Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht Forschern speziell Adenovirus Capsids an ausgewählten Standorten durch einfache Chemie ändern. Geschirmte Adenovirus Vektoren Partikel Targeting-gen Übertragung Vektoren erzeugt werden können und Vektor-Wirt-Interaktionen untersucht werden können.
Adenovirus-Vektoren sind mächtige Werkzeuge für genetische Impfung und onkolytische Virotherapie. Jedoch sind sie anfällig für mehrere unerwünschte Vektor-Wirt Interaktionen, vor allem nach Lieferung in Vivo . Es ist ein Konsens, dass die Beschränkungen durch unerwünschte Vektor-Wirt Interaktionen können nur überwunden werden, wenn definierte Modifikationen der Vektor Oberfläche durchgeführt werden. Diese Änderungen umfassen Abschirmung der Teilchen aus unerwünschten Wechselwirkungen und gezielt durch die Einführung des neuen Liganden. Das Ziel des hier vorgestellten Protokolls soll den Leser zu generieren abgeschirmt und, falls gewünscht, umleiten, menschliche Adenovirus gen Übertragung Vektoren oder onkolytische Viren. Das Protokoll ermöglicht es Forschern, die Oberfläche des Adenovirus-Vektor-Capsids von bestimmten chemischen Anlage von synthetischen Polymeren, Kohlenhydrate, Lipide oder anderen biologischen oder chemischen Moieties zu ändern. Es beschreibt die Spitzentechnologie der kombinierten genetischen und chemischen Kapsid Modifikationen, die gezeigt worden, um das Verständnis und die Überwindung der Barrieren für in Vivo Lieferung von Adenovirus Vektoren zu erleichtern. Eine ausführliche und kommentierte die entscheidenden Schritte für die Durchführung von bestimmter chemischer Reaktionen mit biologisch aktiven Viren oder Virus-abgeleitete Vektoren ist beschrieben. Im Protokoll beschriebene Technik basiert auf der genetischen Einführung (natürlich abwesend) Cystein Rückstände in Lösungsmittel ausgesetzt Schleifen von Adenovirus-abgeleitete Vektoren. Diese Cystein-Reste bieten eine spezifische chemische Reaktivität, die nach der Produktion der Vektoren, hohe Titer für sehr gezielt und effizient kovalente chemische Kopplung der Moleküle aus den unterschiedlichsten Substanzklassen zum Vektor ausgenutzt werden kann, Partikel. Wichtig ist, kann dieses Protokoll leicht angepasst werden, um eine Vielzahl von verschiedenen (nicht-Thiol-basierten) chemische Modifikationen des Adenovirus-Vektor-Capsids durchzuführen. Schließlich ist es wahrscheinlich, dass unbehüllte Viren Gene Transfer Vektoren anders als Adenovirus auf der Basis dieses Protokolls geändert werden kann.
Adenoviren (Ad), Mitglieder der Familie Adenoviridae, sind unbehüllte DNA-Viren, von denen mehr als 70 Arten bisher identifizierten (http://hadvwg.gmu.edu) gewesen sein. Je nach Hemaglutination Eigenschaften, Genom-Struktur und Sequenzierung Ergebnisse können sieben Arten (menschliche Adenoviren A bis G)1,270 n. Chr. Typen unterteilt werden. Das menschliche Genom Ad 38 kb groß ist und von einem ikosaedrischen Nukleokapsid3eingekapselt. Aufgrund ihrer Fülle sind das Kapsid Protein Hexon, Penton Basis und Faser alle großen Kapsid-Proteine genannt. Die häufigste und größte Kapsid Protein Hexon bildet 20 Kapsid Facetten, jeweils bestehend aus 12 Hexon Homotrimers4,5. Penton, befindet sich auf jeder ikosaedrischen Kante (Scheitelpunkt), besteht aus Pentamers aus einer Penton-Basis und stellt die Basis für den Scheitelpunkt Spike, der glykosylierten Faser Trimere5,6integriert ist. Die native Ad Zelleintrag besteht im Grunde aus zwei wesentliche Schritte. Erstens bindet der Faser-Regler an den primären Rezeptor. Dies ist in Anzeigentypen von Sorte A, C, E und F Coxsackie und Adenovirus-Rezeptor (Auto). Diese Interaktion bringt das Virion in räumlicher Nähe der Zelloberfläche, wodurch es Wechselwirkungen zwischen zellulären Integrine und RGD-Motiv in der Penton Basis und folglich induzieren zelluläre Reaktionen. Zweitens führen Änderungen in das Zellskelett, Internalisierung der Virion und des Verkehrs auf das Endosom-7. Bei teilweiser Demontage in das Endosom, das Virion freigegeben Und reist nach Zytoplasma letztlich auf den Kern für die Replikation.
