Summary

Levering af eksogen kunstigt syntetiseret miRNA-efterligning til nyrerne ved hjælp af polyethylenaminnanopartikler i flere nyresygdomsmusemodeller

Published: May 10, 2022
doi:

Summary

Her leverer vi eksogene kunstigt syntetiserede miRNA-efterligninger til nyrerne via haleveneinjektion af en ikke-viral vektor og polyethylenaminnanopartikler i flere nyresygdomsmusemodeller. Dette førte til signifikant overekspression af mål-miRNA i nyrerne, hvilket resulterede i hæmmet progression af nyresygdom i flere musemodeller.

Abstract

microRNA’er (miRNA’er), små ikke-kodende RNA’er (21-25 baser), der ikke oversættes til proteiner, hæmmer masser af target messenger RNA’er (mRNA’er) ved at destabilisere og hæmme deres oversættelse i forskellige nyresygdomme. Derfor er veksling af miRNA-ekspression ved eksogene kunstigt syntetiserede miRNA-efterligninger en potentielt nyttig behandlingsmulighed til at hæmme udviklingen af mange nyresygdomme. Men fordi serum-RNAase straks nedbryder systematisk administrerede eksogene miRNA-efterligninger in vivo, er levering af miRNA til nyrerne fortsat en udfordring. Derfor er vektorer, der kan beskytte eksogene miRNA-efterligninger mod nedbrydning af RNAase og levere dem signifikant til nyrerne, nødvendige. Mange undersøgelser har brugt virale vektorer til at levere eksogene miRNA-efterligninger eller hæmmere til nyrerne. Imidlertid kan virale vektorer forårsage interferonrespons og / eller genetisk ustabilitet. Derfor er udviklingen af virale vektorer også en hindring for den kliniske anvendelse af eksogene miRNA-efterligninger eller hæmmere. For at overvinde disse bekymringer vedrørende virale vektorer udviklede vi en ikke-viral vektormetode til at levere miRNA-efterligninger til nyrerne ved hjælp af haleveneinjektion af polyethylenaminnanopartikler (PEI-NP’er), hvilket førte til signifikant overekspression af mål-miRNA’er i flere musemodeller af nyresygdom.

Introduction

miRNA’er, små ikke-kodende RNA’er (21-25 baser), der ikke oversættes til proteiner, hæmmer masser af målbudbringer-RNA’er (mRNA’er) ved at destabilisere dem og hæmme deres oversættelse i forskellige nyresygdomme 1,2. Derfor er genterapi ved hjælp af eksogene kunstigt syntetiserede miRNA-efterligninger eller -hæmmere en potentiel ny mulighed for at hæmme udviklingen af mange nyresygdomme 3,4,5.

På trods af løftet om miRNA-efterligninger eller hæmmere til genterapi er levering til målorganer fortsat en stor hindring for in vivo-eksperimenter for at udvikle deres kliniske potentiale. Fordi kunstigt syntetiserede miRNA-efterligninger eller -hæmmere udsættes for øjeblikkelig nedbrydning af serum-RNase, forkortes deres halveringstid ved systemisk administration in vivo6. Derudover er effektiviteten af miRNA-efterligninger eller hæmmere til at krydse plasmamembranen og transfektcytoplasma generelt meget lavere uden passende vektorer 7,8. Disse beviser tyder på, at udviklingen af miRNA-efterligninger eller inhibitorer leveringssystem til nyrerne er påkrævet for at muliggøre deres anvendelse i kliniske omgivelser og gøre dem til en ny behandlingsmulighed for patienter med forskellige nyresygdomme.

Virale vektorer er blevet brugt som bærere til at levere eksogene miRNA-efterligninger eller hæmmere til nyrerne 9,10. Selvom de er udviklet til biosikkerhed og transfektionseffektivitet, kan virale vektorer stadig forårsage interferonrespons og / eller genetisk ustabilitet11,12. For at overvinde disse bekymringer udviklede vi et miRNA-efterligningsleveringssystem til nyrerne ved hjælp af polyethylenaminnanopartikler (PEI-NP’er), en ikke-viral vektor, i flere musemodeller af nyresygdom13,14,15.

PEI-NP’er er lineære polymerbaserede NP’er, der effektivt kan levere oligonukleotider, herunder miRNA-efterligninger, til nyrerne og anses for at foretrække til fremstilling af ikke-virale vektorer på grund af deres langsigtede sikkerhed og biokompatibilitet13,16,17.

Denne undersøgelse demonstrerer virkningerne af systematisk eksogen miRNA-efterligning med PEI-NP’er via haleveneinjektion i nyrefibrosemodelmus produceret ved ensidig ureterobstruktion (UUO). Derudover demonstrerer vi virkningerne af systematisk eksogen miRNA-efterligning med PEI-NP’er via haleveneinjektion i diabetiske nyresygdomsmodelmus (db / db-mus: C57BLKS / J Iar – + Lepr db / + Leprdb) og akut nyreskade modelmus produceret af renal iskæmi-reperfusionsskade (IRI).

