Modificação Genética Baseada em Eletroporação de Células Epiteliais de Pigmento Humano Primário usando o Sistema Transposon da Bela Adormecida

Summary

Desenvolvemos um protocolo para transfectar células epiteliais primárias de pigmento humano por eletroporação com o gene que codifica o fator derivado do epitélio pigmentar (PEDF) usando o sistema de transposon da Bela Adormecida (SB). A transfecção bem-sucedida foi demonstrada pela reação quantitativa em cadeia da polimerase (qPCR), immunoblotting e ensaio imunoenzimático (ELISA).

Abstract

Nossa sociedade cada vez mais envelhecida leva a uma incidência crescente de doenças neurodegenerativas. Até o momento, os mecanismos patológicos são inadequadamente compreendidos, impedindo assim o estabelecimento de tratamentos definidos. Terapias genéticas aditivas baseadas em células para o aumento da expressão de um fator protetor são consideradas uma opção promissora para medicar doenças neurodegenerativas, como a degeneração macular relacionada à idade (DMRI). Desenvolvemos um método para a expressão estável do gene que codifica o fator derivado do epitélio pigmentar (PEDF), que é caracterizado como uma proteína neuroprotetora e antiangiogênica no sistema nervoso, no genoma das células epiteliais primárias do pigmento humano (PE) usando o sistema transposon da Bela Adormecida (SB). As células primárias de EP foram isoladas dos olhos do doador humano e mantidas em cultura. Após atingir a confluência, 1 x 10⁴ células foram suspensas em 11 μL de tampão de ressuspensão e combinadas com 2 μL de uma solução purificada contendo 30 ng de plasmídeo de transposase SB hiperativo (SB100X) e 470 ng de plasmídeo transposon PEDF . A modificação genética foi realizada com um sistema de eletroporação capilar utilizando os seguintes parâmetros: dois pulsos com tensão de 1.100 V e largura de 20 ms. As células transfectadas foram transferidas para placas de cultura contendo meio suplementado com soro fetal bovino; antibióticos e antimicóticos foram adicionados com a primeira troca média. A transfecção bem-sucedida foi demonstrada em experimentos realizados de forma independente. A reação quantitativa em cadeia da polimerase (qPCR) mostrou o aumento da expressão do transgene PEDF . A secreção de PEDF foi significativamente elevada e permaneceu estável, avaliada por imunoblotting, e quantificada por ensaio imunoenzimático (ELISA). A transferência mediada por SB100X permitiu uma integração estável do gene PEDF no genoma das células PE e garantiu a secreção contínua de PEDF, o que é crítico para o desenvolvimento de uma terapia de adição genética baseada em células para tratar a DMRI ou outras doenças degenerativas da retina. Além disso, a análise do perfil de integração do transposon do PEDF em células de EP humanas indicou uma distribuição genômica quase aleatória.

Introduction

A idade avançada é descrita como o principal risco para doenças neurodegenerativas. A degeneração macular relacionada à idade (DMRI), uma doença poligênica que leva à perda de visão grave em pacientes com mais de 60 anos de idade, pertence às quatro causas mais comuns de cegueira e deficiência visual¹ e espera-se que aumente para 288 milhões de pessoas em 2040². Disfunções do epitélio pigmentar da retina (EPR), uma única camada de células bem compactadas localizadas entre o coriocapilar e os fotorreceptores da retina, contribuem para a patogênese da DMRI. O PSE cumpre múltiplas tarefas que são essenciais para uma função retiniana normal³ e secreta uma variedade de fatores de crescimento e fatores essenciais para manter a integridade estrutural da retina e do coriocapilar, apoiando assim a sobrevivência dos fotorreceptores e fornecendo uma base para a circulação e o fornecimento de nutrientes.

