Etablierung des dualen humanisierten TK-NOG-Mausmodells für HIV-assoziierte Leberpathogenese
Summary
Dieses Protokoll bietet eine zuverlässige Methode, um humanisierte Mäuse mit menschlichem Immunsystem und Leberzellen zu etablieren. Dual rekonstituierte immundefizienten Mäuse, die durch intrasplenische Injektion von humanen Hepatozyten und CD34+ hämatopoetischen Stammzellen erreicht werden, sind anfällig für eine Infektion mit dem Humanimmundefizienzvirus-1 und rekapitulieren Leberschäden, wie in HIV-infizierte Patienten.
Abstract
Trotz der erhöhten Lebenserwartung von Patienten, die mit dem humanen Immundefizienzvirus-1 (HIV-1) infiziert sind, hat sich die Lebererkrankung als häufige Ursache ihrer Morbidität herausgestellt. Die durch HIV-1 verursachte Leberimmunpathologie bleibt schwer fassbar. Kleine Xenograft-Tiermodelle mit menschlichen Hepatozyten und dem menschlichen Immunsystem können die menschliche Biologie der Pathogenese der Krankheit rekapitulieren. Hierin wird ein Protokoll beschrieben, um ein duales humanisiertes Mausmodell durch menschliche Hepatozyten und CD34+ hämatopoetische Stamm-/Vorläuferzellen (HSPCs) zu etablieren, um die Leberimmunpathologie zu untersuchen, wie sie bei HIV-infizierten Patienten beobachtet wurde. Um eine doppelte Rekonstitution zu erreichen, ist das männliche TK-NOG (NOD. Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Sug Tg(Alb-TK)7-2/ShiJic) Mäuse werden intraperitoneal mit Ganciclovir (GCV) Dosen injiziert, um transgene Leberzellen der Maus zu eliminieren, und mit Treosulfan für nichtmyeloablative Konditionierung, die beide die Entwicklung des humanen Hepatozyten (HEP) und der Entwicklung des menschlichen Immunsystems (HIS). Humanalbumin (ALB) Ebenen werden für Lebertransplantation ausgewertet, und das Vorhandensein von menschlichen Immunzellen im Blut durch Durchflusszytometrie erkannt bestätigt die Etablierung des menschlichen Immunsystems. Das Modell, das mit dem hier beschriebenen Protokoll entwickelt wurde, ähnelt mehreren Komponenten von Leberschäden durch HIV-1-Infektion. Seine Einrichtung könnte sich als wesentlich für Studien zur Hepatitis-Virus-Koinfektion und für die Bewertung antiviraler und antiretroviraler Medikamente erweisen.
Introduction
Seit dem Aufkommen der antiretroviralen Therapie ist die Zahl der Todesfälle im Zusammenhang mit der HIV-1-Monoinfektion erheblich zurückgegangen. Lebererkrankungen haben sich jedoch als häufige Ursache für Morbidität bei HIV-infizierten Patienten1,2herauskristallisiert. Koinfektionen von Hepatitis-Viren mit HIV-1-Infektion sind häufiger und machen 10% – 30% der HIV-Infizierten in den Vereinigten Staaten3,4,5aus.
Die Wirtssspezifität von HIV-1- und Hepatitis-Viren begrenzt den Nutzen von Kleintiermodellen, um menschenspezifische Infektionskrankheiten zu untersuchen oder mehrere Aspekte der HIV-1-assoziierten Leberpathogenese zu untersuchen. Immundefizienten Mäuse, die die Engraftierung menschlicher Zellen und/oder Gewebe (als humanisierte Mausmodelle bezeichnet) ermöglichen, sind akzeptable Tiermodelle für präklinische Studien6,7,8. Seit der Einführung humanisierter Mäuse in den frühen 2000er Jahren wurden mehrere präklinische Studien zur cholestatischen menschlichen Lebertoxizität, humanspezifischen Krankheitserregern, einschließlich HIV-1- und HIV-assoziierter neurokognitiver Störungen, Epstein-Barr-Virus, Hepatitis und Infektionskrankheiten, wurden bei diesen Mäusen untersucht6,9,10,11. Mehrere Mausmodelle für CD34+ HSPCs und/oder menschliche Hepatozytentransplantationen wurden seit langem entwickelt und haben sich im Laufe der Zeit verbessert, um die Krankheit pathogenese des Hepatitis-B-Virus (HBV)-assoziierten Lebererkrankung12, 13 , 14. Mehrere Modelle für HSPC und Humanhepatozyten (HEP) Transplantation basieren auf Stämmen, bekannt als NOG (NOD. Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Sug/JicTac)8,13, NSG (NOD. Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ)15, Balb/C-Rag2-/- éc-/- (Rag2tm1.1Flv Il2rgtm1.1Flv/J)12, und fah-/- NOD rag1-/- il2r-null-Maus16. Jedes Modell hat jedoch seine eigenen Vorteile und Einschränkungen; Zum Beispiel ermöglicht AFC8 dual humanized mice for HEPs and human stem cells (HSCs) auf einem Balb/C-Rag2-/- ‘c-/- Hintergrund die erfolgreiche Entransplantation von Immunzellen und HSCs, aber es fehlt eine antigenspezifische T- und B-Zelle Antwort in diesem Modell12. Die Hauptprobleme bei der Rekonstituierung doppelt humanisierter Mäuse sind die suboptimale Engraftmentierung, das Fehlen geeigneter Modelle zur Unterstützung verschiedener Gewebe, nicht übereinstimmende Bedingungen, Immunabstoßung oder Transplantat-versus-Wirtskrankheit (GVHD) und technische Schwierigkeiten, wie riskante Manipulationen bei Neugeborenen und hohe Sterblichkeitsraten aufgrund metabolischer Anomalien13.
