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腺相關(guān)病毒AAV在腎臟組織研究中的靶向策略介紹

瀏覽次數(shù):166 發(fā)布日期:2024-12-16  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
AAV(腺相關(guān)病毒)因其免疫原性低、安全性高、宿主范圍廣、組織特異性、長期穩(wěn)定表達(dá)等特點(diǎn),已被廣泛的應(yīng)用在動物水平的基因表達(dá)、基因操作和基因治療。全球腎病患者規(guī)模龐大,選擇AAV治療是因其能夠精準(zhǔn)靶向腎臟細(xì)胞,減少對其他器官的影響。AAV在腎臟組織的靶向策略需要綜合考慮血清型選擇、啟動子使用和注射方式等多個因素,以優(yōu)化基因治療的效率和特異性。接下來,讓我們一起學(xué)習(xí)AAV在腎臟組織中的應(yīng)用。
 
腎臟的基本信息
腎臟是人體的重要器官,具有清除體內(nèi)代謝產(chǎn)物及某些廢物、毒物,調(diào)節(jié)水、電解質(zhì)平衡及維護(hù)酸堿平衡、內(nèi)分泌功能等功能,保證了機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,使新陳代謝得以正常進(jìn)行。腎臟疾病是全球性的公共衛(wèi)生問題。據(jù)悉,全球有約8.5億人患有腎臟疾病,而中國慢性腎臟病患者已超過1個億。

 
 
圖1. 人體腎臟解剖圖
 
腎臟結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)胞種類多樣。通過眾多研究人員[1]的努力,繪制出了最全面的人類腎臟組織圖譜(圖2)。這個腎臟組織圖譜包括51種主要腎臟細(xì)胞類型,主要細(xì)胞類型為以下幾種:

1. 腎小球內(nèi)皮細(xì)胞:構(gòu)成腎小球毛細(xì)血管壁的一部分,參與濾過過程。
2. 足細(xì)胞(臟層上細(xì)胞):位于腎小球基底膜的一側(cè),與內(nèi)皮細(xì)胞和基底膜共同構(gòu)成濾過屏障。
3. 腎小管上皮細(xì)胞:根據(jù)腎小管的不同部位,上皮細(xì)胞具有不同的形態(tài)和功能,參與重吸收和分泌過程。
4. 集合管細(xì)胞:負(fù)責(zé)進(jìn)一步調(diào)節(jié)尿液的組成。
5. 間質(zhì)細(xì)胞:包括成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等,構(gòu)成腎臟的支持結(jié)構(gòu)。
6. 腎小球旁器細(xì)胞:參與腎素的分泌,參與調(diào)節(jié)血壓。

 
 
圖2. 腎臟組織圖譜[1] 
 
一、不同血清型對腎臟的侵染
研究人員通過不同的給藥方式驗證了多種血清型對腎臟的侵染能力,結(jié)果表明AAV9血清型對于腎臟侵染能力最強(qiáng)。
 
Chung D C等人[2],采用輸尿管逆行注射的注射方式對比rAAV1,rAAV2,rAAV5,rAAV6,AAV6.1.2,AAV.rh8,rAAV7,rAAV8和rAAV9對于小鼠腎臟的侵染效率,發(fā)現(xiàn)rAAV8和rAAV9能夠有效地感染小鼠腎小管細(xì)胞(圖3)。

 
 
圖3. 不同血清型對腎小管的侵染[2]
 
在另一項研究中, Rocca C J 等人[3]通過腎靜脈注射,對比了rAAV5,rAAV6,rAAV8和rAAV9在小鼠腎臟中的表達(dá)情況。實驗結(jié)果表明rAAV6和rAAV8通過腎靜脈注射能夠轉(zhuǎn)染腎臟,但主要局限于腎髓質(zhì)區(qū)域,而rAAV9則能夠高效轉(zhuǎn)染腎皮質(zhì)和髓質(zhì)兩個區(qū)域(圖4)。共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn)注射rAAV9 - GFP的腎臟中近端小管和腎小球呈GFP陽性,在腎小球中,足細(xì)胞和系膜細(xì)胞中均檢測到GFP(圖5)。

 
 
圖4. 腎靜脈注射不同血清型對腎臟和其他器官的侵染[3]
 
 
圖5. AAV9侵染腎臟免疫熒光圖片[3]
 
二、腎臟特異性啟動子
腎臟中細(xì)胞結(jié)構(gòu)復(fù)雜,種類較多。在一些研究中,目的基因不需要特異性表達(dá)可以采用CMV啟動子,也可以針對不同的腎臟細(xì)胞采用對應(yīng)的特異性啟動子獲得最佳的感染效果。
 