Während Ad lokal zugestellt werden kann (zB., für genetische Impfung), systemische Lieferung durch den Blutstrom nach Bedarf für Onko-Virotherapie steht vor mehreren Hindernissen. Während in der Blutbahn zirkulierenden begegnen injizierte Virionen die Abwehrkräfte des Immunsystems des Wirts, führt zur schnellen Neutralisation der Virus-basierte Vektoren und rendering-Ad-basierte Vektoren in systemische Anwendungen äußerst ineffizient. Darüber hinaus die natürliche Hepatotropism des Ad stört systemische Lieferung und Ad in seine neue Zielzellen umleiten gelöst werden.
Keimbahn-codierte natürliche IgM-Antikörper des angeborenen Immunsystems schnell erkennen und binden stark repetitive Strukturen auf der Oberfläche des Virion8,9. Diese Immunkomplexe aktivieren dann die klassische und nicht-klassische Wege des Komplementsystems, führt zur schnellen Ergänzung-vermittelten Neutralisation eines großen Teils der Virionen8. Ein zweiten Weg, was große Entfernung von Ad Virionen ist durch Makrophagen10 vermittelt und akute toxische und hämodynamische Nebenwirkungen11,12zugeordnet. Im Falle von Ad insbesondere Beseitigung Kupffer Zellen mit Wohnsitz in der Leber binden und phagocytically nehmen die Ad Virionen über spezifische Scavenger-Rezeptoren, damit deren aus dem Blut13,14,15 . Spezifische Scavenger-Rezeptoren auch auf Leber sinusförmigen endothelial Zellen (LSE)16identifiziert worden, und LSE Zellen scheinen auch beitragen, Vektor Beseitigung17, sondern inwieweit noch der Klärung bedarf. Darüber hinaus sind einige Ad-Arten und ihre abgeleiteten Vektoren effizient durch menschliche Erythrozyten18 abgesondert, die sie per Auto oder Komplement-Rezeptor CR119binden. Der Hinweis Diese Kompensierung Mechanismus kann nicht in das Maus-Modell-System im Gegensatz zu menschlichen Erythrozyten untersucht, Maus Erythrozyten nicht ausdrücklich Auto.
Spezifische Anti-Ad-Antikörper erzeugt durch das adaptive Immunsystem nach Exposition gegenüber Ad entweder aufgrund von früheren Infektionen mit Ad oder nach der ersten Lieferung in systemische Anwendungen erhöhen eine weitere Barriere für effektive Verwendung von Ad-Vektoren, und sie sollten umgangen werden, in effiziente systemische Lieferung.
Schließlich behindert die starke Hepatotropism einiger Ad Arten (einschließlich Ad5) stark Anwendung von Ad in der systemischen Therapie. Dieses Ergebnis in Hepatozyten Transduktion Tropismus ist aufgrund der hohen Affinität des Ad Virion an Blutgerinnungsfaktor X (FX), vermittelt durch das Zusammenspiel von FX mit dem Ad Hexon Protein20,21,22. FX überbrückt das Virion zu Heparin Sulfat Glykoproteinen (HSPGs) auf der Oberfläche von Hepatozyten20,23,24,25. Ein entscheidender Faktor für diese Interaktion scheint den spezifischen Umfang von N und O-Sulfatierung von HSPGs in Leberzellen24, die unterscheidet sich von HSPGs auf andere Zelltypen. Neben dieser FX-vermittelten Weg deuten den letzten Studien weitere Wege noch nicht dazu führen, dass Ad Transduktion von Hepatozyten26,27,28identifiziert.
Vor kurzem hat sich gezeigt, dass FX sich nicht nur in Hepatozyten Transduktion von Ad engagiert, aber auch durch die Bindung, das Virion die Viruspartikel gegen Neutralisation schirmt von Ergänzung System26. Reduzierung der Hepatozyten Transduktion durch die Verhinderung FX Bindung, würde daher die unerwünschte Nebenwirkung der zunehmenden Ad Neutralisation über das angeborene Immunsystem erstellen.
Ein profundes Wissen um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Vektoren und Wirtsorganismen ist daher notwendig, eine effizientere Vektoren für systemische Anwendungen zu entwickeln, die die Hindernisse auferlegt durch den Wirtsorganismus zu umgehen.