Protocol

Alle dyreforsøgsprotokoller blev godkendt af den dyreetiske komité ved Jichi Medical University og udført i overensstemmelse med retningslinjerne for brug og pleje af forsøgsdyr fra Jichi Medical University Guide for Laboratory Animals. Her demonstrerede vi miRNA-efterligning til nyrerne, hvilket resulterede i dets overekspression ved hjælp af UUO-mus. Denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité ved Jichi Medical University [godkendelse nr. 19-12 for nyrefibrose, 17-024 for akut nyreinfektion (AKI) og 19…

Representative Results

Mål-miRNA’erne for nyrefibrose, diabetisk nefropati og AKI beskrevet nedenfor blev valgt baseret på mikroarray, qRT-PCR og / eller databaseforskning til genterapiapplikationer. For yderligere oplysninger henvises til de tidligere publikationer13,14,15. Levering og virkninger af miRNA-146a-5p-efterligning ved hjælp af PEI-NP’er i nyrefibrosemus13</str…

Discussion

Ved hjælp af protokollen præsenteret i dette manuskript kan PEI-NP’er levere miRNA-efterligninger til nyrerne for at inducere overekspression af mål-miRNA’er, hvilket resulterer i behandlingseffekter i in vivo-musemodeller af flere nyresygdomme, herunder nyrefibrose, diabetisk nyresygdom og AKI.

Metoden til at forberede komplekset af PEI-NP’er og miRNA-efterligning er meget enkel. Den positivt ladede overflade af PEI-NP’er fanger miRNA-efterligningen, når de bare blandes 13,14,15,…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev delvist støttet af JSPS KAKENHI (tilskud nr. 21K08233). Vi takker Edanz (https://jp.edanz.com/ac) for at redigere udkast til dette manuskript.

Materials

4’,6-diamidino-2-phenylindole for staining to nucleus Thermo Fisher Scientific D-1306
Buffer RPE Qiagen 79216 Wash buffer 2
Buffer RWT Qiagen 1067933 Wash buffer 1
Control-miRNA-mimic (artificially synthesized miRNA) Thermo Fisher Scientific Not assigned 5’-UUCUCCGAACGUGUCACGUTT- 3’ (sense)
5’-ACGUGACACGUUCGGAGAATT-3′ (antisense)
Cy3-labeled double-strand oligonucleotides Takara Bio Inc. MIR7900
Fluorescein-labeled Lotus tetragonolobus lectin Vector Laboratories Inc FL-1321
In vivo-jetPEI Polyplus 101000021
MicroAmp Optical 96-well reaction plate for qRT-PCR Thermo Fisher Scientific 4316813 96-well reaction plate
MicroAmp Optical Adhesive Film Thermo Fisher Scientific 4311971 Adhesive film for 96-well reaction plate
miRNA-146a-5p mimic (artificially synthesized miRNA) Thermo Fisher Scientific Not assigned 5’-UGAGAACUGAAUUCCAUGGGU
UT-3′ (sense) 5’-CCCAUGGAAUUCAGUUCUCAUU -3′ (antisense)
miRNA-146a-5p primer Qiagen MS00001638 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
miRNA-181b-5p mimic (artificially synthesized miRNA) Gene design Not assigned 5’-AACAUUCAUUGCUGUCGGUGG
GUU-3’
miRNA-181b-5p primer Qiagen MS00006083 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
miRNA-5100-mimic (artificially synthesized miRNA) Gene design Not assigned 5’-UCGAAUCCCAGCGGUGCCUCU -3′
miRNA-5100-primer Qiagen MS00042952 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
miRNeasy Mini kit Qiagen 217004 Membrane anchored spin column in a 2.0-mL collection tube
miScript II RT kit Qiagen 218161 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
miScript SYBR Green PCR kit Qiagen 218073 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
QIA shredder Qiagen 79654 Biopolymer spin columns in a 2.0-mL collection tube
QIAzol Lysis Reagent Qiagen 79306 Phenol/guanidine-based lysis reagent
QuantStudio 12K Flex Flex Real-Time PCR system Thermo Fisher Scientific 4472380 Real-time PCR instrument
QuantStudio 12K Flex Software version 1.2.1. Thermo Fisher Scientific 4472380 Real-time PCR instrument software
RNase-free water Qiagen 129112
RNU6-2 primer Qiagen MS00033740 Not available because Qiagen has changed qRT-PCR kits (from miScript miRNA PCR system to miRCURY LNA miRNA PCR System from May 2021)
Tissue-Tek OCT (Optimal Cutting Temperature Compound) Sakura Finetek Japan Co.,Ltd. Not assigned

