眠れる森の美女トランスポゾンシステムを用いた初代ヒト色素上皮細胞のエレクトロポレーションに基づく遺伝子改変

Summary

私たちは、 眠れる森の美女 (SB)トランスポゾンシステムを用いて色素上皮由来因子(PEDF)をコードする遺伝子をエレクトロポレーションすることにより、初代ヒト色素上皮細胞をトランスフェクトするプロトコルを開発しました。トランスフェクションの成功は、定量的ポリメラーゼ連鎖反応(qPCR)、イムノブロッティング、および酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)によって実証されました。

Abstract

高齢化が進む社会では、神経変性疾患の発生率も高まっています。これまでのところ、病理学的メカニズムは十分に理解されていないため、定義された治療法の確立を妨げています。保護因子の発現を増加させるための細胞ベースの相加遺伝子治療は、加齢黄斑変性症(AMD)などの神経変性疾患を治療するための有望な選択肢と考えられています。眠れる森の 美女 (SB)トランスポゾンシステムを用いて、神経系の神経保護・抗血管新生タンパク質として特徴付けられる色素上皮由来因子(PEDF)をコードする遺伝子を初代ヒト色素上皮(PE)細胞のゲノムに安定的に発現させる方法を開発しました。初代PE細胞をヒトドナーの眼から単離し、培養中に維持した。コンフルエントに達した後、1 x 10⁴ 細胞を11 μLの再懸濁バッファーに懸濁し、30 ngの高活性 SB (SB100X)トランスポザーゼプラスミドと470 ngの PEDF トランスポゾンプラスミドを含む2 μLの精製溶液と組み合わせました。遺伝子組み換えは、以下のパラメータを用いて毛細管エレクトロポレーションシステムで行った:電圧1,100Vおよび幅20msの2つのパルス。トランスフェクトした細胞を、ウシ胎児血清を添加した培地を含む培養プレートに移した。抗生物質および抗真菌剤を最初の培地交換で添加した。トランスフェクションの成功は、独立して実施された実験で実証されました。定量的ポリメラーゼ連鎖反応(qPCR)は、 PEDF 導入遺伝子の発現の増加を示した。PEDF分泌は、イムノブロッティングによって評価され、酵素結合免疫吸着アッセイ(ELISA)によって定量されるように、有意に上昇し、安定したままであった。 SB100Xを介した導入は、PE細胞のゲノムへの安定したPEDF遺伝子組み込みを可能にし、AMDまたは他の網膜変性疾患を治療するための細胞ベースの遺伝子付加療法の開発に不可欠な PEDF の継続的な分泌を保証しました。さらに、 ヒトPE細胞へのPEDF トランスポゾンの組み込みプロファイルの分析は、ほぼランダムなゲノム分布を示しました。

Introduction

高齢は神経変性疾患の主なリスクであると説明されています。加齢黄斑変性症(AMD)は、60歳以上の患者に重篤な視力喪失をもたらす多遺伝子性疾患であり、失明と視力障害の4つの最も一般的な原因^に属し1 、2040年には2億8,800万人に増加すると予想されています²。絨毛毛細血管と網膜光受容体の間に位置する密集した細胞の単層である網膜色素上皮(RPE)の機能不全は、AMDの病因の一因となります。RPEは、正常な網膜機能に不可欠な複数のタスクを実行^し3、 網膜と絨毛毛細血管の構造的完全性を維持するために不可欠なさまざまな成長因子と因子を分泌し、それによって視細胞の生存をサポートし、循環と栄養素の供給の基礎を提供します。