Em olhos saudáveis, o fator derivado do epitélio pigmentar (PEDF) é responsável por equilibrar os efeitos do fator de crescimento endotelial vascular (VEGF) e protege os neurônios contra a apoptose, previne a proliferação de células endoteliais e estabiliza o endotélio capilar. Uma relação VEGF-para-PEDF deslocada está relacionada à neovascularização ocular, o que foi observado em modelos animais^4,5, bem como em amostras de pacientes com neovascularização da coroide (NVC) por DMRI e retinopatia diabética proliferativa 6,7,8,9,10 . A concentração aumentada de VEGF é o alvo para o tratamento padrão atual. Os fármacos anti-VEGF bevacizumab, ranibizumab, aflibercept e, mais recentemente, brolucizumab melhoram a acuidade visual em cerca de um terço dos pacientes com NVC, ou melhor, estabilizam a visão em 90% dos casos^11,12,13. No entanto, as injeções intravítreas frequentes, muitas vezes mensais, acarretam o risco de eventos adversos¹⁴, prejudicam a adesão do paciente e representam um ônus econômico significativo para os sistemas de saúde¹⁵. Além disso, certa porcentagem de pacientes (2%-20%) não responde ou apenas reage mal à terapia anti-VEGF^16,17,18,19. Esses concomitantes negativos requerem o desenvolvimento de tratamentos alternativos, por exemplo, implantes intraoculares, abordagens terapêuticas celulares e/ou genéticas.

A terapia gênica tem evoluído como tratamento promissor para doenças hereditárias e não hereditárias e pretende restaurar sequências gênicas não funcionais ou suprimir as de mau funcionamento. Para doenças poligênicas, onde a identificação e a substituição dos fatores causadores dificilmente são possíveis, as estratégias visam a entrega contínua de um fator protetor. No caso da DMRI, várias terapias aditivas têm sido desenvolvidas, como a expressão estável de endostatina e angiostatina²⁰, o antagonista do VEGF solúvel fms-like tirosina quinase-1 (sFLT-1)21,22, o cluster de proteínas reguladoras do complemento de diferenciação 59 (CD59)23 ou o PEDF ^24,25 . O olho, e especialmente a retina, é um excelente alvo para uma medicação baseada em genes devido à estrutura fechada, boa acessibilidade, tamanho pequeno e privilégio imunológico, permitindo assim uma entrega localizada de baixas doses terapêuticas e tornando os transplantes menos suscetíveis à rejeição. Além disso, o olho permite o monitoramento não invasivo, e a retina pode ser examinada por diferentes técnicas de imagem.

Os vetores virais são, devido à sua alta eficiência de transdução, o principal veículo para entregar genes terapêuticos nas células-alvo. Entretanto, dependendo do vetor viral utilizado, diferentes reações adversas têm sido descritas, como respostas imunes e inflamatórias²⁶, efeitos mutagênicos e oncogênicos ^27,28 ou disseminação em outros tecidos²⁹. As limitações práticas incluem um tamanho de embalagem restrito³⁰, bem como dificuldades e custos associados à produção de lotes de grau clínico^31,32. Essas desvantagens promoveram o desenvolvimento de vetores não virais, baseados em plasmídeos, que são transferidos via lipo / poliplexos, ultrassom ou eletroporação. No entanto, a integração genômica do transgene no genoma do hospedeiro geralmente não é promovida com vetores plasmídicos, resultando em uma expressão transitória.

Transposons são fragmentos de DNA de ocorrência natural que mudam sua posição dentro do genoma, uma característica que foi adotada para a terapia gênica. Devido a um mecanismo de integração ativa, os sistemas vetoriais baseados em transposon permitem uma expressão contínua e constante do transgene inserido. O transposon da Bela Adormecida (SB), reconstituído a partir de um antigo transposon do tipo Tc1/marinheiro encontrado em peixes³³ e melhorado pela evolução molecular resultando na variante hiperativa SB100X³⁴, possibilitou uma transposição eficiente em várias células primárias e foi utilizado para a correção fenotípica em diferentes modelos de doenças³⁵. Atualmente, 13 ensaios clínicos foram iniciados usando o sistema de transposição SB . O sistema de transposon SB100X consiste em dois componentes: o transposon, que compreende o gene de interesse ladeado por repetições invertidas terminais (TIRs), e a transposase, que mobiliza o transposon. Após a entrega do DNA plasmídico às células, a transposase se liga aos TIRs e catalisa a excisão e a integração do transposon no genoma da célula.