腎小管特異性啟動子
Asico等人[4]使用輸尿管給藥的方式對比了CMV,KSPC,SGLT2,NKCC2和ECAD啟動子,在小鼠腎臟中的特異性表達(dá)情況(圖6)。結(jié)果表明:
CMV啟動子:可以在近端小管(PT)和集合管(CD)細(xì)胞中提供強(qiáng)烈的GFP表達(dá)。
KSPC啟動子:可以在整個腎小管(從近端小管到集合管)中提供基因表達(dá)。
SGLT2啟動子:可以在近端小管細(xì)胞中提供表達(dá),但不能在集合管細(xì)胞中表達(dá)。
NKCC2啟動子:在近端小管和集合管細(xì)胞中的表達(dá)都很微弱。
ECAD啟動子:僅在集合管細(xì)胞中提供表達(dá),而不能在近端小管細(xì)胞中表達(dá)[4]。

 
 
圖6. 不同啟動子在腎臟中的表達(dá)情況[4]
 
足細(xì)胞特異性啟動子
CLDN5在足細(xì)胞中的缺失導(dǎo)致WNT抑制劑WIF1的表達(dá)降低,從而激活了WNT信號通路。這種WNT信號失調(diào)導(dǎo)致了足細(xì)胞損傷、蛋白尿和小鼠糖尿病腎病和梗阻性腎病模型中的腎臟纖維化。研究人員使用NPHS1特異性啟動子病毒通過腎原位注射,在足細(xì)胞中過表達(dá)了WIF1(圖7),和對照AAV處理的突變小鼠相比,WIF1處理組的足細(xì)胞損失顯著減少[5]。

 
圖7. rAAV9-NPHS1-WIF1在腎臟表達(dá)情況[5]

腎臟上皮細(xì)胞特異性啟動子
ALDH2缺乏會加重腎損傷。為了抑制ALDH2基因在RTECs中的表達(dá),Xu, Tonghui等人[6]通過尾靜脈注射AAV9-Ksp-GFP-shALDH2病毒,發(fā)現(xiàn)CI-AKI小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的腎損傷和腎小管上皮細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn),Ksp啟動子心臟和肝臟中很少表達(dá),在腎小管上皮細(xì)胞中大量表達(dá)(圖8),說明Ksp啟動子有較強(qiáng)的腎臟上皮細(xì)胞的特異性。

 
 
圖8. AAV9-Ksp-GFP-shALDH2在腎臟表達(dá)情況[6]
 
三、腎臟不同的注射方式
選擇合適的給藥途徑是基因治療重要的因素。腎臟最常用的給藥方式為腎臟實質(zhì)注射、腎盂內(nèi)注射和輸尿管給藥。
 
哺乳動物的腎臟有過濾功能,排斥大于50KD的蛋白質(zhì),此外,腎小球內(nèi)的足細(xì)胞形成直徑僅為10nm的狹縫橫隔膜,傳統(tǒng)的AAV載體全身給藥難以在腎臟達(dá)到足夠的表達(dá)水平。為了提高病毒載體對腎臟的轉(zhuǎn)導(dǎo),除了全身給藥方式,研究人員陸續(xù)開發(fā)了多種腎臟局部給藥方法。為此,小編匯總成了表1,并將其中常用的幾種腎臟給藥方法具體步驟列在下方,以供大家參考。
 
表1:AAV腎臟給藥方法
注射方式 注射量 血清型 動物模型
尾靜脈注射[6] 5E11-1E12vg AAV9 小鼠
腎靜脈注射[3, 8] 5E10-1E12vg AAV9 小鼠
腎臟實質(zhì)注射[3, 8] 1E11vg AAV9 小鼠
腎盂內(nèi)注射[12] 1E11vg AAV9 小鼠
輸尿管給藥[2, 4] 1E11vg AAV9 小鼠
 
腎臟實質(zhì)注射:
①動物準(zhǔn)備:首先,對實驗動物進(jìn)行麻醉,并確保動物在手術(shù)過程中保持穩(wěn)定。
②剃毛和消毒:在動物的腹部進(jìn)行剃毛,并使用適當(dāng)?shù)南緞┣鍧嵠つw,以減少手術(shù)感染的風(fēng)險。
③暴露腎臟:在動物腹部做一個小切口,暴露出腎臟。
④注射準(zhǔn)備:使用適當(dāng)大小的注射針(通常為26G或30G),準(zhǔn)備含有所需AAV滴度的病毒溶液。
⑤注射操作:將注射針緩慢插入腎臟實質(zhì)中,通常在腎皮質(zhì)的多個位置進(jìn)行注射,以確保病毒分布均勻。注射體積和滴度根據(jù)實驗設(shè)計和病毒類型而定。
⑥止血和縫合:注射后,使用止血材料輕輕按壓注射點(diǎn),以幫助止血。然后,將切口分兩層縫合,即肌肉層和皮膚層。
 
