CRISPR/Cas9 Gene Editing di cellule staminali e progenitrici ematopoietiche per applicazioni di terapia genica
Summary
Il presente protocollo descrive una procedura di coltura ottimizzata di cellule staminali e progenitrici ematopoietiche (HSPC) per l’attecchimento robusto di cellule geneticamente modificate in vivo.
Abstract
CRISPR / Cas9 è uno strumento di editing genetico altamente versatile ed efficiente adottato ampiamente per correggere varie mutazioni genetiche. La fattibilità della manipolazione genica delle cellule staminali e progenitrici ematopoietiche (HSPC) in vitro rende le HSPC una cellula bersaglio ideale per la terapia genica. Tuttavia, le HSPC perdono moderatamente il loro potenziale di attecchimento e ripopolamento multilineare in coltura ex vivo . Nel presente studio sono descritte condizioni di coltura ideali che migliorano l’attecchimento di HSPC e generano un aumento del numero di cellule geneticamente modificate in vivo. Il rapporto attuale mostra le condizioni di coltura in vitro ottimizzate, tra cui il tipo di terreno di coltura, l’integrazione unica di cocktail di piccole molecole, la concentrazione di citochine, le piastre di coltura cellulare e la densità di coltura. Inoltre, viene fornita una procedura ottimizzata di modifica genetica HSPC, insieme alla convalida degli eventi di modifica genetica. Per la convalida in vivo , vengono visualizzati l’infusione di HSPCs geneticamente modificata e l’analisi post-attecchimento nei destinatari di topo. I risultati hanno dimostrato che il sistema di coltura ha aumentato la frequenza delle HSC funzionali in vitro, con conseguente robusto attecchimento di cellule geneticamente modificate in vivo.
Introduction
L’inaccessibilità ai donatori compatibili con l’antigene leucocitario umano (HLA) in contesti di trapianto allogenico e il rapido sviluppo di strumenti di ingegneria genetica altamente versatili e sicuri rendono il trapianto di cellule staminali ematopoietiche autologhe (HSCT) una strategia di trattamento curativo per le malattie ereditarie del sangue 1,2. La terapia genica con cellule staminali e progenitrici ematopoietiche autologhe (HSPC) comporta la raccolta di HSPC dei pazienti, la manipolazione genetica, la correzione delle mutazioni che causano malattie e il trapianto di HSPC geneticamente corretti nel paziente 3,4. Tuttavia, l’esito positivo della terapia genica si basa sulla qualità dell’innesto geneticamente modificato trapiantabile. Le fasi di manipolazione genica e la coltura ex vivo delle HSPC influenzano la qualità del trapianto diminuendo la frequenza delle cellule staminali ematopoietiche a lungo termine (LT-HSCs), rendendo necessaria l’infusione di grandi dosi di HSPC manipolate genicamente 2,5,6.
Diverse piccole molecole, tra cui SR1 e UM171, sono attualmente impiegate per espandere le HSPC del sangue del cordone ombelicale in modo robusto 7,8. Per le HSPC adulte, a causa della maggiore resa cellulare ottenuta alla mobilizzazione, non è richiesta una robusta espansione. Tuttavia, mantenere la staminalità delle HSPC isolate in coltura ex vivo è fondamentale per le sue applicazioni di terapia genica. Pertanto, un approccio incentrato sull’arricchimento in coltura delle cellule staminali ematopoietiche (HSC) viene sviluppato utilizzando una combinazione di piccole molecole: resveratrolo, UM729 e SR1 (RUS)7. Le condizioni di coltura ottimizzate di HSPC promuovono l’arricchimento delle HSC, con conseguente aumento della frequenza di HSC geneticamente modificate in vivo, e riducono la necessità di manipolare genicamente grandi dosi di HSPC, facilitando approcci di terapia genica economicamente vantaggiosi8.