Eine Strategie, die ursprünglich für therapeutische Proteine verwendet wurde wurde angepasst für Ad-Vektoren, zumindest teilweise die oben beschriebenen Barrieren zu überwinden. Antigenität und Immunogenität der therapeutischen Eiweißverbindungen konnte durch Kopplung an Polyethylenglykol (PEG)29,30reduziert werden. Daher die kovalente Kopplung von Polymeren wie PEG oder Poly [N-(2-Hydroxypropyl) Methacrylamid] (pHPMA), das Kapsid Oberfläche schützt den Vektor von unerwünschten Vektor-Wirt Interaktionen. Allgemein, Zielgruppen Polymer Kupplung ε-Amin aus Lysin Seite Rückstände, die nach dem Zufallsprinzip auf der Kapsid Oberfläche verteilt sind. Vektor-Partikel in Lösung sind, aufgrund der hydrophilen Natur der beigefügten Polymere, eine stabile Wasserhülle umgeben, die reduziert das Risiko von Immunzellen Anerkennung oder enzymatischen Abbau. Darüber hinaus zeigten die pegylierten Ad Vektoren Neutralisation von Anti-Hexon Antikörper in-vitro- und in Pre-immunisierten Mäusen in Vivo31entziehen. Im Gegensatz zu genetischen Kapsid Modifikationen erfolgt die chemische Kopplung von Polymeren nach Produktion und Reinigung, so dass nicht nur für die Verwendung von konventionellen Hersteller Zellen und Produktion hohe Titer Vektor Bestände, sondern auch für die gleichzeitige Änderung von Tausenden von Aminosäuren auf der Oberfläche Kapsid. Jedoch erfolgt unter der Regie von Amin Abschirmung nach dem Zufallsprinzip während der ganze Kapsid Oberfläche, was zu hohen Heterogenitäten und nicht zulassend Änderung des spezifischen Capsomers. Darüber hinaus beeinträchtigen der großen Polymer Moieties für wohltuende Wirkung erforderlichen Virus Bioaktivität32.
Zur Überwindung dieser Einschränkungen, Kreppel Et Al. 33 ein Geneti-chemischen Konzept für Vektor Rück- und de-targeting eingeführt. Cysteine wurden genetisch in die Virus-Kapsid an Lösungsmittel-exponierten Positionen wie Faser HI-Schleife33, Protein IX34und Hexon35,36eingeführt. Obwohl nicht natürlich vorkommenden, Cystein tragenden Ad Vektoren zu hohe Titer in den normalen Produzent Zellen erzeugt werden können. Wichtig ist, ermöglicht Einfügen von Cysteine in bestimmten Capsomers und in verschiedenen Positionen innerhalb eines einzigen Capsomer für hoch spezifische Änderungen der Thiol-Gruppe-reaktive Moieties. Dieser Geneti-chemischen Ansatz hat sich gezeigt, Ad-Vektor-Design zahlreiche Hindernisse zu überwinden. Die Kombination von Amin-basierte Pegylierung für Umfang und Thiol-basierte Kopplung von Transferrin, die Faser-Knopf, die, den Hi-Schleife bewährt hat, erfolgreich neu ausrichten Ad Vektoren auf Auto-defizienten Zellen33geändert. Da meist unerwünschte Wechselwirkungen (neutralisierenden Antikörpern, Blutgerinnungsfaktor FX) Hexon beteiligt ist, waren Thiol-basierte Modifikation Strategien auch auf Hexon angewendet. Kupplung kleine PEG Moieties an den HVR5 der Hexon verhindert Ad Vektor Partikel um transduzieren SKOV-3 Zellen in Anwesenheit von FX, während große PEG Moieties Hepatozyten Transduktion14,35erhöht. N. Chr. Vektor Partikel tragen Mutationen in der Faser-Knopf Hemmung Auto Bindung und HVR7 hemmende Bindung von FX (und Lager eingefügt Cysteine in HVR1 für Position-spezifischen Pegylierung) erwiesen sich als Antikörper und Komplement-vermittelten Neutralisation zu entziehen, ebenso wie Scavenger Rezeptor-vermittelte Aufnahme ohne Verlust der Infektiosität. Interessant ist, trotz eines Mangels an natürlichen FX Schutzschild verbessert Pegylierung nochmals Transduktion von Hepatozyten als Funktion der PEG Größe36. Jedoch zeigte sich, dass kovalente Abschirmung auf intrazelluläre Menschenhandel Prozesse auswirken. Prill Et Al. gegenüber irreversiblen versus Bioresponsive Schilde basierend auf pHPMA und gezeigt, dass weder die Art der Abschirmung noch Co-Polymer kostenlos Zelleintrag beeinflusste aber auf Partikel des Menschenhandels in den Zellkern. Mit einem Bioresponsive Schild mit positiv geladenen pHPMA Copolymere erlaubt für Partikel des Menschenhandels in den Zellkern, Aufrechterhaltung der hohen Transduktion Wirkungsgrade von Ad Vektoren in Vitro und in Vivo37.
Zusammenfassend lässt sich sagen zeigen diese Daten, dass selbst unter der Annahme, dass alle Vektor-Wirt-Interaktionen bekannt und angesehen wurden, übermäßige Kapsid Oberflächenmodifikationen notwendig, die mit systemischen Vektor Lieferung verbundenen Hürden zu überwinden sind.