健康な眼では、色素上皮由来因子(PEDF)は血管内皮成長因子(VEGF)の効果のバランスを取り、アポトーシスからニューロンを保護し、内皮細胞の増殖を防ぎ、毛細血管内皮を安定化させます。VEGFとPEDFの比率の変化は、動物モデル^4,5、およびAMDおよび増殖性糖尿病網膜症による脈絡膜新生血管(CNV)患者のサンプルで観察された眼の新生血管に関連しています6,7,8,9,10 .強化されたVEGF濃度は、現在の標準治療の目標です。抗VEGF医薬品であるベバシズマブ、ラニビズマブ、アフリベルセプト、そして最近ではブロルシズマブは、CNV患者の約3分の1の視力を改善するか、むしろ症例の90%で視力を安定させます¹¹、^12、13。しかし、頻繁に、しばしば毎月の硝子体内注射は、有害事象のリスクを負い¹⁴、患者のコンプライアンスを損ない、医療システム¹⁵にとって重大な経済的負担を表しています。さらに、一定の割合の患者(2%〜20%)は、抗VEGF療法に反応しないか、または反応が不十分である16,17,18,19。これらの負の付随物は、代替治療、例えば、眼内インプラント、細胞および/または遺伝子治療アプローチの開発を必要とする。

遺伝子治療は、遺伝性疾患および非遺伝性疾患の有望な治療法として進化しており、機能しない遺伝子配列を回復したり、機能不全の遺伝子配列を抑制したりすることを目的としています。原因因子の特定と置換がほとんど不可能な多遺伝子性疾患の場合、戦略は保護因子の継続的な送達を目指しています。AMDの場合、エンドスタチンおよびアンジオスタチン20の安定発現、VEGFアンタゴニスト可溶性FMS様チロシンキナーゼ-1(sFLT-1)21,22、分化の補体調節タンパク質クラスター59(CD59)²³またはPEDF ^24,25など、様々な相加療法が開発されている。.眼、特に網膜は、密閉された構造、優れたアクセス可能性、小型、および免疫特権により、遺伝子ベースの薬物療法の優れた標的であり、したがって、低治療用量の局所的な送達を可能にし、移植片を拒絶反応の影響を受けにくくします。さらに、眼は非侵襲的なモニタリングを可能にし、網膜は異なるイメージング技術によって検査することができる。

ウイルスベクターは、その高い形質導入効率のために、治療遺伝子を標的細胞に送達するための主要な媒体である。しかしながら、使用されるウイルスベクターに応じて、免疫および炎症反応²⁶、変異原性および発癌性効果²⁷、^28、または他の組織における播種²⁹などの異なる有害反応が記載されている。実用的な制限には、制限されたパッケージサイズ³⁰、および臨床グレードロット^31,32の製造に関連する困難とコストが含まれます。これらの欠点は、リポ/ポリプレックス、超音波またはエレクトロポレーションを介して転送される非ウイルス性のプラスミドベースのベクターのさらなる開発を促進した。しかしながら、宿主ゲノムへの導入遺伝子のゲノム組み込みは、通常、プラスミドベクターでは促進されず、したがって一過性の発現をもたらす。

トランスポゾンは、ゲノム内での位置を変える天然に存在するDNA断片であり、遺伝子治療に採用されている特性です。能動統合機構により、トランスポゾンベースのベクターシステムは、挿入された導入遺伝子の連続的かつ一定の発現を可能にする。眠れる森の美女(SB)トランスポゾンは、魚³³に見られる古代のTc1 /マリナー型トランスポゾンから再構成され、分子進化によってさらに改良され、活性亢進変異体SB100X³⁴をもたらし、さまざまな初代細胞での効率的な転位を可能にし、さまざまな疾患モデル³⁵の表現型補正に使用されました。現在、SBトランスポゾンシステムを用いて13件の臨床試験が開始されています。SB100Xトランスポゾンシステムは、末端反転リピート(TIR)に挟まれた目的の遺伝子からなるトランスポゾンと、トランスポゾンを動員するトランスポザースの2つのコンポーネントで構成されています。細胞へのプラスミドDNA送達に続いて、トランスポザーゼはTIRに結合し、トランスポゾンの切除および細胞のゲノムへの組み込みを触媒します。

