Dette manuskript beskriver effektiv, ikke-viral administration af miR til endotelceller ved en PEI / MNP vektor og deres magnetisering. Således, ud over genetisk modifikation muliggør denne fremgangsmåde til magnetisk celle vejledning og MRI påviselighed. Teknikken kan anvendes til at forbedre egenskaberne af terapeutiske celleprodukter.
Til dato, de tilgængelige kirurgiske og farmakologiske behandlinger for hjerte-kar-sygdomme (CVD) er begrænset og ofte palliativ. Samtidig, gen- og celleterapi er yderst lovende alternative metoder for CVD behandling. Imidlertid er bred klinisk anvendelse af genterapi stærkt begrænset af manglen på egnede genafgivelsessystemer. Udvikling af passende genafgivelse vektorer kan give en løsning på de aktuelle udfordringer i celleterapi. Især eksisterende ulemper, såsom begrænset effektivitet og lave tilbageholdelse celle i den skadede organ, kunne overvindes ved passende manipulation (dvs. genetisk) før transplantation. Den præsenterede protokol beskriver effektiv og sikker forbigående modificering af endotelceller ved anvendelse af en polyethylenimin superparamagnetisk magnetisk nanopartikel (PEI / MNP) -baseret levering vektor. Desuden er algoritmen og fremgangsmåder til celle karakterisering defineret. Den vellykkede intracellular levering af microRNA (MIR) i humane navlestrengsveneendotelceller (HUVEC'er), er nået uden at påvirke cellernes levedygtighed, funktionalitet, eller intercellulær kommunikation. Desuden blev denne fremgangsmåde vist sig at forårsage en stærk funktionel effekt i indførte eksogene miR. Vigtigere, anvendelsen af denne MNP-baseret vektor sikrer celle magnetisering med ledsagende mulighederne for magnetisk målretning og ikke-invasiv MRI sporing. Dette kan tilvejebringe et grundlag for magnetisk styrede, gensplejsede celle terapeutiske midler, der kan overvåges non-invasivt med MRI.
Gen- og celleterapi er effektive værktøjer, der har potentiale til at løse de aktuelle udfordringer i CVD behandling. På trods af, at begge disse tilgange bliver i øjeblikket testet i kliniske forsøg, er de endnu ikke klar til bred klinisk anvendelse 1. Især en fælles tilgang til at tackle udfordringerne i gen- og celleterapi er at udvikle multifunktionelle gen indføringsvektorer egnede til klinisk anvendelse. Manglen af sikre og effektive genafgivelsessystemer er den største bekymring af genterapi. Samtidig, gensplejsning af cellulære produkter forud for transplantation kunne overvinde de alvorlige udfordringer celleterapi, såsom lav effektivitet (fx i hjerte- område er kun ~ 5% af funktionel forbedring opnået efter stamcelletransplantation 1 ) og dårlig retention / indpodning på stedet for skaden (dvs. celletilbageholdelse falder til under 5 – 10% inden for minutter til timer post-anvendelse, uanset indgivelsesvejen 2, 3, 4).
Til dato, virale vektorer langt større end ikke-virale systemer med hensyn til effektivitet, hvilket har resulteret i en bredere anvendelse i kliniske forsøg (~ 67%) 5. Imidlertid virale køretøjerne alvorlige risici, såsom immunogenicitet (og den efterfølgende inflammatoriske reaktion, med alvorlige komplikationer), onkogenicitet og begrænsninger i størrelsen af carried genetiske materiale 6. På grund af disse sikkerhedshensyn og de høje omkostninger ved viral vektor produktion, anvendelse af ikke-virale systemer foretrækkes i visse tilfælde 7, 8. Det er særligt egnet til sygdomme, der kræver transient genetisk korrektion, såsom ekspressionen af vækstfaktorer, der kontrollerer angiogenese (for eksempel til CVD behandling) eller levering perry af vacciner.
I vores gruppe, blev et system levering designet ved at kombinere forgrenet 25 kDa polyethylenimin (PEI) og superparamagnetiske jernoxidpartikler nanopartikler (MNP) bundet sammen af biotin-streptavidin interaktion 9. Denne vektor er et potentielt værktøj til gensplejsning af celler, hvilket muliggør deres samtidige magnetisering før transplantation. Sidstnævnte giver et grundlag for magnetisk vejledning / fastholdelse, som er særligt lovende dag, som avancerede magnetiske målretning teknikker bliver med succes udviklet 10. Endvidere er de resulterende magnetisk reagerende celler har potentialet til at være ikke-invasivt overvåget ved magnetisk resonans (MRI) eller magnetisk partikel billeddannelse 11, 12.
I tilfælde af PEI / MNP vektor, polyamin sikrer nukleinsyre kondensation og dermed beskyttelse mod nedbrydende faktor s, vektor internalisering i celler, og endosomal undslippe 5. Den MNP'er supplerer egenskaberne af PEI, ikke blot med hensyn til magnetisk vejledning, men også ved at reducere den kendte PEI toksicitet 7, 13, 14. Tidligere blev PEI / MNP vektor egenskaber tilpasset med hensyn til levering effektivitet (dvs. pDNA og miRNA) og sikkerhed ved anvendelse fibroblaster og humane mesenkymale stamceller 15, 16.
I dette manuskript, er en detaljeret protokol om anvendelse af PEI / MNP'er til generering af miRNA-modificerede celler beskrevet 17. Til dette formål er HUVEC'er anvendes og udgør en etableret model for in vitro angiogenese. De er udfordrende at transfektion og er modtagelige for giftige indflydelse 18, 19,ass = "xref"> 20. Derudover giver vi en algoritme til at vurdere sådanne celler in vitro, herunder deres målretning, intercellulær kommunikation, og MR afsløring.