經(jīng)輸尿管腎盂逆行注射:
①對C57BL/6小鼠(4-6 周齡,15-20g)進(jìn)行麻醉手術(shù),并使小鼠呈仰臥姿勢于操作臺上;
②在小鼠左腹部做一個切口并輕輕剖開,找到輸尿管遠(yuǎn)端和腎動脈并用顯微止血夾夾;
③用30G注射針刺破輸尿管,將注射針貼合于管壁并固定到位,使用6-0縫線縫合以防液體泄漏;
④將尿液輕輕吸出,將注射器替換為另一個含有約 50µL液體(含有病毒顆;騊BS)的注射器,并緩慢地將液體逆行注入輸尿管;
⑤將注射針撤出,并在注射部位的近端放置一個顯微止血夾以防液體泄漏;
⑥5min后,移去輸尿管遠(yuǎn)端、近端及腎動脈上的顯微止血夾,用6-0縫線將切口分兩層縫合。
 
腎靜脈注射:
①對C57BL/6 小鼠(4-6周齡,15-20g)進(jìn)行麻醉手術(shù),并使小鼠呈仰臥姿勢于操作臺上;
②給小鼠左腹剃毛,在小鼠左腹部做一個切口,暴露左腎及腎蒂,并將腎靜脈從腎蒂中游離;
③用顯微止血夾夾住腎靜脈遠(yuǎn)端以阻止病毒原液流出腎臟;
④用30G注射針刺入左腎靜脈近端,將50µL液體(含有病毒顆;騊BS)注入腎靜脈;
⑤5min后,拔出注射針,移去顯微止血夾并壓迫止血片刻,將切口分兩層縫合。
 
經(jīng)腎實質(zhì)腎盂注射:
①對C57BL/6 小鼠(4-6周齡,15-20g)進(jìn)行麻醉手術(shù),并使小鼠呈仰臥姿勢于操作臺上;
②對小鼠左腹進(jìn)行剃毛處理,切開一個2cm的切口暴露左腎和輸尿管,并將周圍器官和脂肪輕輕分開;
③用顯微止血夾夾住輸尿管上段以阻止病毒原液下流至膀胱;
④用30G注射針刺入左腎中極的腎盂(注意注射針頭不應(yīng)刺穿腎盂),將50µL液體(含病毒顆;騊BS)注入腎盂。
⑤5min后移去顯微止血夾,將切口分兩層縫合。

References
 [1]. Lake, B.B., et al., An atlas of healthy and injured cell states and niches in the human kidney. Nature, 2023.
 [2]. Chung, D.C., et al., Adeno-Associated Virus-Mediated Gene Transfer to Renal Tubule Cells via a Retrograde Ureteral Approach. Nephron Extra, 2011. 1(1): p. 217-223.
 [3]. Rocca, C.J., et al., rAAV9 combined with renal vein injection is optimal for kidney-targeted gene delivery: conclusion of a comparative study. Gene Therapy, 2014. 21(6): p. 618-628.
 [4]. Asico, et al., Nephron segment-specific gene expression using AAV vectors. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2018. 497(1): p. 19-24.
 [5]. Yan, J., et al., Loss of CLDN5 in podocytes deregulates WIF1 to activate WNT signaling and contributes to kidney disease. 2021.
 [6]. Xu, T., et al., Aldehyde Dehydrogenase 2 Protects Against Acute Kidney Injury by Regulating Autophagy via PI3KC3/Beclin-1 Pathway. SSRN Electronic Journal, 2020.
 [7]. Stephanie Schievenbusch, I.S.M.S., Combined Paracrine and Endocrine AAV9‑mediated Expression of Hepatocyte Growth Factor for the Treatment of Renal Fibrosis. Molecular Therapy, 2010.
 [8]. Peng Wang, M.L.E.S., Long noncoding RNA lnc-TSI inhibits renal fibrogenesis by negatively regulating the TGF-β/Smad3 pathway. Sci. Transl. Med, 2018.
 [9]. Jing, X., et al., Gene deficiency or pharmacological inhibition of PDCD4-mediated FGR signaling protects against acute kidney injury. 藥學(xué)學(xué)報:英文版, 2021(002): p. 000.
[10]. Yan, et al., Comparison of the transduction efficiency of tyrosine-mutant adeno-associated virus serotype vectors in kidney. Clinical & Experimental Pharmacology & Physiology, 2013.
[11]. Chen, Q.Q., et al., Neuraminidase 1 promotes renal fibrosis development in male mice. Nature Communications, 2023. 14(1).
[12]. Wei Zhou, M.C.H.L., Dihydroartemisinin suppresses renal fibrosis in mice by inhibiting DNA-methyltransferase 1 and increasing Klotho. 中國藥理學(xué)報:英文版, 2022(10): p. 2609-2623.
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