비 바이러스 유전자 치료를 위한 포유류 1차 안료 상피 세포의 격리, 배양 및 유전 공학

Summary

여기서, 다양한 포유류(마우스, 쥐, 토끼, 돼지 및 소)로부터 일차 홍채 및 망막 색소 상피 세포를 분리하고 변형시키는 프로토콜이 제시된다. 이 방법은 전 생체 분석 및 인간에게 양도 할 수있는 생체 내 연구를위한 다양한 셋업에서 안구 유전자 치료 접근 방식을 연구하는 데 이상적입니다.

Abstract

노화관련 황반 변성(AMD)은 전 세계적으로 3천만 명에게 영향을 미치는 >60년 환자에서 가장 빈번한 실명 원인입니다. AMD는 환경 및 유전적 요인에 의해 영향을 받는 다인성 질환으로, 망막 색소 상피(RPE) 세포 변성으로 인한 망막의 기능적 손상으로 이어지는 후 광수용체 분해가 뒤따릅니다. 이상적인 치료는 RPE 세포 사멸과 광수용체 변성을 방지하기 위해 신경 보호 인자를 분비 건강한 RPE 세포의 이식을 포함 할 것이다. 기능적 및 유전적 유사성 및 덜 침습적인 생검의 가능성으로 인해 홍채 색소 상피 (IPE) 세포의 이식은 퇴화 된 RPE를 대신할 수 있도록 제안되었습니다. 낮은 수의 피하 이식 된 세포에 의한 신경 보호 인자의 분비는 안료 상피 유래 인자 (PEDF) 및 /또는 과립구 대식세포 -콜로니 자극 인자 (GM-CSF)에 대한 코딩 유전자와 함께 슬리핑 뷰티 (SB100X)트랜스 포손 매개 형 경화에 의해 달성 될 수있다. 설치류, 돼지, 가축 등 다양한 종에서 RPE 및 IPE 세포의 격리, 문화 및 SB100X매개 형 트랜스퍼를 설립했습니다. 글로브는 짜고 각막과 렌즈가 제거되어 홍채와 망막에 접근합니다. IPE 세포는 사용자 정의 주걱을 사용하여 격리 된 홍채에서 제거됩니다. RPE 세포를 수확하기 위해 종에 따라 트립신 배큐어가 필요할 수 있습니다. 그런 다음 RPE 사용자 지정 주걱을 사용하여 세포가 중간으로 일시 중단됩니다. 파종 후, 세포는 일주일에 두 번 모니터링되며, 합류에 도달 한 후 전기 화에 의해 감염됩니다. 유전자 통합, 발현, 단백질 분비 및 기능은 qPCR, WB, ELISA, 면역형성 및 기능성 분석서에 의해 확인되었다. 종에 따라 30,000-5백만 개의 RPE 및 10,000-150만 개의 세포가 눈당 격리될 수 있습니다. 유전자 변형 된 세포는 산화 스트레스를 감소시키는 능력으로 상당한 PEDF / GM-CSF 과발현을 나타내며 전 생체 분석 및 인체에 전달 가능한 생체 내 연구를위한 유연한 시스템을 제공하여 안구 유전자 치료 접근법을 개발합니다.

Introduction

우리 그룹은 RPE-및 IPE 기반 비 바이러스 유전자 치료에 의해 신경 망후 변성을 치료하는 재생 접근법의 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 치료의 전 임상 설립은 인간에게 양도 할 수있는 체외 모델을 필요로한다. 따라서, 여기에서 제시된 연구 결과의 목표는 1 차적인 RPE 및 IPE 세포의 격리, 문화 및 유전 공학을 위한 프로토콜을 전달하는 것입니다. 여러 종에서 PE 세포의 격리를 확립하는 근거는 접근의 안전성과 효율성을 강력하게 확인하고 재현성과 전달성을 높이는 것입니다. 사용 가능한 인간 RPE 세포주 ARPE-19는 1차 세포(예를 들어, 덜 색소)와 다르며, 따라서 전임상 분석에 대한 제한된^{값만이다.} 추가적으로, 비 인간 포유류 세포는 더 적은 비용 및 더 큰 양으로 살 수 있습니다; 인간 기증자 조직은 다양한 눈 은행에서 얻을 수 있지만 가용성은 제한적이고 비용이 많이 듭니다. 마지막으로, 새로운 고급 치료 약용 제품 (ATMP, 즉, 세포, 조직, 또는 유전자 치료 약용 제품)은 환자에서 테스트되기 전에 적어도 두 개의 다른 종에 적용되어야하며 생체 내 연구는 동종 세포 이식의 준비를 요청합니다.

