Quantifizierung der zirkulierenden schweinespezifischen DNA im Blut eines Xenotransplantationsmodells
Summary
In diesem Protokoll wurden schweinespezifische Primer entwickelt, Plasmiden enthaltende Porenspezifische DNA-Fragmente konstruiert und Standardkurven für die Quantifizierung festgelegt. Anhand artspezifischer Primer wurde cpsDNA durch qPCR in Schweine-zu-Maus-Zelltransplantationsmodellen und Schweine-zu-Affen-Arterien-Patch-Transplantationsmodellen quantifiziert.
Abstract
Xenotransplantation ist eine praktikable Methode zur Behandlung von Organversagen. Jedoch, wie die Immunabstoßung von Xenotransplantation effektiv zu überwachen ist ein Problem für Ärzte und Forscher. Dieses Manuskript beschreibt eine einfache und effektive Methode zur Überwachung der Immunabstoßung in Schweine-zu-Maus-Zelltransplantationsmodellen und Schweine-zu-Affen-Arterien-Patch-Transplantationsmodellen. Zirkulierende DNA ist ein potenziell nicht-invasiver Biomarker für Organschäden. In dieser Studie wurde zirkulierende schweinespezifische DNA (cpsDNA) während der Xenograft-Abstoßung durch quantitative Echtzeit-PCR (qPCR) überwacht. In diesem Protokoll wurden schweinespezifische Primer entwickelt, Plasmiden enthaltende Porenspezifische DNA-Fragmente konstruiert und Standardkurven für die Quantifizierung festgelegt. Artspezifische Primer wurden dann verwendet, um cpsDNA durch qPCR in Schweine-zu-Maus-Zell-Transplantationsmodellen und Schweine-zu-Affen-Arterien-Patch-Transplantationsmodellen zu quantifizieren. Der Wert dieser Methode legt nahe, dass es als eine einfache, bequeme, kostengünstige und weniger invasive Methode verwendet werden kann, um die Immunabstoßung von Xenotransplantation zu überwachen.
Introduction
Organversagen ist eine der Haupttodesursachen1. Transplantation von Zellen, Geweben und Organen ist ein effektiver Weg, um Organversagen zu behandeln2. Dennoch schränkt der Mangel an Spenderorganen die klinische Anwendung dieser Methodeein 3,4. Studien haben gezeigt, dass Schweine als potenzielle Quelle menschlicher Organe für die klinische Transplantation verwendet werden können5,6. Die artenübergreifende Organtransplantation ist jedoch mit einer gefährlichen Immunabstoßung konfrontiert. Daher ist es wichtig, die Immunabstoßung von Xenotransplantation zu überwachen. Derzeit hängt die klinische Überwachung der Immunabstoßung hauptsächlich von den Anzeichen und Symptomen des Patienten ab, sowie von Labortests (z.B. Biopsie, immunbiochemische Analyse und Ultraschall)7,8,9. Diese Überwachungsmethoden haben jedoch viele Nachteile. Die Anzeichen und Symptome einer Immunabstoßung bei Patienten erscheinen in der Regel spät10, was nicht förderlich für Früherkennung und frühzeitige Intervention ist; Biopsie hat den Nachteil, invasiv zu sein11, was für Patienten nicht leicht zu akzeptieren ist; Immunbiochemische Analyse fehlt Empfindlichkeit oder Spezifität, und Ultraschall ist Hilfs- und teuer. Daher ist es dringend notwendig, eine effektive und bequeme Methode zu finden, um die Immunabstoßung zu überwachen.
Zirkulierende DNA ist eine extrazelluläre Art von DNA, die im Blut gefunden wird. Mandel und Metais12 berichteten erstmals 1948 über das Vorhandensein von zirkulierender DNA im peripheren Blut. Unter normalen physiologischen Bedingungen ist die zirkulierende DNA im Blut gesunder Menschen zu Beginn relativ niedrig. Jedoch, in einigen Pathologien, wie Tumoren, Myokardinfarkt, Autoimmunerkrankungen, und Transplantation Abstoßung, kann der Grad der zirkulierenden DNA im Blut deutlich erhöht werden13,14 aufgrund der massiven Freisetzung von zirkulierender DNA durch Apoptose und Nekrose verursacht. Der Ursprung der zirkulierenden DNA ist mit Apoptose und Nekrose15verbunden, die für die Xenograft-Abstoßung16charakteristisch sind.