References

  1. Mohr, A. M., Mott, J. L. Overview of microRNA biology. Seminars in Liver Disease. 35 (1), 3-11 (2015).
  2. Bushati, N., Cohen, S. M. microRNA functions. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 23, 175-205 (2007).
  3. Simpson, K., Wonnacott, A., Fraser, D. J., Bowen, T. microRNAs in diabetic nephropathy: From biomarkers to therapy. Current Diabetes Reports. 16 (3), 35 (2016).
  4. Yheskel, M., Patel, V. Therapeutic microRNAs in polycystic kidney disease. Current Opinion in Nephrology and Hypertension. 26 (4), 282-289 (2017).
  5. Lv, W., et al. Therapeutic potential of microRNAs for the treatment of renal fibrosis and CKD. Physiological Genomics. 50 (1), 20-34 (2018).
  6. Dykxhoorn, D. M., Lieberman, J. The silent revolution: RNA interference as basic biology, research tool, and therapeutic. Annual Review of Medicine. 56, 401-423 (2005).
  7. Dykxhoorn, D. M., Palliser, D., Lieberman, J. The silent treatment: siRNAs as small molecule drugs. Gene Therapy. 13 (6), 541-552 (2006).
  8. Stewart, S. A., et al. Lentivirus-delivered stable gene silencing by RNAi in primary cells. RNA. 9 (4), 493-501 (2003).
  9. Deng, M., et al. Klotho gene delivery ameliorates renal hypertrophy and fibrosis in streptozotocin-induced diabetic rats by suppressing the Rho-associated coiled-coil kinase signaling pathway. Molecular Medicine Reports. 12 (1), 45-54 (2015).
  10. Zhou, Y., et al. Suppressor of cytokine signaling (SOCS) 2 attenuates renal lesions in rats with diabetic nephropathy. Acta Histochemica. 116 (5), 981-988 (2014).
  11. Tenenbaum, L., Lehtonen, E., Monahan, P. E. Evaluation of risks related to the use of adeno-associated virus-based vectors. Current Gene Therapy. 3 (6), 545-565 (2003).
  12. Lukashev, A. N., Zamyatnin, A. A. Viral vectors for gene therapy: Current state and clinical perspectives. Biochemistry. Biokhimiia. 81 (7), 700-708 (2016).
  13. Morishita, Y., et al. Delivery of microRNA-146a with polyethylenimine nanoparticles inhibits renal fibrosis in vivo. International Journal of Nanomedicine. 10, 3475-3488 (2015).
  14. Ishii, H., et al. MicroRNA expression profiling in diabetic kidney disease. Translational Research: The Journal of Laboratory and Clinical. 237, 31-52 (2021).
  15. Aomatsu, A., et al. MicroRNA expression profiling in acute kidney injury. Translational Research: The Journal of Laboratory and Clinical. (21), 00283-00288 (2021).
  16. Lungwitz, U., Breunig, M., Blunk, T., Gopferich, A. Polyethylenimine-based non-viral gene delivery systems. European Journal of Pharmceutics and Biopharmaceutics. 60 (2), 247-266 (2005).
  17. Swami, A., et al. A unique and highly efficient nonviral DNA/siRNA delivery system based on PEI-bisepoxide nanoparticles. Biochemical and Biophysical Research Communications. 362 (4), 835-841 (2007).
  18. Kaneko, S., et al. Detection of microRNA expression in the kidneys of immunoglobulin a nephropathic mice. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (161), e61535 (2020).
  19. Yanai, K., et al. Quantitative real-time PCR evaluation of microRNA expressions in mouse kidney with unilateral ureteral obstruction. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (162), e61383 (2020).
  20. Aomatsu, A., et al. A quantitative detection method for microRNAs in the kidney of an ischemic kidney injury mouse model. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (163), e61378 (2020).
  21. Kushibiki, T., Nagata-Nakajima, N., Sugai, M., Shimizu, A., Tabata, Y. Enhanced anti-fibrotic activity of plasmid DNA expressing small interference RNA for TGF-beta type II receptor for a mouse model of obstructive nephropathy by cationized gelatin prepared from different amine compounds. Journal of Controlled Release: Official Journal of the Controlled Release Society. 110 (3), 610-617 (2006).
  22. Xia, Z., et al. Suppression of renal tubulointerstitial fibrosis by small interfering RNA targeting heat shock protein 47. American Journal of Nephrology. 28 (1), 34-46 (2008).
  23. Tanaka, T., et al. In vivo gene transfer of hepatocyte growth factor to skeletal muscle prevents changes in rat kidneys after 5/6 nephrectomy. American Journal of Transplantation: Official Journal of the American Society of Transplantation and the American Society of Transplant Surgeons. 2 (9), 828-836 (2002).
  24. Hamar, P., et al. Small interfering RNA targeting Fas protects mice against renal ischemia-reperfusion injury. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (41), 14883-14888 (2004).
  25. Ma, D., et al. Xenon preconditioning protects against renal ischemic-reperfusion injury via HIF-1alpha activation. Journal of the American Society of Nephrology: JASN. 20 (4), 713-720 (2009).
  26. Wei, S., et al. Short hairpin RNA knockdown of connective tissue growth factor by ultrasound-targeted microbubble destruction improves renal fibrosis. Ultrasound in Medicine and Biology. 42 (12), 2926-2937 (2016).

Play Video

Cite This Article
Yanai, K., Kaneko, S., Ishii, H., Aomatsu, A., Morishita, Y. Delivery of Exogenous Artificially Synthesized miRNA Mimic to the Kidney Using Polyethylenimine Nanoparticles in Several Kidney Disease Mouse Models. J. Vis. Exp. (183), e63302, doi:10.3791/63302 (2022).

View Video