Eine optimierte Reverse-Poly-Transfektionstechnik auf Basis embryonaler Stammzellen der Maus zur schnellen Erforschung von Nukleinsäureverhältnissen

Die Verabreichung von DNA und RNA in Säugetierzellen dient als Kernpfeiler der biomedizinischen Forschung¹. Eine gängige Methode zur Einführung exogener Nukleinsäuren (NA) in Säugetierzellen ist die transiente Transfektion ^2,3. Diese Technik beruht auf dem Mischen von NA mit kommerziell erhältlichen Transfektionsreagenzien, die in der Lage sind, sie in die Empfängerzellen zu bringen. Typischerweise wird NA durch Vorwärtstransfektion abgegeben, bei der Zellen, die an einer zweidimensionalen Oberfläche haften, den Transfektionskomplex erhalten. Während die Vorwärtstransfektion für die gängigsten etablierten Zelllinien robust ist und die Protokolle gut veröffentlicht sind, lassen sich Nischenzelltypen mit Nicht-Monolayer-Morphologien nicht leicht transfizieren, was die Menge an NA, die abgegeben werden kann, und die Anzahl der Zellen, die sie erhalten, begrenzt.

Pluripotente Stammzellen (PSCs) dienen als attraktives Modell für das Verständnis der Entwicklung und als Werkzeug für die regenerative Medizin, da sie sich unbegrenzt teilen und jeden Körperzelltyp produzieren können. Bei Maus-PSCs (mPSCs) behalten routinemäßige In-vitro-Kulturbedingungen mit 2 Inhibitoren und LIF (2i/LIF) eine kuppelartige Koloniemorphologie bei, die die Anzahl der Zellen, die einer Vorwärtstransfektion ausgesetzt sind, direkt begrenzt ^4,5,6. Um dies zu beheben, kann eine umgekehrte Transfektion durchgeführt werden: Zellen werden in eine Schale gegeben, die Medien und Transfektionsreagenz enthält, anstatt Transfektionsreagenz zu adhärenten Zellen^{hinzuzufügen 7}. Dies erhöht zwar die Anzahl der Zellen, die dem Reagenz ausgesetzt sind, erfordert aber auch, dass die Zellen gleichzeitig durchgelassen und transfiziert werden.

Über einfache Einzel-NA-Transfektionen hinaus zielen Forscher oft darauf ab, mehrere NA-Konstrukte in vitro in eine Zellpopulation einzubringen. Dies wird typischerweise durch eine Co-Transfektion erreicht, bei der die NAs in einem bestimmten Verhältnis (1:1, 9:1 usw.) gemischt und dann mit dem gewählten Transfektionsreagenz⁸ kombiniert werden. Dies ergibt eine Mischung aus NAs und Reagenzien, die das ursprüngliche Verhältnis von NAs zueinander beibehält – während die Zellen in der Behandlung unterschiedliche Mengen dieser Mischung erhalten können, erhalten sie alle das gleiche Verhältnis⁹. Dies ist zwar von Vorteil, wenn das gewünschte Verhältnis der Teile bekannt ist, aber die Bestimmung dieses Verhältnisses im Voraus kann arbeitsintensiv sein, da jedes Verhältnis eine andere Bedingung darstellt. Eine Alternative besteht darin, eine “Polytransfektion” durchzuführen, bei der einzelne NAs unabhängig voneinander mit dem Transfektionsreagenz gemischt werden⁹. Durch die Kombination von Transfektionskomplexen, die einzelne NAs enthalten (anstatt NAs zu kombinieren, bevor die Komplexe erstellt werden), können Forscher eine breite Palette von NA-Stöchiometrien in einem einzigen Transfektionsexperiment untersuchen⁹. Dies ist besonders wertvoll in Fällen, in denen erwartet wird, dass die Produkte mehrerer NAs miteinander interagieren, wie z. B. bei induzierbaren Transkriptionssystemen oder Systemen mit in ^1,10,11 eingebauter Rückkopplung. Um dies effektiv zu tun, ist jedoch eine hohe Transfektionseffizienz erforderlich. In der Tat nimmt mit zunehmender Anzahl einzigartiger transfizierter NAs die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Zelle alle gewünschten NAs erhält, exponentiell ab ^9,12.

Der folgende Bericht beschreibt ein reverses Transfektionsprotokoll für mPSCs unter Verwendung eines kationischen Transfektionsreagenzes auf Lipidbasis, bei dem die Zellen maximal 5 Minuten lang dem Reagenz-NA-Mix ausgesetzt werden, um die Lebensfähigkeit zu maximieren und die Zeit außerhalb typischer Kulturbedingungen zu minimieren. Der Vergleich dieses Protokolls mit der Standard-Vorwärtstransfektion dieser Zellen zeigt eine höhere Transfektionseffizienz und eine Erhöhung der Gesamtzahl der überlebenden transfizierten Zellen. Durch die Kombination dieser umgekehrten Transfektion mit einer Drei-Plasmid-Polytransfektion unter Einbeziehung einfacher fluoreszierender Reporter wird ein erweitertes Potenzial für das Screening von NA-Verhältnissen mit hoher Transfektionseffizienz demonstriert.