Programmierung Stammzellen für therapeutische Angiogenese mit biologisch abbaubaren Polymernanopartikel
Summary
Wir beschreiben die Methode der Programmierung Stammzellen zu therapeutischen Angiogenese-Faktoren für Überexpression mit biologisch abbaubaren polymeren Nanopartikel. Beschriebenen Verfahren umfassen die Polymersynthese, die Transfektion von Fettgewebe abgeleitete Stammzellen in vitro, und die Validierung der Wirksamkeit der programmierten Stammzellen Angiogenese in einem Maushinterlauf-Ischämie-Modell zu fördern.
Abstract
Gesteuert Gefäßwachstum ist entscheidend für eine erfolgreiche Geweberegeneration und Wundheilung sowie zur Behandlung von ischämischen Erkrankungen, wie Schlaganfall, Herzinfarkt oder peripheren arteriellen Erkrankungen. Direkte Zustellung von angiogenen Wachstumsfaktoren hat das Potenzial, neue Blutgefäßwachstum zu stimulieren, wird aber oft mit Einschränkungen wie mangelnde Ausrichtung und kurze Halbwertszeit in vivo assoziiert. Die Gentherapie bietet einen alternativen Ansatz durch die Bereitstellung von Genen angiogenen Faktoren kodieren, aber oft mit Viren erfordert, und wird von Sicherheitsbedenken begrenzt. Hier beschreiben wir eine kürzlich entwickelte Strategie zur Stimulierung von Gefäßwachstum durch Programmierung von Stammzellen zur angiogenen Faktoren in situ überexprimieren mit biologisch abbaubaren polymeren Nanopartikel. Insbesondere verwendet unsere Strategie Stammzellen als Lieferfahrzeuge unter Ausnutzung ihrer Fähigkeit, gegen ischämische Gewebe in vivo zu wandern. Mit den optimierten Polymer Vektoren, Fettgewebe gewonneneStammzellen modifiziert, um einen angiogenen Gens vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) kodiert, überexprimiert. Wir beschriebenen Prozesse für die Polymersynthese, die Nanopartikelbildung, Transfektion Stammzellen in vitro, als auch Verfahren zur Validierung der Wirksamkeit der VEGF-exprimierenden Stammzellen zur Förderung der Angiogenese in einem Mausmodell Ischämie der Hintergliedmaßen.
Introduction
Das Ziel dieser Technik ist die Förderung der therapeutischen Angiogenese mit nicht-viral programmierten Stammzellen Überexpression therapeutischen Faktoren an der Stelle der Ischämie. Stammzellen wurden ex vivo ersten modifizierten mit biologisch abbaubaren Nanopartikel im Labor synthetisiert und in einem Mausmodell der Ischämie der Hintergliedmaßen, um ihr Potenzial zur Verbesserung der Angiogenese und Gewebebergungs validieren dann transplantiert.
Gesteuert Gefäßwachstum ist ein wichtiger Bestandteil erfolgreicher Geweberegeneration sowie zur Behandlung verschiedener ischämischer Erkrankungen, wie Schlaganfall, Ischämie der Extremitäten und Myokardinfarkt. Verschiedene Strategien wurden entwickelt, um das Gefäßwachstum, einschließlich Wachstumsfaktor Lieferung und zellbasierte Therapie zu fördern. 1. Trotz der in den Tierkrankheitsmodellen beobachtete Wirksamkeit sind diese Verfahren immer noch mit Einschränkungen wie die Notwendigkeit für supraphysiologischen Dosen Wachstumsfaktor Lieferung oder unzureichende parakrineFreigabe durch Zellen allein. Eine mögliche Strategie, um die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, ist die Stammzelltherapie und Gentherapie, wobei Stammzellen genetisch ex vivo vor der Transplantation programmiert, um wünschenswerte therapeutische Faktoren überexprimieren kombinieren. Dieser Ansatz hat sich in verschiedenen Krankheitsmodellen einschließlich Ischämie der Hintergliedmaßen 2, Herzerkrankungen 3, 4 und Knochenheilung Nervenverletzung 5, etc nachgewiesen. Jedoch beruhen die meisten Gentherapietechniken auf virale Vektoren, die mit Sicherheitsbedenken wie potenzielle Immunogenität und Insertionsmutagenese zugeordnet sind. Biomaterialien vermittelte nicht-viralen Gentransfer kann diese Einschränkungen zu überwinden, aber oft leiden unter niedrigen Transfektionseffizienz. Zur Beschleunigung der Entdeckung von neuartigen Biomaterialien für effiziente nicht-viralen Gentransfer haben neuere Studien kombinatorischen Chemie und Hochdurchsatz-Screening-Ansatz verwendet. Biologisch abbaubare Polymerbibliotheken, wie Poly (β-amino ester) (PBAE) entwickelt und gesiebt, die zur Entdeckung der führenden Polymere mit deutlich verbesserte Transfektionseffizienz im Vergleich zu den herkömmlichen Polymer Vektor Kollegen geführt. 6-7
Hier beschreiben wir die Synthese PBAE und Überprüfung ihrer Fähigkeit, aus Fettgewebe abgeleiteten Stammzellen (ADSCs) in vitro zu transfizieren, gefolgt von der anschließenden Transplantation von genetisch modifizierten ADSCs überexprimieren, vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) in einem Mausmodell der Ischämie der Hintergliedmaßen . Die Ergebnisse wurden durch die Verfolgung Zellschicksal mit Biolumineszenz-Bildgebung, Bewertung Gewebe Reperfusion mittels Laser-Doppler-Perfusion Imaging (LDPI) und Bestimmen der Angiogenese und Gewebebergungs histologisch ausgewertet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier berichten wir über eine Methode, um adulte Stammzellen zu programmieren, um therapeutische Faktoren überexprimieren mit nicht-viralen, biologisch abbaubare Nanopartikel. Diese Plattform ist besonders nützlich zur Behandlung von Krankheiten, bei denen Stammzellen natürlich Hause kann, wie Ischämie und Krebs. 9-10 Ferner erlaubt die nicht-virale Gen-Abgabeplattform für transiente Überexpression von therapeutischen Faktoren, die für die meisten Geweberegeneration und Wunde Heilungsprozesse. Transfek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei American Heart Association Nationale Entwicklung Scientist Grant (10SDG2600001), Stanford Bio-X Interdisziplinäre Initiative Program und Stanford Medical Research Program Wissenschaftler für die Finanzierung bestätigen.