私たちは、血管新生AMDの治療のための非ウイルス細胞ベースの相加療法を開発しました。このアプローチは、SB100Xトランスポゾンシステム^36,37,38による初代色素上皮(PE)細胞へのPEDF遺伝子のエレクトロポレーションベースの挿入を含む。トランスポザーゼとPEDFの遺伝情報は別々のプラスミドで提供されるため、理想的なSB100X-PEDFトランスポゾン比の調整が可能になります。エレクトロポレーションは、ピペットベースのキャピラリートランスフェクションシステムを使用して行われ、電極間のギャップサイズを最大化し、表面積を最小限に抑えます。この装置は^、広範囲の哺乳動物細胞において優れたトランスフェクション速度を達成することが示された³⁹、^40、41。小さな電極表面積は、均一な電界を提供し、電気分解⁴²の様々な副作用を低減する。

トランスフェクトされた色素上皮細胞によって分泌されるPEDFの抗血管新生機能は、ヒト臍帯静脈内皮細胞の発芽、遊走、およびアポトーシスを分析する様々なin vitro実験で示された⁴³。さらに、角膜新生血管のウサギモデル⁴⁴およびCNV^43,45,46のラットモデルにおけるPEDFトランスフェクト細胞の移植は、新生血管形成の低下を示した。

ここでは、キャピラリートランスフェクションシステムを用いたSB100Xトランスポゾンシステムを介して初代ヒトRPE細胞にPEDF遺伝子を安定的に挿入するための詳細なプロトコルについて説明します。トランスフェクトした細胞を21日間培養し、その後、定量的ポリメラーゼ連鎖反応(qPCR)によるPEDF遺伝子発現、およびイムノブロッティングおよび酵素結合免疫吸着アッセイによるPEDFタンパク質分泌の観点から分析しました(ELISA、図1)。

Protocol

ヒトドナーの目は、ヘルシンキ宣言プロトコルに従ってインフォームドコンセントを取得した後、眼科のアーヘン角膜バンク(アーヘン大学病院)から取得されました。ヒトサンプルの収集と使用の手順は、機関倫理委員会によって承認されています。 1. 初代ヒトRPE細胞の単離 滅菌防護服と手袋をレイアウトします。層流の下に滅菌ドレープを置きます。 ?…

Representative Results

初代ヒトRPE細胞の培養とエレクトロポレーション我々は、動物起源の十分な数の初代RPE細胞の播種が、色素沈着した六角形の細胞の統合された単層への培養および成長を可能にすることを示した36、37、48。タイトジャンクションを形成し、食作用活性を示し、およびインビトロで特…

Discussion

本プロジェクトでは、遺伝子導入細胞を保護環境の確立と維持のための長期治療薬として使用するために、有効な因子を継続的に過剰発現および分泌する遺伝子改変初代ヒトRPE細胞の非ウイルス産生を目指しています。私たちは、抗血管新生機能と神経保護機能を有する遍在的に発現する多機能タンパク質であるPEDFをコードする遺伝子の導入を確立しました。ここで説明するプロトコルは、…

