Liberação Sub-Retiniana de Progenitores de Fotorreceptores Derivados de Células-Tronco Embrionárias Humanas em Camundongos rd10

Summary

Descrevemos um protocolo detalhado para a preparação de células progenitoras fotorreceptoras derivadas de hESC pós-criopreservadas e a liberação sub-retiniana dessas células em camundongos rd10 .

Abstract

A regeneração de células fotorreceptoras utilizando células-tronco pluripotentes humanas é uma terapia promissora para o tratamento de doenças retinianas hereditárias e envelhecidas em estágios avançados. Mostramos que a matriz isoforme de laminina recombinante específica da retina humana é capaz de apoiar a diferenciação de células-tronco embrionárias humanas (hESCs) em progenitores fotorreceptores. Além disso, a injeção sub-retiniana dessas células também mostrou restauração parcial nos modelos rd10 de roedores e coelhos. A injeção sub-retiniana é conhecida por ser um método estabelecido que tem sido usado para entregar compostos farmacêuticos às células fotorreceptoras e à camada epitelial pigmentada da retina (EPR) do olho devido à sua proximidade com o espaço alvo. Ele também tem sido usado para entregar vetores virais adenoassociados no espaço sub-retiniano para tratar doenças da retina. A entrega sub-retiniana de compostos farmacêuticos e células no modelo murino é desafiadora devido à restrição no tamanho do globo ocular murino. Este protocolo descreve o procedimento detalhado para a preparação de células progenitoras fotorreceptoras derivadas de hESC para injeção e a técnica de liberação sub-retiniana dessas células em camundongos mutantes genéticos da retinose pigmentosa, rd10. Esta abordagem permite a terapia celular para a área alvo, em particular a camada nuclear externa da retina, onde ocorrem doenças que levam à degeneração dos fotorreceptores.

Introduction

Doenças hereditárias da retina e degeneração macular relacionada à idade levam à perda de células fotorreceptoras e eventual cegueira. O fotorreceptor retiniano é a camada do segmento externo da retina composta por células especializadas responsáveis pela fototransdução (isto é, conversão de luz em sinais neuronais). As células fotorreceptoras do bastonete e do cone estão adjacentes à camada pigmentada da retina (EPR)¹. A terapia de reposição de células fotorreceptoras para compensar a perda celular tem sido uma abordagem terapêutica emergente e em desenvolvimento. Células-tronco embrionárias (CTEs)^2,3,4, células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) derivadas de EPRs e células progenitoras da retina (RPCs)^4,5,6,7,8 foram usadas para restaurar as células fotorreceptoras danificadas. O espaço sub-retiniano, um espaço confinado entre a retina e o EPR, é um local atraente para depositar essas células para substituir as células fotorreceptoras danificadas, o EPR e as células de Mueller devido à sua vizinhança9,10,11.

Terapias gênicas e celulares têm utilizado o espaço sub-retiniano para medicina regenerativa para várias doenças retinianas em estudos pré-clínicos. Isso inclui a entrega de cópias funcionais do gene ou ferramentas de edição gênica na forma de terapia anti-senso com oligonucleotídeos^12,13 ou CRISPR/Cas9 ou edição de base via estratégia baseada em vírus adenoassociado (AAV) 14,15,16, implantação de materiais (por exemplo, folha de EPR, próteses retinianas 17,18,19) e organoides retinianos derivados de células-tronco diferenciadas ^20,21,22 para tratar doenças retinianas e relacionadas à EPR. Ensaios clínicos utilizando hESC-RPE³¹ no espaço sub-retiniano para tratar amaurose congênita de Leber (LCA) associada ao ^EPR6523,24, acromatopsia ligada ao CNGA3²⁵, retinite pigmentosa associada a MERTK²⁶, coroideremia 27,28,29,30 provaram ser uma abordagem eficaz. A injeção direta de células nas proximidades da área danificada melhora muito a chance de assentamento celular na região apropriada, integração sináptica e eventual melhora visual.

Embora a injeção sub-retiniana em modelos humanos e de olhos grandes (i.e., porco 32,33,34,35, coelho 36,37,38,39,40 e primata não humano 41,42,43) tenha sido estabelecida, tal injeção no modelo murino ainda é desafiadora devido à restrição do tamanho do globo ocular e enorme lente ocupando o olho do rato 44,45,46. No entanto, modelos geneticamente modificados só estão prontamente disponíveis em pequenos animais e não em animais de grande porte (ou seja, coelhos e primatas não humanos), portanto, a injeção sub-retiniana em camundongos chama a atenção para investigar novas abordagens terapêuticas em doenças genéticas da retina. Três abordagens principais estão sendo usadas para entregar células ou AAVs no espaço sub-retiniano: a via transcorneana, a via transescleral e a via pars plana (ver Figura 2). As vias transcórnea e transescleral estão associadas à formação de catarata, sinéquias, sangramento de coroide e refluxo do local da injeção 11,44,45,47,48,49. Adotamos a abordagem pars plana como visualização direta do processo de injeção, e o local de injeção pode ser obtido em tempo real ao microscópio.