망막 신경 퇴행성 질환은 AMD와 같은 일반적인 질병뿐만 아니라 망막 세포 사망이 결국 실명으로 이어지는 망막 색소증과 같은 희귀 질환을 포함하는 선진국의 주요 실명 원인입니다. RPE 세포, 광수용체 및 망막 신경절 세포 (RGC) 손상은 어떤 경우에는 느려질 수 있지만 현재 치료 요법은 없습니다. ATMpPs는 유전자 결함을 정정하고, 치료 유전자를 통합하거나, 퇴화세포를 대체할 수 있는 잠재력을 제공하므로 AMD와 같은 질병에 대한 재생 및 치료 요법의 개발을 가능하게 합니다. 13개의 유전자 치료는 이미 RPE65 돌연변이 관련 망막 변성을 치료하는 치료를 포함하여 마케팅 승인을 얻었다^2,3. > 전 세계적으로 3천만~3,000만 명의 노인중 에서 신생아(nvAMD) 또는 혈관(aAMD) AMD^4의영향을 받습니다. 두 형태 는 산화 손상을 포함하는 연령 관련 트리거에 의해 유도된다, 기능 장애 및 광수용체 저하 다음 RPE 세포의 손실, 그 외 (예를 들어, 유전 위험 알레일, 흡연, 고혈압)^5,6. nvAMD에서, 병원성 은 혈관 신생 및 항 혈관 내피 성장 인자 (VEGF)에 찬성 하는 혈관 신생 및 항 혈관 형성 인자의 불균형에 의해 악화 (CNV). 현재까지, 만 nvAMD는 CNV를 억제하기 위해 VEGF 단백질의 억제제의 월간 인트라비티리얼 주사에 의해 치료할 수 있습니다; AAMD^6,7에대한 효과적인 치료는 아직 사용할 수 없습니다.

몇몇 연구 결과는 반대로 VEGF 치료를 대체하기 위하여 세포 기지를 둔 치료를 평가했습니다: 새로 수확한 자가 RPE 세포가 nAMD^8,9,10을가진 환자로 이식된 바인더 외에 의한 연구 결과는 적당한 시각 개선을 보여주었습니다, 그러나 환자의 단지 작은 단은 독서를 가능하게 하기에 충분히 높은 최종 적인 시력에 도달했습니다. 최근에는, 1상 임상 연구는 유망한 결과로 AMD를 취급하기 위하여 배아 줄기 세포 유래 RPE 패치를 이용했습니다; 즉, 10명의 환자 중 2명이^11명으로최대 12개월 동안 RPE 패치의 효능, 안정성 및 안전성 및 효능, 안정성 및 안전성. 또한, 여러 그룹은 자가 RPE-Bruch의 막-choroid 패치가 말초 망막에서 수확되고 황반^12,13,14로이식되는 연구를 발표했습니다. 유도된 다능성 줄기세포(iPSC)-유래 RPE 패치는^{이식용(15)을}위해 생성되었다. aAMD의 경우, 보완 경로를 표적으로 하는 항체는 시험^6,16 및 단계 I연구에서 시험된 시험은 아데노 관련 바이러스(AAV) 벡터의 단일 인트라비탈 주입을 사용하여 지리 위축(GA)을 가진 환자에서 CD59(AAVCAGsCD59)를 코딩하는 유전자를 코딩하였다. 단계 II 연구는 최근에 시작하고 고급 aAMD를 가진 132명의 환자를 모집하고 2 년 후 개입^18에서결과를 평가하는 것을 목표로 합니다. 마지막으로, FocuS 연구그룹은 인간 보체인^19를인코딩하는 재조합 비복제 AAV 벡터의 안전성, 용량 반응 및 효능을 평가하는 단계 I/II 다중센터 임상 시험을 시작했다.