Obwohl humanisierte Mäuse seit vielen Jahren für die HIV-Forschung verwendet werden17,18,19, die Verwendung von humanisierten Mäusen zur Untersuchung von Leberschäden durch HIV-1 ist begrenzt20. Wir berichteten zuvor über die Etablierung eines dualen humanisierten TK-NOG-Mausmodells und dessen Anwendung bei der HIV-assoziierten Lebererkrankung8. Dieses Modell zeigt die robuste Transplantation von Leber- und Immunzellen und rekapituliert die PATHOGENese der HIV-Infektion. Diese Diskussion enthält ein detailliertes Protokoll, das die wichtigsten Schritte bei der Transplantation menschlicher Hepatozyten enthält. Eine Beschreibung der HSPCs, die für eine erfolgreiche Engraftmentierung von HEPs und die Etablierung eines funktionellen Immunsystems bei TK-NOG-Mäusen erforderlich sind, wird ebenfalls vorgestellt. Die Verwendung dieser Mäuse zur Untersuchung der HIV-assoziierten Leberimmunopathogenese ist detailliert. TK-NOG-Männchenmäuse, die ein leberspezifisches Herpes-Simplex-Virus Typ 1 Thymidinkinase (HSV-TK) Transgen tragen, werden verwendet. Mausleberzellen, die dieses Transgen exprossieren, können nach einer kurzen Exposition gegenüber einer ungiftigen Dosis gCV leicht abgetrieben werden. Transplantierte menschliche Leberzellen werden in der Mausleber ohne exogene Medikamente stabil gepflegt21. Die Mäuse sind auch mit nichtmyeloablativen Dosen von Treosulfan, um eine Nische im Mausknochenmark für menschliche Zellen zu schaffen8. Immundefizienten TK-NOG-Mäuse werden intrasplenisch mit HEPs und multipotenten HSPCs injiziert. Die Mäuse werden dann regelmäßig auf Blut- und Leberrekonstitution durch Blutimmunphenotypisierung und Messungen des Serum-Human-Albumin-Spiegels überwacht. Mäuse mit einer erfolgreichen Rekonstitution von mehr als 15% für menschliche Immunzellen und HEPs werden intraperitoneal mit HIV-1 injiziert. Die Wirkung von HIV auf die Leber kann bereits nach 4 – 5 Wochen nach der Infektion beurteilt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass, da HIV-1 verwendet wird, alle notwendigen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen, während das Virus behandelt und in Mäuse injiziert werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Leber ist bei HIV-infizierten Patienten kompromittiert und geschädigt24. Experimentelle Kleintiermodelle zur Untersuchung menschlicher Lebererkrankungen in Gegenwart von HIV-1 sind extrem begrenzt, trotz der Verfügbarkeit einiger kotransplantierter Tiermodelle mit CD34+ HSPCs und Hepatozyten7,12, 25. In In-vitro-Experimenten haben Hepatozyten nachweislich eine HIV-1-Infektion auf niedrig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom National Institute of Health Grant R24OD018546 (an L.Y.P. und S.G.) unterstützt. Die Autoren danken Weizhe Li, Ph.D., für die Hilfe bei chirurgischen Eingriffen, Amanda Branch Woods, B.S., Yan Cheng für Immunhistologie, UNMC Flow Cytometry Forschungseinrichtung Mitglieder Direktor Phillip Hexley, Ph.D., Victoria B. Smith, B.S., und Samantha Wall, B.S., UNMC Advanced Microscopy Core Facility Mitglieder Janice A. Taylor, B.S., und James R. Talaska, B.S., für den technischen Support. Die Autoren würdigen Drs. Mamoru Ito und Hiroshi Suemizu von CIEA für die Bereitstellung von TK-NOG-Mäusen und Dr. Joachim Baumgart für die Bereitstellung von Treosulfan. Die Autoren danken Dr. Adrian Koesters, UNMC, für ihren redaktionellen Beitrag zum Manuskript.
