Summary

Etablering af Dual humaniseret TK-NOG muse model for HIV-associeret lever patogenesen

Published: September 11, 2019
doi:

Summary

Denne protokol giver en pålidelig metode til at etablere humaniserede mus med både menneskelige immunsystem og leverceller. Dual rekonstitueret immundefekt mus opnået via intrasplenisk injektion af humane hepatocytter og CD34+ hæmatopoietiske stamceller er modtagelige for human immuninsufficiens virus-1 infektion og rekapitulere leverskader som observeret i HIV-inficerede patienter.

Abstract

På trods af den øgede forventede levetid for patienter inficeret med humant immundefektvirus-1 (HIV-1), leversygdom er opstået som en almindelig årsag til deres sygelighed. Den lever immunopatologi forårsaget af HIV-1 forbliver undvigende. Små xenograft dyremodeller med humane hepatocytter og humant immunsystem kan rekapitulere den menneskelige biologi af sygdommens patogenese. Heri er en protokol beskrevet for at etablere en dual humaniseret musemodel gennem humane hepatocytter og CD34+ hæmatopoietiske Stem/progenitorceller (HSPCs) transplantation, at studere leveren immunopatologi som observeret hos HIV-inficerede patienter. For at opnå dobbelt rekonstitution, mand TK-NOG (NOD. CG-Prkdcscid Il2rgtm1Sug TG (Alb-tk) 7-2/shijic) mus intraperitonealt injiceres med ganciclovir (gcv) doser for at eliminere mus transgene leverceller, og med treosulfan til nonmyeloablativ konditionering, som begge fremme menneskelig hepatocyt (HEP) engraftment og menneskelige immunsystem (hans) udvikling. Humant albumin (Alb) niveauer er evalueret for leveren engraftment, og tilstedeværelsen af humane immunceller i blodet detekteret af flow flowcytometri bekræfter etableringen af det menneskelige immunsystem. Den model, der er udviklet ved hjælp af protokollen beskrevet her ligner flere komponenter af leverskader fra HIV-1-infektion. Dets oprettelse kunne vise sig at være afgørende for undersøgelser af co-infektion med hepatitis virus og for evaluering af antivirale og antiretrovirale lægemidler.

Introduction

Siden fremkomsten af antiretroviral behandling, der har været et betydeligt fald i dødsfald relateret til HIV-1-monoinfektion. Men, leversygdom er opstået som en almindelig årsag til sygelighed hos HIV-inficerede patienter1,2. Coinfektioner af hepatitis virus med HIV-1-infektion er mere almindeligt, tegner sig for 10%-30% af HIV-inficerede personer i USA3,4,5.

Den Host-specificitet af HIV-1 og hepatitis vira begrænser nytten af små dyremodeller til at studere menneskelige-specifikke smitsomme sygdomme eller til at undersøge flere aspekter af HIV-1-associeret lever patogenese. Immundefekt mus, der tillader engraftment af humane celler og/eller væv (betegnet humaniseret musemodeller) er acceptable dyremodeller for prækliniske studier6,7,8. Siden introduktionen af humaniserede mus i begyndelsen af 2000 ‘ erne, flere prækliniske studier af kolestatisk Human levertoksicitet, humane-specifikke patogener, herunder HIV-1 og HIV-associerede neurokognitive lidelser, Epstein Barr virus, hepatitis, og andre smitsomme sygdomme, er blevet undersøgt i disse mus6,9,10,11. Flere musemodeller til CD34+ hspc’er og/eller menneskelig hepatocyt transplantation er længe blevet udviklet og er blevet forbedret med tiden for at studere sygdoms patogenesen af hepatitis B-virus (HBV)-associeret leversygdom12, 13 , 14. flere modeller for HSPC og human hepatocyt (HEP) transplantation er baseret på stammer, kendt som nog (NOD. CG-prkdcscid Il2rgtm1Sug/jictac)8,13, NSG (NOD. CG-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/Szj)15, Balb/C-Rag2-/- γc-/- (Rag2TM 1.1 FLV Il2rgTM 1.1 FLV/j)12, og Fah-/- NOD rag1-/- il2rγnull mus16. Men hver model har sine egne fordele og begrænsninger; for eksempel, AFC8 Dual humaniseret mus til HEPs og humane stamceller (HSCs) på en Balb/C-Rag2-/- γc-/- baggrund muliggør vellykket engraftment af immunceller og hscs, men der er en mangel på en antigen-specifik T-og B-celle respons i denne model12. De største betænkeligheder ved rekonstitution af dobbelte humaniserede mus omfatter suboptimal engraftment, mangel på egnede modeller til at understøtte forskellige væv, uoverensstemmende forhold, immun afvisning eller graft-versus-Host-sygdom (gvhd) og teknisk vanskeligheder, såsom risikable manipulationer med nyfødte og høj dødelighed på grund af metaboliske abnormaliteter13.