Recentemente, descrevemos um método que pode diferenciar células-tronco embrionárias humanas (hESCs) em progenitores fotorreceptores sob condições xenofree, quimicamente definidas, usando a isoforma LN523 recombinante de laminina específica da retina humana. Uma vez que o LN523 estava presente na retina, hipotetizamos que o nicho da matriz extracelular da retina humana poderia ser recapitulado in vitro e, assim, apoiar a diferenciação dos fotorreceptores das hESCs³⁶. A análise transcriptômica de célula única mostrou que progenitores fotorreceptores co-expressando homeobox e recuperatina cone-rod foram gerados após 32 dias. Um modelo mutante de camundongo com degeneração retiniana 10 (rd10) que imita retinose pigmentar humana autossômica foi usado para avaliar a eficácia dos progenitores de fotorreceptores derivados do hESC do dia 32 in-vivo. As células progenitoras do fotorreceptor derivadas do hESC foram injetadas no espaço sub-retiniano de camundongos rd10 em P20, onde a disfunção e a degeneração dos fotoceptores estão em curso³⁶. Aqui, descrevemos um protocolo detalhado para a preparação dos progenitores fotorreceptores derivados de hESC pós-criopreservados e liberação no espaço sub-retiniano de camundongos rd10 . Este método também pode ser usado para administrar AAVs, suspensões celulares, peptídeos ou produtos químicos no espaço sub-retiniano em camundongos.

Protocol

Os experimentos in vivo foram realizados de acordo com as diretrizes e protocolos aprovados pelo Institutional Animal Care and Use Committee of SingHealth (IACUC) e pela Association for Research in Vision and Ophthalmology (ARVO) Statement para o uso de animais em Pesquisa Oftalmológica e da Visão. Os filhotes foram imunossuprimidos de P17 (pré-transplante) a P30 (pós-transplante) alimentando-os com água potável contendo ciclosporina (260 g/L). 1. Preparação de progenito…

Representative Results

A seringa de vidro de 10 μL foi montada de acordo com as instruções do fabricante (Figura 1), e a agulha romba usada para entregar a suspensão/meio celular é mostrada na Figura 1B. Diferentes abordagens para injeção sub-retiniana são ilustradas na Figura 2. Descrevemos a abordagem pars plana neste protocolo (Figura 2C). A agulha romba montada em uma seringa de vidro foi inserida através de uma …

Discussion

A injeção sub-retiniana tem sido utilizada para transplante de suspensão celular para tratamento de EPR e doenças retinianas23,25,26,27,28,31,40. Esta abordagem é altamente essencial em estudos com roedores, não apenas para abordagens de transplante celular e terapia gênica, mas tamb?…

Materials

0.3% Tobramycin	Novartis	NDC  0078-0813-01	Tobrex (3.5 g)
0.3% Tobramycin and 0.1% Dexamethasone	Novartis	NDC 0078-0876-01	Tobradex (3.5 g)
0.5% Proparacaine hydrochloride	Alcon	NDC 0998-0016-15	0.5% Alcaine (15 mL)
1 mL Tuberculin syringe	Turemo	SS01T2713
1% Tropicamide	Alcon	NDC 0998-0355-15	1% Mydriacyl (15 mL)
2.5% Phenylephrine hydrochloride	Alcon	NDC 0998-0342-05	2.5% Mydfrin (5 mL)
24-well tissue culture plate	Costar	3526
30 G Disposable needle	Becton Dickinson (BD)	305128
33 G, 20 mm length blunt needles	Hamilton	7803-05
Automated Cell Counter	NanoEnTek	Model: Eve
B27 without Vitamin A	Life Technologies	12587001	2%36
Buprenorphine	Ceva		Vetergesic vet (0.3 mg/mL)
CKI-7	Sigma	C0742	5 µM36
Cyclosporine	Novartis		260 g/L in drinking water
Day 32 hESC-derived photoreceptor progenitor cells	DUKE-NUS Medical School		Human embryonic stem cells are differentiated for 32 days. See protocol in Ref 36.
Gauze	Winner Industries Co. Ltd.	1SNW475-4
Glasgow Minimum Essential Medium	Gibco	11710–035
hESC cell line H1	WiCell Research Institute	WA01
Human brain-derived neurotrophic factor (BDNF)	Peprotech	450-02-50	10 ng/mL36
Human ciliary neurotrophic factor (CNTF)	Prospec-Tany Technogene	CYT-272	10 ng/mL36
Ketamine hydrochloride (100 mg/mL)	Ceva Santé Animale	KETALAB03
LN-521	Biolamina	LN521-02	1 µg36
mFreSR	STEMCELL Technologies	5854
Microlitre glass syringe (10 mL)	Hamilton	7653-01
N-[N-(3,5-difluorophenacetyl-L-alanyl)]-S-phenylglycine t-butyl ester (DAPT)	Selleckchem	S2215	10 µM36
N-2 supplement	Life Technologies	A13707-01	1%36
Non-essential amino acids (NEAA)	Gibco	11140–050	1x36
NutriStem XF Media	Satorius	05-100-1A
Operating microscope	Zeiss	OPMI LUMERA 700	With Built-in iOCT function
PRDM (Photoreceptor differentiation medium, 50ml)	DUKE-NUS Medical School		See media composition36. Basal Medium, 10 µM DAPT, 10 ng/mL BDNF, 10 ng/mL CNTF, 0.5 µM Retinoic acid, 2% B27 and 1% N2. Basal Medium: 1x GMEM, 1 mM sodium pyruvate, 0.1 mM B-mercaptoethanol, 1x Non-essential amino acids (NEAA).
Pyruvate	Gibco	11360–070	1 mM36
Rd10 mice	Jackson Laboratory	B6.CXB1-Pde6brd10/J mice	Gender: male/female, Age: P20 (injection), Weight: 3-6 g
Retinoic acid	Tocris Bioscience	0695/50	0.5 µM36
Round Cover Slip (12 mm)	Fisher Scientific	12-545-80
SB431542	Sigma	S4317	0.5 µM36
Vidisic Gel (10 g)	Dr. Gerhard Mann
Xylazine hydrochloride (20 mg/mL)	Troy Laboratories	LI0605
β-mercaptoethanol	Life Technologies	21985–023	0.1 mM36