Zirkulierende DNA hat sich als minimal-invasiver Biomarker zum Nachweis von Krebserkrankungen17,18,19erwiesen. Eine hohe Durchsatzsequenzierung der von Spendern abgeleiteten zirkulierenden DNA ist zuverlässig für den Nachweis der Abstoßung nach Organtransplantation20,21. Diese Methode erfordert jedoch eine hohe Konzentration und Qualität der extrahierten DNA. Die DNA-Anforderungen zusätzlich zu den hohen Kosten und dem hohen Zeitverbrauch machen diese Methode für eine routinemäßige klinische Anwendung nicht förderfähig. Spender-abgeleitete zirkulierende DNA kann durch quantitative Echtzeit-PCR (qPCR) genau quantifiziert werden, die sowohl spezifisch als auch empfindlich ist. Daher ist die Quantifizierung der zirkulierenden Porcine-DNA durch qPCR eine praktikable Methode, um die Immunabstoßung von Xenotransplantationen zu überwachen. Dies ist weniger invasiv, hochsensibel und spezifisch, kostengünstig und zeitsparend. Schweine und Menschen sind genetisch getrennt mit ganz unterschiedlichen genomischen Sequenzen (Abbildung 1). Daher kann zirkulierende Schweine-DNA aufgrund von Xeno-Abstoßung in das Blut des Empfängers freigesetzt werden. CpsDNA könnte durch qPCR mit artspezifischen Primern im Blut des Empfängers präzise quantifiziert werden. Zuvor haben wir die Gründe und Machbarkeit von cpsDNA als Biomarker für xenotransplantation22,23demonstriert. Hier geben wir weitere experimentelle Tipps und Details bekannt. Das Experiment besteht aus den folgenden Schritten. Erstens wurden porenspezifische Primer entwickelt und genomische DNA isoliert, die verwendet wurde, um die Spezifität der Primer durch regelmäßige PCR zu überprüfen. Zweitens, die Konstruktion der Standardkurve von cpsDNA und die Isolierung von cpsDNA aus dem Probenblut. Schließlich wurde die zirkulierende schweinespezifische DNA mit qPCR quantifiziert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Quantifizierung der zirkulierenden Poren-DNA stellt einen praktikablen Ansatz zur Überwachung der Immunabstoßung von Xenotransplantationen dar. Gadi et al.24 fanden heraus, dass der von Spendern abgeleitete zirkulierende DNA-Gehalt (ddcfDNA) im Blut von Patienten mit akuter Abstoßung signifikant höher war als der von Patienten ohne Abstoßung. Diese Studien deuten darauf hin, dass ddcfDNA ein häufiger Biomarker für die Überwachung von Organtransplantatschäden sein kann. In den letzten …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch Stipendien des National Key R&D Program of China (2017YFC1103704), Shenzhen Foundation of Science and Technology (JCYJ20170817172116272), Special Funds for the Construction of High Level Hospitals in Guangdong unterstützt. Provinz (2019), Sanming Project of Medicine in Shenzhen (SZSM201412020), Fund for High Level Medical Discipline Construction of Shenzhen (2016031638), Shenzhen Foundation of Health and Family Planning Commission (SZXJ2017021 , SZXJ2018059).
Materials
| Agarose | Biowest, Barcelona, Spain | 111860 | |
| BamHI-HF | New England Biolabs, Ipswich, Mass, USA | R3136S | |
| 1.5 mL microcentrifuge tube | Axygen Biosciences, Union City, CA, USA | MCT-150-C | |
| 0.2 mL PCR tube | Axygen Biosciences, Union City, CA, USA | PCR-02-C | |
| C57BL/6 Mice | Medical Animal Center of Guangdong Province, China | 8~10 weeks | |
| Centrifuge | Thermo Fisher Scientific, Walt- ham, MA, USA | Micro 21R | |
| 2-Log DNA Ladder | New England Biolabs, Ipswich, Mass, USA | N3200S | 0.1–10.0 kb |
| Marker I | Tiangen, Beijing, China | MD101-02 | 0.1–0.6 kb |
| DNA Mini Column(HiBind DNA Mini Columns) | Omega Bio-tek, Norcross, GA, USA | DNACOL-01 | |
| DNA loading buffer | Solarbio, Beijing, China | D1010 | |
| E.Z.N.A.Plasmid DNA Mini Kit I and E.Z.N.A. Plasmid DNA Mini Kit II | Omega Bio-tek, Norcross, GA, USA | D6942 | |
| D6943 | |||
| EcoR I | Takara Bio, Shiga, Japan | 1040S | |
| Female Bama mini pigs | BGI Ark Biotechnology, Shenzhen, China | 2~4 months | |
| Genomic DNA Extraction Kit Ⅰ | Tiangen, Beijing, China | DP304-02 | |
| SYBR Green Realtime PCR Master Mix | Toyobo, Osaka, Japan | QPK-201 | |
| Gel Doc XR | Bio-Rad, Hercules, USA | ||
| Male cynomolgus monkeys | Guangdong Landau Biotechnology, Guangzhou, China | 8 years | |
| Nucleic acid dye(Gelred) | Biotium, Fremont, USA | 42003 | |
| polymerase(Premix Taq) | Takara Bio, Shiga, Japan | RR901A | |
| pMD19-T plasmid | Takara Bio, Shiga, Japan | D102A | |
| qPCR machine | Applied Biosystems QSDx, Waltham, USA | ||
| Serum/Circulating DNA Extraction Kit | Tiangen, Beijing, China | DP339 | |
| TAE | sangon Biotech, Shanghai, China | B548101 |
Referenzen
- Buchman, T. Multiple organ failure. Current Opinion In General Surgery. , 26-31 (1993).