Selv om humaniseret mus har været anvendt til hiv-forskning i mange år17,18,19, brugen af humaniserede mus til at studere leverskader forårsaget af HIV-1 har været begrænset20. Vi har tidligere rapporteret etableringen af en dual humaniseret TK-NOG musemodel og dens anvendelse i HIV-associeret leversygdom8. Denne model viser den robuste engraftment af leveren og immunceller og rekapitulerer HIV-smitte patogenese. Denne drøftelse præsenterer en detaljeret protokol, herunder de mest kritiske trin i transplantationen af humane hepatocytter. En beskrivelse af de Hspc’er, der kræves for en vellykket engraftment af HEPs og etableringen af et funktionelt immunsystem i TK-NOG mus er også præsenteret. Brugen af disse mus til at studere HIV-associeret lever immunopogenese er detaljeret. TK-nog hanmus, der bærer en lever specifik herpes simplex virus type 1 thymidinkinase (HSV-tk) transgen anvendes. Mus leverceller, der udtrykker denne transgene kan let være ablateret efter en kort udsættelse for en ikke-toksisk dosis af gcv. Transplanterede humane leverceller holdes stabilt i muse leveren uden udefrakommende lægemidler21. Musene er også konditioneret med nonmyeloablative doser af treosulfan til at skabe en niche i musens knoglemarv for humane celler8. Immunodedygtige TK-NOG-mus injiceres intrasplenisk med HEPs og Multipotente Hspc’er. Musene overvåges derefter regelmæssigt for blod og lever rekonstitution ved blod immunophenotyping og målinger af serum humant-albuminniveauer, hhv. Mus med en vellykket rekonstitution på mere end 15% for både humane immunceller og HEPs er intraperitonealt injiceret med HIV-1. Effekten af HIV på leveren kan vurderes så tidligt som 4-5 ugers post infektion. Det er vigtigt at bemærke, at fordi HIV-1 anvendes, skal alle nødvendige forholdsregler tages, mens håndtering af virus og indsprøjte det i mus.

Protocol

Denne protokol er blevet godkendt af Udvalget for institutionel dyrepasning og-anvendelse (IACUC) ved University of Nebraska Medical Center. Bemærk: Få godkendelse fra den lokale IACUC, før du udfører forsøg på dyr. 1. behandling af navlestrengen blod og isolering af humane Hspc’er Udfør alle trin i protokollen under sterile forhold i laminar flow kabinetter. Tag navlestrengsblod (CB), som opsamles i hepariniserede rør, o…

Representative Results

Etableringen af en dobbelt humaniseret musemodel med humane lever-og immunceller kan let overvåges ved hvert trin med meget enkel ELISA og flow cytometri hhv. Flow cytometri udføres regelmæssigt for at evaluere udviklingen af et funktionelt immunsystem og for at se effekten af HIV-infektion på immunceller. I dobbelte humaniserede mus kan udviklingen af funktionelle immunceller variere fra 15% til 90% af lymfocyt porten. Repræsentative undergrupper af immunceller er vist i prik plots …