Materials
| 27G1/2" needles | BD biosciences | 305109 | |
| 30G1/2" needles | BD biosciences | 305106 | |
| 5 mL polystyrene round-bottom tube 12 x 75 mm style | Corning | 352054 | |
| BD 1 mL Tuberculin Syringe Without Needle | BD biosciences | 309659 | |
| BD FACS array bioanalyzer | BD Biosciences | For purity check of eluted CD34+ cells | |
| BD FACS array software | BD Biosciences | Software to analysis acquired CD34+ cell on FACS array | |
| BD FACS lysing solution | BD Biosciences | 349202 | To lyse red blood cells |
| BD LSR II | BD Biosciences | Instrument for acquisiton of flow cytometry samples | |
| BD Vacutainer Plastic Blood Collection Tube | BD biosciences | BD 367874 | To collect Cord blood |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-aldrich | A9576 | |
| Buprenorphine | Controlled substance and pain-killer | ||
| CD14-PE | BD Biosciences | 555398 | Specific to human |
| CD19-BV605 | BD Biosciences | 562653 | Specific to human |
| CD34 MicroBead Kit, human | Miltenyi Biotec | 130-046-702 | For isoation of CD34+ HSPC |
| CD34-PE, human | Miltenyi Biotec | 130-081-002 | Antibody used for purity check of eluted CD34+ cells |
| CD3-AF700 | BD Biosciences | 557943 | Specific to human |
| CD45-PerCPCy5.5 | BD Biosciences | 564105 | Specific to human |
| CD4-APC | BD Biosciences | 555349 | Specific to human |
| CD8-BV421 | BD Biosciences | 562428 | Specific to human |
| Cell counting slides | Bio-rad | 1450015 | |
| ChargeSwitch gDNA Mini Tissue Kit | Thermofisher scientific | CS11204 | for extraction of genomic DNA from ear piece |
| Cobas Amplicor system v1.5 | Roche Molecular Diagnostics | bioanalyzer to measure viral load | |
| Cotton-tipped applicators | McKesson | 24-106-2S | |
| Cytokeratin-18 (CK18) | DAKO | M7010 | Specific to human |
| DMSO (Dimethyl sulfoxide) | Sigma-aldrich | D2650-5X5ML | |
| Extension set Microbore Slide Clamp(s) Fixed Male Luer Lock. L: 60 in L: 152 cm PV: 0.55 mL Fluid Path Sterile | BD biosciences | 30914 | Attached to dispensing pippet and to load with HSPC and HEP suspesion |
| FACS Diva version 6 | BD Biosciences | flow cytometer software required for acqusition of sample | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 10438026 | |
| FLOWJO analysis software v10.2 |
FLOWJO, LLC | flow cytometry analysis software | |
| Ganciclovir | APP Pharmaceuticals, Inc. | 315110 | Prescripition drug |
| Greiner MiniCollect EDTA Tubes | Greiner bio-one | 450475 | |
| Hepatocytes thawing medium | Triangle Research Labs | MCHT50 | |
| Horizon Open Ligating Clip Appliers | Teleflex | 537061 | To hold the ligating clips |
| Hospira Sterile Water for Injection | ACE surgical supply co. Inc. | 001-1187 | For dilution of Buprenorphine (pain-killer) |
| Human Albumin ELISA Quantitation Set | Bethyl laboratories | E80-129 | For assesing human albumin levels in mouse serum |
| Human hepatocyte | Triangle Research Labs | HUCP1 | Cryopreserved human hepatocytes, induction qualified |
| Iris Scissors, Straight | Ted Pella, Inc. | 13295 | |
| Lancet | MEDIpoint | Goldenrod 5 mm | |
| LS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | Used to entrap CD34+ microbeads (positive selection) |
| Lymphocyte Separation Medium (LSM) | MP Biomedicals | 50494 | For isoation of lymphocytes from peripheral blood |
| MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | holds Qudro MACS seperator and LS columns |
| McPherson-Vannas Micro Dissecting Spring Scissors | Roboz Surgical Instrument Co. | RS-5605 | Used to make an incision on skin to expose spleen |
| Micro Dissecting Forceps | Roboz Surgical Instrument Co. | RS-5157 | to hold and pull out spleen from peritoneal cavity |
| mouse CD45-FITC | BD Biosciences | 553080 | mouse-specific |
| PBS (Phosphate Buffered Saline) | Hyclone | SH30256.02 | |
| Qudro MACS separator | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | holds four LS columns |
| RPMI 1640 medium | Gibco | 11875093 | |
| StepOne Plus Real Time PCR | Applied Biosystems | Instrument used to genotype | |
| Stepper Series Repetitive Dispensing Pipette 1ml | DYMAX CORP | T15469 | Used to dispense HSPC and HEP supension in controlled manner |
| Suturevet PGA synthetic absorbale suture | Henry Schein Animal Health | 41178 | Suturing of skin and peritoneum |
| TaqMan Gene Expression Master Mix | Thermofisher scientific | 4369016 | |
| TC20 automated cell counter | Bio-rad | 1450102 | |
| TK-NOG mice | Provided by the Central Institute for Experimental Animals (CIEA, Japan; Drs. Mamoru Ito and Hiroshi Suemizu) | ||
| Treosulfan | Medac GmbH | Provided by Dr. Joachim Baumgart (medac GmbH) | |
| Trypan Blue | Bio-rad | 1450022 | |
| Vannas-type Micro Scissors, Straight, 80mm L | Ted Pella, Inc. | 1346 | Used to make an incision on skin to expose spleen |
| Weck hemoclip traditional titanium ligating clips | Esutures | 523700 | To ligate the spleen post-injection |
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