Desenvolvemos uma terapia aditiva não viral baseada em células para o tratamento da DMRI neovascular. A abordagem compreende a inserção baseada em eletroporação do gene PEDF em células epiteliais pigmentares primárias (PE) por meio do sistema de transposon SB100X ^36,37,38. A informação genética da transposase e do PEDF é fornecida em plasmídeos separados, permitindo assim o ajuste da razão de transposição ideal SB100X-para-PEDF. A eletroporação é realizada usando um sistema de transfecção capilar baseado em pipeta que é caracterizado por um tamanho de folga maximizado entre os eletrodos, minimizando sua área de superfície. O dispositivo demonstrou atingir excelentes taxas de transfecção em uma ampla gama de células de mamíferos 39,40,41. A pequena área de superfície do eletrodo proporciona um campo elétrico uniforme e reduz os vários efeitos colaterais da eletrólise⁴².

A funcionalidade antiangiogênica do PEDF secretado por células epiteliais pigmentares transfectadas foi demonstrada em vários experimentos in vitro analisando a brotação, migração e apoptose de células endoteliais da veia umbilical humana⁴³. Além disso, o transplante de células transfectadas por PEDF em um modelo de neovascularização corneana de coelho⁴⁴ e em um modelo de rato de CNV^43,45,46 mostrou declínio da neovascularização.

Aqui, descrevemos um protocolo detalhado para a inserção estável do gene PEDF em células primárias de EPR humanas através do sistema de transposon SB100X usando um sistema de transfecção capilar. As células transfectadas foram mantidas em cultura por 21 dias e, posteriormente, analisadas em termos de expressão gênica de PEDF por reação quantitativa em cadeia da polimerase (qPCR) e em termos de secreção de proteína PEDF por imunoblotting e ensaio imunoenzimático (ELISA, Figura 1).

Protocol

Os olhos dos doadores humanos foram obtidos do Aachen Cornea Bank do Departamento de Oftalmologia (Hospital Universitário RWTH Aachen) após a obtenção do consentimento informado de acordo com os protocolos da Declaração de Helsinque. Os procedimentos para a coleta e uso de amostras humanas foram aprovados pelo comitê de ética institucional. 1. Isolamento das células primárias de EPR humanas Coloque roupas de proteção estéreis e luvas. Coloque uma cortina estéril sob um …

Representative Results

Cultivo e eletroporação de células primárias de EPR humanasMostramos que a semeadura de um número suficiente de células primárias de EPR de origem animal permite o cultivo e o crescimento para uma monocamada integrada de células pigmentadas de forma hexagonal36,37,48. Sua capacidade de formar junções apertadas, exibir atividade fagocítica e expressar genes marcador…

Discussion

Em nosso projeto, visamos a produção não viral de células primárias geneticamente modificadas de PSE humanas que continuamente superexpressam e secretam um fator eficaz, a fim de usar as células transfectadas como terapêuticas de longo prazo para o estabelecimento e manutenção de um ambiente protetor. Estabelecemos a introdução do gene que codifica o PEDF, uma proteína multifuncional onipresente e expressa com funções antiangiogênicas e neuroprotetoras. O protocolo descrito aqui pode ser usado para transfe…