Discussion

Leveren er kompromitteret og beskadiget hos HIV-inficerede patienter24. Eksperimentelle små dyremodeller til at studere menneskelige leversygdomme i nærværelse af HIV-1 er yderst begrænset, på trods af tilgængeligheden af et par cotransplanterede dyremodeller med CD34+ hspc’er og hepatocytter7,12, 25. I in vitro forsøg, hepatocytter er vist at have lav-niveau HIV-1-infektion<sup class="…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Institute of Health Grant R24OD018546 (til L.Y.P. og S.G.). Forfatterne vil gerne takke weizhe Li, ph.d., for hjælp i kirurgiske procedurer, Amanda Branch Woods, B.S., Yan Cheng for immunohistologi, unmc flow flowcytometri forsknings facilitets medlemmer direktør Phillip hexley, ph.D., Victoria B. Smith, B.S., og Samantha Wall, b.s., unmc avanceret mikroskopi Core Facility medlemmer Janice A. Taylor, b.s., og James R. talaska, b.s., for teknisk support. Forfatterne anerkender DRs. Mamoru Ito og Hiroshi Suemizu fra CIEA for at give TK-NOG mus og Dr. Joachim Baumgart for at give treosulfan. Forfatterne takker Dr. Adrian Koesters, UNMC, for hendes redaktionelle bidrag til manuskriptet.