Qui viene descritto un protocollo completo per la coltura di HSPC, insieme all’infusione e all’analisi di cellule geneticamente modificate in vivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’esito positivo della terapia genica HSPC si basa prevalentemente sulla qualità e quantità di HSC innestabili nell’innesto. Tuttavia, le proprietà funzionali delle HSC sono fortemente influenzate durante la fase preparatoria dei prodotti di terapia genica, compresa la coltura in vitro e la tossicità associata alla procedura di manipolazione genica. Per superare questi limiti, abbiamo identificato condizioni di coltura ideali per HSPC che mantengono la staminalità delle HSC CD34+CD133+CD90+<…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vogliono riconoscere il personale della struttura di citometria a flusso e della struttura per animali di CSCR. A. C. è finanziato da una borsa di studio ICMR-SRF, K. V. K. è finanziato da una borsa di studio DST-INSPIRE e P. B. è finanziato da una borsa di studio CSIR-JRF. Questo lavoro è stato finanziato dal Dipartimento di Biotecnologia, Governo dell’India (sovvenzione n. BT / PR26901 / MED / 31/377 / 2017 e BT / PR31616 / MED / 31/408 / 2019)
Materials
| 4D-Nucleofector® X Unit | LONZA BIOSCIENCE | AAF-1003X | |
| 4D-Nucleofector™ X Kit ( 16-well Nucleocuvette™ Strips) | LONZA BIOSCIENCE | V4XP-3032 | |
| Antibiotic-Antimycotic (100X) | THERMO SCIENTIFIC | 15240096 | |
| Anti-human CD45 APC | BD BIOSCIENCE | 555485 | |
| Anti-human CD13 PE | BD BIOSCIENCE | 555394 | |
| Anti-human CD19 PerCP | BD BIOSCIENCE | 340421 | |
| Anti-human CD3 PE-Cy7 | BD BIOSCIENCE | 557749 | |
| Anti-human CD90 APC | BD BIOSCIENCE | 561971 | |
| Anti-human CD133/1 | Miltenyibiotec | 130-113-673 | |
| Anti-human CD34 PE | BD BIOSCIENCE | 348057 | |
| Anti-mouse CD45.1 PerCP-Cy5 | BD BIOSCIENCE | 560580 | |
| Blood Irradator-2000 | BRIT (Department of Biotechnology, India) | BI 2000 | |
| Cell culture dish (delta surface-treated 6-well plates) | NUNC (THERMO SCIENTIFIC) | 140675 | |
| CrysoStor CS10 | BioLife solutions | #07952 | |
| Busulfan | CELON LABS (60mg/10mL) | - | |
| Guide-it Recombinant Cas9 | TAKARA BIO | 632640 | |
| Cas9-eGFP | SIGMA | C120040 | |
| Centrifuge tube-15ml | CORNING | 430790 | |
| Centrifuge tube-50ml | NUNC (THERMO SCIENTIFIC) | 339652 | |
| DMSO | MPBIO | 219605590 | |
| DNAase | STEMCELL TECHNOLOGIES | 6469 | |
| Dulbecco′s Phosphate Buffered Saline- 1X | HYCLONE | SH30028.02 | |
| EasySep™ Human CD34 Positive Selection Kit II | STEMCELL TECHNOLOGIES | 17856 | |
| EasySep magnet | STEMCELL TECHNOLOGIES | 18000 | |
| Electrophoresis unit | ORANGE INDIA | HDS0036 | |
| FBS | THERMO SCIENTIFIC | 10270106 | |
| Flow cytometer – ARIA III | BD BIOSCIENCE | - | |
| FlowJo | BD BIOSCIENCE | - | |
| Flt3-L | PEPROTECH | 300-19-1000 | |
| Gel imaging system | CELL BIOSCIENCES | 11630453 | |
| HighPrep DTR reagent | MAGBIOGENOMICS | DT-70005 | |
| Human BD Fc Block | BD BIOSCIENCE | 553141 | |
| IL6 | PEPROTECH | 200-06-50 | |
| IMDM media | THERMO SCIENTIFIC | 12440053 | |
| Infrared lamp | MURPHY | – | |
| Insulin syringe 6mm 31G | BD BIOSCIENCE | 324903 | |
| Ketamine | KETMIN 50 | – | |
| Loading dye 6X | TAKARA BIO | 9156 | |
| Lymphoprep | STEMCELL TECHNOLOGIES | 7851 | |
| Mice Restrainer | AVANTOR | TV-150 | |
| Nano drop spectrophotometer | THERMO SCIENTIFIC | ND-2000C | |
| Neubauer cell counting chamber | ROHEM INSTRUMENTS | CC-3073 | |
| NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ (NSG) | The Jackson Laboratory | RRID:IMSR_JAX:005557 | |
| NOD,B6.SCID Il2rγ−/−KitW41/W41 (NBSGW) | The Jackson Laboratory | RRID:IMSR_JAX:026622 | |
| Nunc delta 6-well plate | THERMO SCIENTIFIC | 140675 | |
| Polystyrene round-bottom tube | BD | 352008 | |
| P3 primary cell Nucleofection solution | LONZA BIOSCIENCE | PBP3-02250 | |
| Pasteur pipette | FISHER SCIENTIFIC | 13-678-20A | |
| PCR clean-up kit | TAKARA BIO | 740609.25 | |
| Mouse Pie Cage | FISCHER SCIENTIFIC | 50-195-5140 | |
| polystyrene round-bottom tube (12 x 75 mm) | STEMCELL TECHNOLOGIES | 38007 | |
| Primer3 | Whitehead Institute for Biomedical Research | https://primer3.ut.ee/ | |
| QuickExtract™ DNA Extraction Solution | Lucigen | QE09050 | |
| Reserveratrol | STEMCELL TECHNOLOGIES | 72862 | |
| SCF | PEPROTECH | 300-07-1000 | |
| SFEM-II | STEMCELL TECHNOLOGIES | 9655 | |
| sgRNA | SYNTHEGO | - | |
| SPINWIN | TARSON | 1020 | |
| StemReginin 1 | STEMCELL TECHNOLOGIES | 72342 | |
| ICE analysis tool | SYNTHEGO | https://ice.synthego.com/ | |
| Tris-EDTA buffer solution (TE) 1X | SYNTHEGO | Supplied with gRNA | |
| Thermocycler | APPLIED BIOSYSTEMS | 4375305 | |
| TPO | PEPROTECH | 300-18-1000 | |
| Trypan blue | HIMEDIA LABS | TCL046 | |
| UM171 | STEMCELL TECHNOLOGIES | 72914 | |
| UM729 | STEMCELL TECHNOLOGIES | 72332 | |
| Xylazine | XYLAXIN – INDIAN IMMUNOLOGICALS LIMITED | – |
Riferimenti
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