenoviral. בנוסף, ניתן להשתמש בו כדי ללמוד וירוסי צהבת זיהומית כגון הפטיטיס B או C וירוס. זה יכול, למשל, להיות מועסק על מנת לעצב אסטרטגיות נגיפים חדשים. יתר על כן, מודלי איבר 3D מייצגים כלים מבטיחים לפתח תרופת cytostatic חדשה לטיפול בסרטן לבצע מחקרים טוקסיקולוגית. ביום בטווח הארוך, כבדים מלאכותיים עשויים לשמש ברפואה רגנרטיבית כמו השתלות. יחדיו, המודל הכבד 3D מציעה מגוון רחב של יישומים בביולוגיה זיהום ותחומים אחרים של מחקר ביו-רפואי.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 15x15x5mm | Sakura | 4566 | |
| Biopsy punch 4mm | pfm medical | 48401 | |
| Nucleospin miRNA | Macherey & Nagel | 740971.10 | |
| Nucleospin RNA/DNA Buffer Set | Macherey & Nagel | 740944 |
References
- Chang, T. T., Hughes-Fulford, M. Monolayer and spheroid culture of human liver hepatocellular carcinoma cell line cells demonstrate distinct global gene expression patterns and functional phenotypes. Tissue Eng. Part A. 15 (3), 559-567 (2009).
- Butler, D., Callaway, E. Scientists in the dark after French clinical trial proves fatal. Nature. 529 (7586), 263-264 (2016).
- Enger, P. O., Thorsen, F., Lonning, P. E., Bjerkvig, R., Hoover, F. Adeno-associated viral vectors penetrate human solid tumor tissue in vivo more effectively than adenoviral vectors. Hum. Gene Ther. 13 (9), 1115-1125 (2002).
- Uygun, B. E., et al. Decellularization and recellularization of whole livers. J. Vis. Exp. (48), e2394 (2011).
- Hillebrandt, K., et al. Procedure for Decellularization of Rat Livers in an Oscillating-pressure Perfusion Device. J. Vis. Exp. (102), e53029 (2015).
- Baptista, P. M., et al. The use of whole organ decellularization for the generation of a vascularized liver organoid. Hepatology. 53 (2), 604-617 (2011).
- Yagi, H., et al. Human-scale whole-organ bioengineering for liver transplantation: a regenerative medicine approach. Cell Transplant. 22 (2), 231-242 (2013).
- Wagner, A., et al. Use of a three-dimensional humanized liver model for the study of viral gene vectors. J. Biotechnol. 212, 134-143 (2015).
- Kay, M. A. State-of-the-art gene-based therapies: the road ahead. Nat. Rev. Genet. 12 (5), 316-328 (2011).
- Yla-Herttuala, S. Endgame: glybera finally recommended for approval as the first gene therapy drug in the European union. Mol. Ther. 20 (10), 1831-1832 (2012).
- Wagner, A., Röhrs, V., Kedzierski, R., Fechner, H., Kurreck, J. A novel method for the quantification of adeno-associated virus vectors for RNA interference applications using quantitative polymerase chain reaction and purified genomic adeno-associated virus DNA as a standard. Hum. Gene Ther. Methods. 24 (6), 355-363 (2013).
- Takagi, H., et al. Microdissected region-specific gene expression analysis with methacarn-fixed, paraffin-embedded tissues by real-time RT-PCR. J. Histochem. Cytochem. 52 (7), 903-913 (2004).