Produktionen af genetisk manipulerede celler belastet med superparamagnetiske nanopartikler for deres videre magnetisk styret føring præsenteres i den nuværende protokol. Den vellykkede anvendelse af denne strategi muliggør løsning af visse problemer af celleterapi, såsom lav tilbageholdelse og dårlig indpodning i den skadede område 2, 3, 4, ved at tilvejebringe en målrettes celle produkt til transplantation. End…
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke G. Fulda (Electron Microscopy Centre, Rostock Universitet, Tyskland) for den tekniske support i at erhverve TEM billeder af filtrerede superparamagnetiske nanopartikler og ved udførelse af deres røntgenanalyse. Det arbejde, der udføres på RTC Rostock blev støttet af Forbundsministeriet for Uddannelse og Forskning Tyskland (FKZ 0312138A, FKZ 316.159 og VIP + 03VP00241) og staten Mecklenburg-Vorpommern med EU 's strukturfonde (ESF / IV-WM-B34- 0030/10 og ESF / IV-BM-B35-0010 / 12) og af DFG (DA 1296-1), Damp-instituttet, og den tyske Heart Foundation (F / 01/12). Frank Wiekhorst blev støttet af EU FP7 forskningsprogram "NANOMAG" FP7-NMP-2013-STOR-7.
PEI 25 kDa | Sigma Aldrich | 408727 | |
EZ-Link Sulfo-NHS-LC-Biotin | Thermo Scientific | 21335 | |
PD-10 Desalting Columns | GE Healthcare | 17085101 | Containing Sephadex G-25 Medium |
Ninhydrin Reagent solution 2% | Sigma Aldrich | 7285 | |
Glycine | Sigma Aldrich | 410225 | |
Pierce Biotin Quantitation Kit | Thermo Scientific | 28005 | |
Microplate reader Model 680 | Bio-Rad | ||
Streptavidin MagneSphere Paramagnetic Particles | Promega | Z5481 | |
Millex-HV PVDF Filter | Merck | SLHV013SL | 0.45µm |
Libra 120 transmission electron microscope | Zeiss | Acceleration Voltage 120KV | |
Sapphire X-ray detector | EDAX-Amatek | ||
Cell culture plastic | TPP | ||
NHS-Esther Atto 565 | ATTO-TEC GmbH | AD 565-31 | |
NHS-Esther Atto 488 | ATTO-TEC GmbH | AD 488-31 | |
Cy5 miRNA Label IT kit | Mirus Bio | MIR 9650 | |
Biotin Atto 565 | ATTO-TEC GmbH | AD 565-71 | |
Collagense Type IV Gibco | Thermo Scientific | 17104019 | |
Endothelial growth medium, EGM-2 | Lonza | CC-3156 & CC-4176 | |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Scientific | 15140122 | 100 U/ml, 100µg/ml |
Matrigel | BD Biosciences | 356234 | |
anti-PECAM-1 antibody | Santa Cruz | sc-1506 | |
MS MACS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
Near-IR Live/Dead Cell Stain Kit | Thermo Scientific | L10119 | |
Cy3 Dye-Labeled Pre-miR Negative Control | Thermo Scientific | AM17120 | "Cy3-miR" or "Cyanine-miR3" in the manuscript |
Pre-miR miRNA Precursor Molecules – Negative Control | Thermo Scientific | AM17110 | "scr-miR" in the manuscript |
Anti-hsa-miR92a-3p synthetic Inhibitor | Thermo Scientific | AM10916 | |
LSM 780 ELYRA PS.1 system | Zeiss | ||
Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | 158127 | 4% solution in PBS |
DAPI nuclear stain | Thermo Scientific | D1306 | |
NucleoSpin RNA isolation Kit | Machery-Nagel | 740955 | |
mirVana miRNA Isolation Kit | Thermo Scientific | AM1560 | |
TaqMan MicroRNA Reverse Transcription Kit | Thermo Scientific | 4366596 | |
StepOnePlus Real-Time PCR System | Applied Biosystems | ||
High-Capacity cDNA Reverse Transcription Kit | Thermo Scientific | 4368814 | |
hsa-miR-92a TaqMan assay | Thermo Scientific | 000431 | Mature miRNA Sequence: UAUUGCACUUGUCCCGGCCUGU |
FastGene Taq Ready Mix | Nippon Genetics | LS27 | |
ITGA5 TaqMan assay | Thermo Scientific | Hs01547673_m1 | |
RNU6B TaqMan assay | Thermo Scientific | 001093 | |
18S rRNA Endogenous Control | Thermo Scientific | 4333760F | |
Gelatin | Sigma Aldrich | G7041 | |
CellTrace Calcein Red-Orange | Thermo Scientific | C34851 | |
PBS | Pan Biotech | P04-53500 | |
BSA | Sigma Aldrich | ||
MACS buffer | Miltenyi Biotec | 130-091-221 | |
Agarose | Sigma Aldrich | A9539 | |
7.1 Tesla animal MRI system | Bruker Corporation | A7906 | |
ImageJ software | National Institutes of Health | upgraded with an AngiogenesisAnalyzer (NIH) | |
MPS device | Bruker Biospin | ||
Matlab software | Mathworks | ||
Ring Neodym Magnet | magnets4you GmbH | RM-10x04x05-G | ø 10 mm; remanescence is ~1.3T, coercivity ≥ 955 kA/m |
Click-iT EdU Alexa Fluor 647 Imaging Kit | Thermo Scientific | C10340 | |
FluorSave Reagent | Merck | 345789 | |
Ultrasonic bath | Bandelin electronic | Type: RK 100 SH |