주로, 재생 AMD 치료의 목표는 손상되거나 분실된 기능적인 RPE 세포의 이식입니다. 그러나, IPE 및 RPE 세포는 많은 기능적 및 유전적 유사성(예를 들어, phagocytosis 및 망막 대사)을 공유하고, IPE 세포가 더 태아에게 수확되기 때문에, 그들은 RPE 대체^20으로제안되었다. IPE 세포 이식이 동물^{모델(21,22)에서} 광수용체 변성을 지연시키고 말기 nvAMD 환자에서 시각 기능을 안정화시키는 것으로 입증되었지만, 이들^{환자(23)에서는}유의한 개선이 관찰되지 않았다. 효능의 부족은 이식 된 세포의 낮은 수 때문일 수 있습니다., 및/또는 신경 보호 망막 요인의 불균형. 다른 접근법은 망막 항상성을 복원하고, 남은 RPE 세포를 유지하고, 광수용체와 RG를 변성으로부터 보호하기 위해 신경 보호 인자를 과발적으로 표현하는 전감염된 안료 상피 세포를 이식하는 것입니다. 따라서, 우리는 PEDF, GM-CSF 또는 인슐린 같이 성장 인자 (IGFs)와 같은 신경 보호 및 항 혈관신생 단백질을 분비하기 위하여 유전 공학을 겪은 기능적인 RPE 또는 IPE 세포의 이식을 포함하는 새로운 치료를 제안합니다. 세포주 대신 여러 종에서 이러한 접근법을 개발하고 분석하는 이점, 단 하나의 종, 또는 인간 조직: 1) 독립적인 실험실 및 다른 종^{1,24,25에서}실현된 수많은 연구에 의해 나타난 바와 같이 결과의 재현성 및 전달성이 향상된다. 2) 돼지 또는 소 세포는 추가 동물의 희생없이 가능한 일회용; 3) 특히 돼지와 소 세포의 가용성은 강력한 결과를 생성하는 큰 테스트 시리즈를 허용; 4) 주로 사용되는 모델으로부터 세포를 분리, 배양 및 유전적으로 수정하는 지식은^24,25,26의 다중 종에서 생체 내 분석을 가능하게 하고 따라서 첫번째 치료된 환자를 위한 향상된 위험 이득 비율을 제공합니다; 5) 제시 된 프로토콜의 유연성은 다양한 모델및 실험 설정 및 유전 공학유무에 관계없이 모든 안구 세포 기반 치료법에 사용할 수 있게합니다. 대조적으로, 세포주 또는 인간 조직으로 대체 기술은 제한된 전달 가능성 및/또는 제한된 단화성의 뿐입니다. ARPE-19와 같은 세포주들은 예비 실험에 이상적입니다. 그러나, 낮은 색소 침착 및 높은 증식은 1차 세포^1과크게 다릅니다. 인간 기증자 조직으로부터 분리되는 RPE 및 IPE 세포는 체외 실험을 양도할 수 있는 귀중한 원천을 제공합니다. 그러나, 우리는 조직이 적어도 이틀 (enucleation 후에) 오래되고 비싼 수송을 필요로 한다는 것을 의미하는 미국-미국 안과 은행에서 인간 적인 조직을 얻고, 그러나 현지 기증자 조직은 생산적인 연구를 위한 충분한 양으로 유효하지 않습니다. 1차 세포의 사용의 장점은^{다른 그룹(27,28)으로부터}의 여러 연구에 의해 확인된다.

EBF 및/또는 GM-CSF를 코딩하는 유전자를 가진 1차 RPE 및 IPE 세포를 이식하기 위한 SB100X 트랜스포슨 시스템을 이용한 세포 기반 비바이러스 유전자 치료의 개발을 위해 각각^29,30,31,32,ARPE-19 세포의 트랜스페션을 최초로^{확립했습니다.} . 다음으로, 쉽게 접근할 수 있는 소와 돼지 1차 세포에서 격리 및 경질 프로토콜이 확립되었다. 지금, 5개의 다른 종에서 1 차적인 RPE 및 IPE 세포의 격리 그리고 transfection는 작은 (마우스로) 큰 포유동물 (가축으로)에, 설치되었습니다. 인간 기증자^{눈(30)으로부터}유래된 1차 RPE 및 IPE 세포에서 확인되었다. ATMP의 우수 제조 관행(GMP)준수 생산은 인간 기증자 조직뿐만 아니라^33을사용하여 검증되었다. 마지막으로, 접근법의 안전성과 효율성은 프로토콜이 조정된 세 가지 다른 종에서 생체 내에서 평가되었습니다: 마우스, 쥐 및 토끼. 임상 설정에서, 홍채 생검은 환자에게서 수확되고 IPE 세포는 세포가 같은 환자로 다시 피복되기 전에, 깨끗한 방에서 격리되고 전염될 것입니다. 전체 과정은 약 60 분 지속되는 단일 수술 세션 중에 진행됩니다. 치료 접근법의 개발 및 그 효율성의 평가는 견고하고 효율적인 유전자 전달 방법을 구현하고, 유전자 전달의 효율을 분석하고, 치료 단백질 생산 및 신경 보호 효과를 분석하고, 생체 내 접근법을 시험하기 위해 세포 이식을 생산하기 위해 시험관 및 전 생체 내 모델에서우수한 것을 요구하였다^{1,24,25,29,30} . 이 치료법은 제네바 주(2019-00250호) 연구를 위한 윤리위원회에서 임상 단계 Ib/IIa 임상 시험에 대한 윤리적 승인을 받았으며 현재 스위스 규제 당국이 승인요청받은 마지막 전임상 데이터가 제시된 프로토콜을 사용하여 수집된다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 이와 관련하여, 생체 내 전 임상 데이터는 CNV의 현저한 감소와 우수한^{안전(24,25,31)을입증했다.}

여기서, 소, 돼지, 토끼, 쥐 및 마우스로부터 RPE/IPE 세포의 분리 및 배양, 그리고 효율적인 유전자 전달 방법으로 전기기와 결합된 통합 SB100X 트랜스포슨 시스템의 사용이 설명된다. 특히, 1차 PE 세포는 PEDF 및 GM-CSF를 과발현하기 위해 전형되었다. 이러한 프로토콜의 수집은 ATMP 개발의 모든 전임상 단계에서 시험관 내 및 생체 내 연구를 수행할 수 있게 한다. 더욱이, 셋업은 관심과 질병의 그밖 유전자에 적응될 가능성이 있습니다.