Hier bieten wir ein Protokoll, um ortsspezifische chemische Modifikationen des Adenovirus-Vektor-Capsids für Abschirmung und/oder retargeting Adenovirus-Vektor-Partikel und Adenovirus-basierte onkolytische Viren durchführen. Das Konzept dieser Technologie ist in Abbildung 1dargestellt. Es ermöglicht die Abschirmung bestimmter Kapsid Regionen von unerwünschten Wechselwirkungen durch kovalente Bindung von synthetischen Polymeren. Gleichzeitig bietet es auch eine Möglichkeit zu befestigen Liganden und Abschirmung und targeting zu kombinieren. Verwenden einfache Chemie, können Experimentatoren Adenovirus-Vektor-Oberfläche mit einer Vielzahl von Molekülen einschließlich Peptide/Proteine, Kohlenhydrate, Lipide und andere kleine Moleküle kovalent ändern. Darüber hinaus sieht das Protokoll ein Gesamtkonzept für die chemische Modifizierung von biologisch aktiven Virus abgeleitet Vektoren unter Wartung ihrer biologische Integrität und Aktivität.
Die Effizienz durch die gentechnisch eingeführte Cysteine chemisch verändert werden können ist in der Regel 80-99 %, und bestimmte Variablen beeinflussen diese Effizienz. Erstens ist es sehr wichtig, dass die gentechnisch eingeführte Cysteine nicht vorzeitige Oxidation unterzogen werden. Gut geschützt in der reduzierenden Umgebung der Produzent Zellen ist, es zwingend erforderlich, um eine nicht-oxidativen Umgebung zu bieten, nach der Veröffentlichung von Vektor-Partikel aus den Hersteller-Zellen und während chemi…
The authors have nothing to disclose.
Vector purification and chemical modification | |||
Argon gas | Air liquide | local gas dealer | |
Liquid Nitrogen | Air liquide | local gas dealer | |
500 mL centrifuge tubes | Corning | 431123 | |
Stericup Express Plus 0.22 µm | Millipore | SCGPU02RE | |
Tris(2-carboxyethyl) phosphine (TCEP) | Sigma-Aldrich | C4706-10g | |
2 mL (3mL) Norm Ject (syringes) | Henke Sass Wolf | 4020.000V0 | |
Fine-Ject needles for single use (yellow 0.9 x 40 mm) | Henke Sass Wolf | 4710009040 | |
Caesium chloride 99.999% Ultra Quality | Roth | 8627.1 | |
Silica gel beads | Applichem | A4569.2500 | |
Methoxypolyethylene glycol maleimide – 750 (PEG mal-750) | Iris Biotech | store in silica gel beads at -80 °C | |
13.2 mL Ultra Clear Ultracentrifuge Tubes | Beckman Coulter | 344059 | only open in hood |
PD-10 size exclusion chromatography column | GE Healthcare | 17-0851-01 | store at 4 °C |
Hepes | AppliChem | A1069.1000 | |
SDS Ultrapure | AppliChem | A1112,0500 | |
Glycerol | AppliChem | A1123.1000 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material for cell-culture | |||
DPBS | PAN Biotech | P04-36500 | |
DMEM | PAN Biotech | P04-03590 | |
Trypsin/EDTA | PAN Biotech | P10-0231SP | |
FBS Good | PAN Biotech | P40-37500 | |
Penicillin/Streptomycin | PAN Biotech | P06-07100 | |
Biosphere Filter Tips (various sizes) | Sarstedt | ||
Serological Pipettes (various sizes) | Sarstedt | ||
reaction tubes (various sizes) | Sarstedt | ||
TC plates 15cm | Sarstedt | 83.3903 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material for silver staining protocol | |||
Methanol | J.T.Baker | 8045 | |
Ethanol absolute | AppliChem | 1613,2500PE | |
Acetic Acid | AppliChem | A0820,2500PE | |
Formaldehyde 37% | AppliChem | A0877,0250 | |
Ethanol absolute | AppliChem | A1613,2500PE | |
Sodium thiosulfate | AppliChem | 1,418,791,210 | |
Silver nitrate | AppliChem | A3944.0025 | |
Sodium carbonate | AppliChem | A3900,0500 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Special Lab Equipment | |||
Desiccator | Nalgene | 5311-0250 | |
Megafuge 40 | Heraeus | ||
Roter for Megafuge TX750 + Adapter andLlids for 500 mL tubes | Heraeus | ||
Water bath | Conventional | ||
Ultracentrifuge e.g. Optima XPN-80 | Beckman Coulter | ||
suitable Ultrazentrifuge Rotor e.g. SW41 | Beckman Coulter | ||
pH -Meter | Conventional | ||
Stand with clamps | Conventional | ||
Goose neck lamp | Conventional | ||
Over-head rotor | Conventional | ||
Thermal Block | Conventional | ||
Photometer (OD 260) | Conventional |