Materials

Isolation of primary human RPE cells
24-Well Cell Culture Plate	Eppendorf, Hamburg, Germany	0030722019
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Colibri Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18950
Curved Iris Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18856
Disposable Scalpel (No. 11)	Feather, Osaka, Japan
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Extra Fine Pointed Eye Scissor	Geuder, Heidelberg, Germany	G-19405
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Glass Pasteur Pipettes	Brand, Wertheim, Germany	747715
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Sterile Drape	Lohmann & Rauscher, Rengsdorf, Germany
Sterile Gauze Compress	Fink-Walter, Merchweiler, Germany	321063
Sterile Gloves	Sempermed, Wien, Austria
Sterile Petri Dish (Falcon 60 mm x 15 mm)	Corning, Corning, NY	351007
Sterile Surgical Gown	Halyard Health, Alpharetta, GA
Straight Iris Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18855
Electroporation of primary human RPE cells
10 mM Tris-HCl (pH 8.5)
12-Well Cell Culture Plate	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	150628
24-Well Cell Culture Plate	Eppendorf, Hamburg, Germany	0030722019
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (1.5 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Inverted Microscope	Leica Mikrosysteme, Wetzlar, Germany	Leica DMi8
Microvolume Spectrophotometer (NanoDrop Spectrophotometer)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA
Capillary Transfection System (Neon Transfection System)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	MPK5000
Neon Transfection System 10 µL Kit	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	MPK1096
Hemocytometer (Neubauer Chamber)	Paul Marienfeld, Lauda-Königshofen, Germany	0640110
PBS Dulbecco w/o Ca2+ w/o Mg2+	Biochrom, Berlin, Germany	L182-50
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (10 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (200 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Plasmid Maxi Kit	Qiagen, Hilden, Germany	12163
Single Channel Pipette (0.1-10 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (10-200 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Trypan Blue Solution	Merck, Darmstadt, Germany	T8154
Trypsin-EDTA (0,05 %)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	25300054
Analyses of transfected primary human RPE cells
10% SDS-Polyacrylamide Gel
1x Incubation Buffer (50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 8.0)
2x SDS Sample Buffer
4x Incubation Buffer (200 mM NaH2PO4, 1.2 M NaCl, 40 mM imidazole, pH 8.0)
Amersham Protran Supported 0.2 µm Nitrocellulose Blotting Membrane	Cytiva, Marlborough, MA	10600015
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Anti-PEDF Antibodies (Rabbit Polyclonal)	BioProducts, Middletown, MD	AB-PEDF1
Anti-Penta-His Antibodies (Mouse Monoclonal)	Qiagen, Hilden, Germany	34660
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Elution Buffer (50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 250 mM imidazole, pH 8.0)
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Hemocytometer (Neubauer Chamber)	Paul Marienfeld, Lauda-Königshofen, Germany	0640110
Horseradish Peroxidase-Conjugated Anti-Mouse Antibodies (Rabbit Polyclonal)	Agilent Dako, Santa Clara, CA	P0260
Horseradish Peroxidase-Conjugated Anti-Rabbit Antibodies (Goat Polyclonal)	Abcam, Cambridge, United Kingdom	ab6721
Human PEDF ELISA Kit	BioProducts, Middletown, MD	PED613
LAS-3000 Imaging System	Fujifilm, Minato, Japan
LightCycler 1.2 Instrument	Roche Life Science, Penzberg, Germany
LightCycler FastStart DNA Master SYBR Green I	Roche Life Science, Penzberg, Germany	12239264001
LightCycler Capillaries (20 μl)	Roche Life Science, Penzberg, Germany	4929292001
Microvolume Spectrophotometer (NanoDrop Spectrophotometer)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA
Mini-PROTEAN Tetra Cell Casting Module	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1658015
Mini-PROTEAN Tetra Vertical Electrophoresis Cell for Mini Precast Gels, 4-gel	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1658004
Ni-NTA Superflow	Qiagen, Hilden, Germany	30410
PageRuler Prestained Protein Ladder	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	26616
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (10 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (200 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
PowerPac Basic Power Supply	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1645050
QIAamp DNA Mini Kit	Qiagen, Hilden, Germany	51304
Reverse Transcription System	Promega, Madison, WI	A3500
RNase-Free DNase Set	Qiagen, Hilden, Germany	79254
RNeasy Mini Kit	Qiagen, Hilden, Germany	74104
Rocking Shaker	Cole-Parmer, Staffordshire, United Kingdom	SSM3
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (1.5 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (2.0 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (0.1-10 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (10-200 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Trans-Blot Turbo Transfer System	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1704150
Trypan Blue Solution	Merck, Darmstadt, Germany	T8154
Trypsin-EDTA (0,05 %)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	25300054