- Smith, M., Dominguez-Gil, B., Greer, D., Manara, A., Souter, M. Organ donation after circulatory death: current status and future potential. Intensive care medicine. 45 (3), 310-321 (2019).
- Lopez-Fraga, M., et al. A needed Convention against trafficking in human organs. Lancet. 383 (9936), 2187-2189 (2014).
- Sykes, M., Sachs, D. Transplanting organs from pigs to humans. Science immunology. 4 (41), 6298 (2019).
- Reardon, S. New life for pig-to-human transplants. Nature. 527 (7577), 152-154 (2015).
- Song, Z., Cooper, D. K., Mou, Z. Expression and Regulation Profile of Mature MicroRNA in the Pig: Relevance to Xenotransplantation. BioMed Research International. 2018, 2983908 (2018).
- Chung, H., et al. CD4(+) /CD8(+) T-cell ratio correlates with the graft fate in pig-to-non-human primate islet xenotransplantation. Xenotransplantation. 27 (2), 12562 (2020).
- Yoon, C. H., Choi, S. H., Lee, H. J., Kang, H. J., Kim, M. K. Predictive biomarkers for graft rejection in pig-to-non-human primate corneal xenotransplantation. Xenotransplantation. 26 (4), 12515 (2019).
- Agbor-Enoh, S., et al. Circulating cell-free DNA as a biomarker of tissue injury: Assessment in a cardiac xenotransplantation model. The Journal of Heart and Lung Transplantation. 37 (8), 967-975 (2018).
- Vito Dabbs, D., et al. Are symptom reports useful for differentiating between acute rejection and pulmonary infection after lung transplantation. Heart & Lung. 33 (6), 372-380 (2004).
- Miller, C. A., et al. Non-invasive approaches for the diagnosis of acute cardiac allograft rejection. Heart. 99 (7), 445-453 (2013).
- Mandel, P., Metais, P. Les acides nucléiques du plasma sanguin chez l’homme. Comptes Rendus des Seances de l Academie des Sciences. 142 (3-4), 241-243 (1948).
- Okkonen, M., et al. Plasma cell-free DNA in patients needing mechanical ventilation. Critical Care. 15 (4), 196 (2011).
- Wagner, J. Free DNA–new potential analyte in clinical laboratory diagnostics. Biochemia Medica. 22 (1), 24-38 (2012).
- Schwarzenbach, H., Nishida, N., Calin, G. A., Pantel, K. Clinical relevance of circulating cell-free microRNAs in cancer. Nature Reviews Clinical Oncology. 11 (3), 145-156 (2014).
- Mohiuddin, M. M., et al. Chimeric 2C10R4 anti-CD40 antibody therapy is critical for long-term survival of GTKO.hCD46.hTBM pig-to-primate cardiac xenograft. Nature Communications. 7, 11138 (2016).
- Bettegowda, C., et al. Detection of circulating tumor DNA in early- and late-stage human malignancies. Science Translational Medicine. 6 (224), 24 (2014).
- Dawson, S. J., et al. Analysis of circulating tumor DNA to monitor metastatic breast cancer. New England Journal of Medicine. 368 (13), 1199-1209 (2013).
- Newman, A. M., et al. An ultrasensitive method for quantitating circulating tumor DNA with broad patient coverage. Nature Medicine. 20 (5), 548-554 (2014).
- Snyder, T. M., Khush, K. K., Valantine, H. A., Quake, S. R. Universal noninvasive detection of solid organ transplant rejection. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (15), 6229-6234 (2011).
- De Vlaminck, I., et al. Noninvasive monitoring of infection and rejection after lung transplantation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (43), 13336-13341 (2015).
- Zhou, M., et al. Circulating pig-specific DNA as a novel biomarker for monitoring xenograft rejection. Xenotransplantation. 26 (4), 12522 (2019).
- Huo, Q., et al. Circulating mi RNA or circulating DNA —Potential biomarkers for organ transplant rejection. Xenotransplantation. 26 (1), 12444 (2019).
- Gadi, V. K., Nelson, J. L., Boespflug, N. D., Guthrie, K. A., Kuhr, C. S. Soluble donor DNA concentrations in recipient serum correlate with pancreas-kidney rejection. Clinical Chemistry. 52 (3), 379-382 (2006).