Materials
| Name of the Reagent | Company | Catalogue Number | Comments (optional) |
| DMEM | Invitrogen | 11965 | |
| Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 10082 | |
| Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15070 | |
| Basic Fibroblast Growth Factor | Peprotech | 100-18B | |
| 1,4-Butanediol Diacrylate (90%) | Sigma Aldrich | 411744 | Acronym: C |
| 5-amino-1-pentanol (97%) | Alfa Aesar | 2508-29-4 | Acronym: 32 |
| Tetraethyleneglycoldiamine >99%) | Molecular Biosciences | 17774 | Acronym: 122 |
| Sodium Acetate | G-Biosciences | R010 | |
| Phosphate Buffered Saline | Invitrogen | 14190-144 | |
| Tetrahyofuran Anhydrous (>99.9%) | Sigma Aldrich | 401757 | |
| Diethyl Ether Anhydrous (>99%) | Fisher Scientific | E138-4 | |
| DMSO Anhydrous (>99.9%) | Sigma Aldrich | 276855 | |
| Gelatin | Sigma Aldrich | G9391 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25200 | |
| D-luciferin | GoldBio | ||
| Optimal Cutting Temperature (O.C.T) | Tissue-Tek | 4583 | |
| Rat anti-Mouse CD31 | BD Pharmingen | 550274 | |
| Alexa Fluor 594 anti-rat IgG | Invitrogen | A11007 |
References
- Deveza, L., Choi, J., Yang, F. Therapeutic angiogenesis for treating cardiovascular diseases. Theranostics. 2, 801-814 (2012).
- Yang, F., et al. Genetic engineering of human stem cells for enhanced angiogenesis using biodegradable polymeric nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 3317-3322 (2010).
- Mangi, A. A., et al. Mesenchymal stem cells modified with Akt prevent remodeling and restore performance of infarcted hearts. Nat Med. 9, 1195-1201 (2003).
- Lee, J. Y., et al. Enhancement of bone healing based on ex vivo gene therapy using human muscle-derived cells expressing bone morphogenetic protein 2. Hum. Gene Ther. 13, 1201-1211 (2002).
- Park, K. I., et al. Neural stem cells may be uniquely suited for combined gene therapy and cell replacement: Evidence from engraftment of Neurotrophin-3-expressing stem cells in hypoxic-ischemic brain injury. Exp. Neurol. 199, 179-190 (2006).
- Green, J. J., Langer, R., Anderson, D. G. A combinatorial polymer library approach yields insight into nonviral gene delivery. Acc Chem Res. 41, 749-759 (2008).
- Yang, F., et al. Gene delivery to human adult and embryonic cell-derived stem cells using biodegradable nanoparticulate polymeric vectors. Gene Ther. 16, 533-546 (2009).
- Niiyama, H., Huang, N. F., Rollins, M. D., Cooke, J. P. Murine model of hindlimb ischemia. J. Vis. Exp. , e1035 (2009).
- Ceradini, D. J., et al. Progenitor cell trafficking is regulated by hypoxic gradients through HIF-1 induction of SDF-1. Nat. Med. 10, 858-864 (2004).
- Kidd, S., et al. Direct evidence of mesenchymal stem cell tropism for tumor and wounding microenvironments using in vivo bioluminescent imaging. Stem Cells. 27, 2614-2623 (2009).
- Sunshine, J., et al. Small-molecule end-groups of linear polymer determine cell-type gene-delivery efficacy. Adv. Mater. 21, 4947-4951 (2009).
- Sunshine, J. C., Akanda, M. I., Li, D., Kozielski, K. L., Green, J. J. Effects of base polymer hydrophobicity and end-group modification on polymeric gene delivery. Biomacromolecules. 12, 3592-3600 (2011).
- Lynn, D. M., Langer, R. Degradable poly(β-amino esters): Synthesis, characterization, and self-assembly with plasmid DNA. J. Am. Chem. Soc. 122, 10761-10768 (2000).
- Eltoukhy, A. A., et al. Effect of molecular weight of amine end-modified poly(beta-amino ester)s on gene delivery efficiency and toxicity. Biomaterials. 33, 3594-3603 (2012).
- Glover, D. J., Lipps, H. J., Jans, D. A. Towards safe, non-viral therapeutic gene expression in humans. Nat. Rev. Genet. 6, 299-310 (2005).
- Dave, U. P., Jenkins, N. A., Copeland, N. G. Gene therapy insertional mutagenesis insights. Science. 303, 333 (2004).