Materials

Isolation of primary human RPE cells
24-Well Cell Culture Plate	Eppendorf, Hamburg, Germany	0030722019
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Colibri Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18950
Curved Iris Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18856
Disposable Scalpel (No. 11)	Feather, Osaka, Japan
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Extra Fine Pointed Eye Scissor	Geuder, Heidelberg, Germany	G-19405
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Glass Pasteur Pipettes	Brand, Wertheim, Germany	747715
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Sterile Drape	Lohmann & Rauscher, Rengsdorf, Germany
Sterile Gauze Compress	Fink-Walter, Merchweiler, Germany	321063
Sterile Gloves	Sempermed, Wien, Austria
Sterile Petri Dish (Falcon 60 mm x 15 mm)	Corning, Corning, NY	351007
Sterile Surgical Gown	Halyard Health, Alpharetta, GA
Straight Iris Forceps	Geuder, Heidelberg, Germany	G-18855
Electroporation of primary human RPE cells
10 mM Tris-HCl (pH 8.5)
12-Well Cell Culture Plate	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	150628
24-Well Cell Culture Plate	Eppendorf, Hamburg, Germany	0030722019
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (1.5 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Inverted Microscope	Leica Mikrosysteme, Wetzlar, Germany	Leica DMi8
Microvolume Spectrophotometer (NanoDrop Spectrophotometer)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA
Capillary Transfection System (Neon Transfection System)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	MPK5000
Neon Transfection System 10 µL Kit	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	MPK1096
Hemocytometer (Neubauer Chamber)	Paul Marienfeld, Lauda-Königshofen, Germany	0640110
PBS Dulbecco w/o Ca2+ w/o Mg2+	Biochrom, Berlin, Germany	L182-50
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (10 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (200 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Plasmid Maxi Kit	Qiagen, Hilden, Germany	12163
Single Channel Pipette (0.1-10 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (10-200 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Trypan Blue Solution	Merck, Darmstadt, Germany	T8154
Trypsin-EDTA (0,05 %)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	25300054
Analyses of transfected primary human RPE cells
10% SDS-Polyacrylamide Gel
1x Incubation Buffer (50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 8.0)
2x SDS Sample Buffer
4x Incubation Buffer (200 mM NaH2PO4, 1.2 M NaCl, 40 mM imidazole, pH 8.0)
Amersham Protran Supported 0.2 µm Nitrocellulose Blotting Membrane	Cytiva, Marlborough, MA	10600015
Amphotericin B [250 µg/mL] (AmphoB)	Merck, Darmstadt, Germany	A2942
Anti-PEDF Antibodies (Rabbit Polyclonal)	BioProducts, Middletown, MD	AB-PEDF1
Anti-Penta-His Antibodies (Mouse Monoclonal)	Qiagen, Hilden, Germany	34660
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium/Ham’s F-12 Nutrient Mixture (DMEM/F12)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P04-41150
Elution Buffer (50 mM NaH2PO4, 300 mM NaCl, 250 mM imidazole, pH 8.0)
Fetal Bovine Serum [0.2 µm Sterile Filtered] (FBS)	PAN-Biotech, Aidenbach, Germany	P40-37500
Hemocytometer (Neubauer Chamber)	Paul Marienfeld, Lauda-Königshofen, Germany	0640110
Horseradish Peroxidase-Conjugated Anti-Mouse Antibodies (Rabbit Polyclonal)	Agilent Dako, Santa Clara, CA	P0260
Horseradish Peroxidase-Conjugated Anti-Rabbit Antibodies (Goat Polyclonal)	Abcam, Cambridge, United Kingdom	ab6721
Human PEDF ELISA Kit	BioProducts, Middletown, MD	PED613
LAS-3000 Imaging System	Fujifilm, Minato, Japan
LightCycler 1.2 Instrument	Roche Life Science, Penzberg, Germany
LightCycler FastStart DNA Master SYBR Green I	Roche Life Science, Penzberg, Germany	12239264001
LightCycler Capillaries (20 μl)	Roche Life Science, Penzberg, Germany	4929292001
Microvolume Spectrophotometer (NanoDrop Spectrophotometer)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA
Mini-PROTEAN Tetra Cell Casting Module	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1658015
Mini-PROTEAN Tetra Vertical Electrophoresis Cell for Mini Precast Gels, 4-gel	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1658004
Ni-NTA Superflow	Qiagen, Hilden, Germany	30410
PageRuler Prestained Protein Ladder	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	26616
Penicillin [10,000 units/mL] and Streptomycin [10 mg/mL] (Pen/Strep)	Merck, Darmstadt, Germany	P0781
Pipette Tips (10 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (1000 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
Pipette Tips (200 µL)	Starlab, Hamburg, Germany
PowerPac Basic Power Supply	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1645050
QIAamp DNA Mini Kit	Qiagen, Hilden, Germany	51304
Reverse Transcription System	Promega, Madison, WI	A3500
RNase-Free DNase Set	Qiagen, Hilden, Germany	79254
RNeasy Mini Kit	Qiagen, Hilden, Germany	74104
Rocking Shaker	Cole-Parmer, Staffordshire, United Kingdom	SSM3
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (1.5 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Safe-Lock Microcentrifuge Tubes (2.0 mL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (0.1-10 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (100-1000 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Single Channel Pipette (10-200 µL)	Eppendorf, Hamburg, Germany
Trans-Blot Turbo Transfer System	Bio-Rad Laboratories, Feldkirchen, Germany	1704150
Trypan Blue Solution	Merck, Darmstadt, Germany	T8154
Trypsin-EDTA (0,05 %)	Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA	25300054