Protocol

동물이 연루된 프로토콜은 공인 인력에 의해 수행되었으며, 스위스 제네바의 도멘 드 l’expémentation 동물인 de l’emploi et de la santé(DSES), 도멘 드 l’expémentation animale, 그리고 Ophalmic 및 비전 연구에서 동물 사용에 대한 ARVO 성명서에 따라 승인된 후에 수행되었습니다. GE/94/17). 성인 건강한 갈색 노르웨이 쥐, C57BL/6 마우스, 뉴질랜드 흰 토끼는 펜토바르비탈(150 mg/kg)의 과다 복용으로 안락사되었고, 0.9% NaCl…

Representative Results

다른 포유류 종에서 PE 격리전술한 프로토콜을 사용하여 IPE 및 RPE 세포는 성공적으로 분리되어 5개의 다른 종으로부터 배양되었다. 각 절차에서 얻은 세포의 수는 눈의 종 및 크기에 따라 달라집니다(표 1). 도 1에도시된 바와 같이, 세포는 전형적인 PE 세포 형태학 및 색소 침착을 나타내고 있다(알비노 뉴질랜드 화이트(NZW) 토끼로부터 유래된 토끼…

Discussion

PE 세포를 분리하고 배양하는 표준화된 방법을 갖는 것은 망막 퇴행성 질병을 위한 새로운 치료 접근을 개발하는 데 근본적입니다. 여기에 제시 된 프로토콜으로, PE 세포는 성공적으로 다른 종에서 분리하고 오랜 기간 동안 배양 될 수있다 (지금까지, 가장 긴 배양은 2 년^동안유지되었다^1,38); 전형적인 PE 세포 형태, 색소 침착 및 기능이 관찰되었다(도<str…

Materials

12-well plates	Corning	353043
24-well plates	Corning	353047
48-well plates	ThermoFisher Scientific	150687
6-well plate	Greiner	7657160
Betadine	Mundipharma
Bonn micro forceps flat
Colibri forceps (sterile)
CytoTox-Glo Cytotoxicity Assay	Promega	G9291
DMEM/Ham`s F12	Sigma-Aldrich	D8062
Drape (sterile)	Mölnlycke Health Care	800530
Electroporation buffer 3P.14	3P Pharmaceutical
FBS	Brunschwig	P40-37500
Forceps (different size) (sterile)
Gauze compress	PROMEDICAL AG	25403
NaCl (0.9%)	Laboratorium Dr. Bichsel AG	1000090
Needle (18G)	Terumo	TER-NN1838R
Neon Transfection kit 10 µL	ThermoFisher Scientific	MPK1096
Neon Transfection System	ThermoFisher Scientific	MPK5000S
Neubauer chamber	Marienfeld-superior	640010
Pasteur pipette (fire-polish)	Witeg	4100150
PBS 1X	Sigma-Aldrich	D8537
Penicillin/Streptomycin	Sigma-Aldrich	P0781-100
Pentobarbital (Thiopental Inresa)	Ospedalia AG	31408025
Petri dish	ThermoFisher Scientific	150288
pFAR4-PEDF
pFAR4-SB100X
pFAR4-Venus			Pastor et al., 2018. Kindly provided by Prof. Scherman and Prof. Marie
pSB100X (250 ng/µL)			Mátés et al., 2009. Provide by Prof. Izsvak
pT2-CAGGS-Venus			Johnen et al., 2012
pT2-CMV-GMCSF-His plasmid DNA (250 ng/µL)			Cloned in our lab
pT2-CMV-PEDF-His plasmid DNA (250 ng/µL)			Pastor et al., 2018
scarpel no. 10	Swann-Morton	501
scarpel no. 11	Swann-Morton	503
Sharp-sharp tip curved Extra Fine Bonn Scissors (sterile)
Sharp-sharp tip straight Extra Fine Bonn Scissors (sterile)
Tali Image-Based Cytometer	ThermoFisher Scientific	T10796
Trypsin 0.25%	ThermoFisher Scientific	25050014
Trypsin 5%/EDTA 2%	Sigma-Aldrich	T4174
Vannas spring scissors curved (sterile)