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

References

  1. Smith, C., et al. Factors associated with specific causes of death amongst HIV-positive individuals in the D:A:D Study. AIDS. 24 (10), 1537-1548 (2010).
  2. Puoti, M., et al. Mortality for liver disease in patients with HIV infection: a cohort study. Journal of Acquired Immune Deficiency Syndromes. 24 (3), 211-217 (2000).
  3. Rodriguez-Mendez, M. L., Gonzalez-Quintela, A., Aguilera, A., Barrio, E. Prevalence, patterns, and course of past hepatitis B virus infection in intravenous drug users with HIV-1 infection. The American Journal of Gastroenterology. 95 (5), 1316-1322 (2000).
  4. Scharschmidt, B. F., et al. Hepatitis B in patients with HIV infection: relationship to AIDS and patient survival. Annals of Internal Medicine. 117 (10), 837-838 (1992).
  5. Lacombe, K., Rockstroh, J. HIV and viral hepatitis coinfections: advances and challenges. Gut. 61, 47-58 (2012).
  6. Brehm, M. A., Jouvet, N., Greiner, D. L., Shultz, L. D. Humanized mice for the study of infectious diseases. Current Opinion in Immunology. 25 (4), 428-435 (2013).
  7. Billerbeck, E., et al. Humanized mice efficiently engrafted with fetal hepatoblasts and syngeneic immune cells develop human monocytes and NK cells. The Journal of Hepatology. 65 (2), 334-343 (2016).
  8. Dagur, R. S., et al. Human hepatocyte depletion in the presence of HIV-1 infection in dual reconstituted humanized mice. Biology Open. 7 (2), (2018).
  9. Gaska, J. M., Ploss, A. Study of viral pathogenesis in humanized mice. Current Opinion in Virology. 11, 14-20 (2015).
  10. Gorantla, S., Poluektova, L., Gendelman, H. E. Rodent models for HIV-associated neurocognitive disorders. Trends in Neurosciences. 35 (3), 197-208 (2012).
  11. Xu, D., et al. Chimeric TK-NOG mice: a predictive model for cholestatic human liver toxicity. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 352 (2), 274-280 (2015).
  12. Washburn, M. L., et al. A humanized mouse model to study hepatitis C virus infection, immune response, and liver disease. Gastroenterology. 140 (4), 1334-1344 (2011).
  13. Gutti, T. L., et al. Human hepatocytes and hematolymphoid dual reconstitution in treosulfan-conditioned uPA-NOG mice. The American Journal of Pathology. 184 (1), 101-109 (2014).
  14. Strick-Marchand, H., et al. A novel mouse model for stable engraftment of a human immune system and human hepatocytes. PLoS One. 10 (3), 0119820 (2015).
  15. Keng, C. T., et al. Characterisation of liver pathogenesis, human immune responses and drug testing in a humanised mouse model of HCV infection. Gut. 65 (10), 1744-1753 (2016).
  16. Li, F., Nio, K., Yasui, F., Murphy, C. M., Su, L. Studying HBV Infection and Therapy in Immune-Deficient NOD-Rag1-/-IL2RgammaC-null (NRG) Fumarylacetoacetate Hydrolase (Fah) Knockout Mice Transplanted with Human Hepatocytes. Methods in Molecular Biology. 1540, 267-276 (2017).
  17. Poluektova, L. Y., Garcia, J. V., Koyanagi, Y., Manz, M. G., Tager, A. M. . Humanized Mice for HIV Research. , (2014).
  18. Cheng, L., Ma, J., Li, G., Su, L. Humanized Mice Engrafted With Human HSC Only or HSC and Thymus Support Comparable HIV-1 Replication, Immunopathology, and Responses to ART and Immune Therapy. Frontiers in Immunology. 9, 817 (2018).
  19. Zhang, L., Su, L. HIV-1 immunopathogenesis in humanized mouse models. Cellular & Molecular Immunology. 9 (3), 237-244 (2012).
  20. Nunoya, J., Washburn, M. L., Kovalev, G. I., Su, L. Regulatory T cells prevent liver fibrosis during HIV type 1 infection in a humanized mouse model. The Journal of Infectious Diseases. 209 (7), 1039-1044 (2014).
  21. Hasegawa, M., et al. The reconstituted ‘humanized liver’ in TK-NOG mice is mature and functional. Biochemical and Biophysical Research Communications. 405 (3), 405-410 (2011).
  22. Higuchi, Y., et al. The human hepatic cell line HepaRG as a possible cell source for the generation of humanized liver TK-NOG mice. Xenobiotica. 44 (2), 146-153 (2014).
  23. Kosaka, K., et al. A novel TK-NOG based humanized mouse model for the study of HBV and HCV infections. Biochemical and Biophysical Research Communications. 441 (1), 230-235 (2013).
  24. Crane, M., Iser, D., Lewin, S. R. Human immunodeficiency virus infection and the liver. World Journal of Hepatology. 4 (3), 91-98 (2012).
  25. Bility, M. T., Li, F., Cheng, L., Su, L. Liver immune-pathogenesis and therapy of human liver tropic virus infection in humanized mouse models. Journal of Gastroenterology and Hepatology. 28, 120-124 (2013).
  26. Kong, L., et al. Low-level HIV infection of hepatocytes. Virology Journal. 9, 1-7 (2012).
  27. Dash, P. K., et al. Long-acting nanoformulated antiretroviral therapy elicits potent antiretroviral and neuroprotective responses in HIV-1-infected humanized mice. AIDS. 26 (17), 2135-2144 (2012).
  28. Sun, S., Li, J. Humanized chimeric mouse models of hepatitis B virus infection. International Journal of Infectious Diseases. 59, 131-136 (2017).
  29. Shafritz, D. A., Oertel, M. Model systems and experimental conditions that lead to effective repopulation of the liver by transplanted cells. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 43 (2), 198-213 (2011).
  30. Almeida-Porada, G., Porada, C. D., Chamberlain, J., Torabi, A., Zanjani, E. D. Formation of human hepatocytes by human hematopoietic stem cells in sheep. Blood. 104 (8), 2582-2590 (2004).
  31. Streetz, K. L., et al. Hepatic parenchymal replacement in mice by transplanted allogeneic hepatocytes is facilitated by bone marrow transplantation and mediated by CD4 cells. Hepatology. 47 (2), 706-718 (2008).

Play Video

Cite This Article
Dagur, R. S., Wang, W., Makarov, E., Sun, Y., Poluektova, L. Y. Establishment of the Dual Humanized TK-NOG Mouse Model for HIV-associated Liver Pathogenesis. J. Vis. Exp. (151), e58645, doi:10.3791/58645 (2019).

View Video