把类器官与色素上皮放在同一芯片

眼部基因治疗需要把基因递送到适当的细胞,并维持足够的表达。德国图宾根大学(University of Tübingen)与勃林格殷格翰(Boehringer Ingelheim)等机构在 Stem Cell Reports 报道,以视网膜芯片比较腺相关病毒(AAV)载体的转导效率、表达时间和细胞选择性。

模型将人诱导多能干细胞(iPSC)形成的视网膜类器官,与同来源的视网膜色素上皮细胞结合。芯片有 4 个组织孔,色素上皮先在多孔膜上培养 14 天,再加入类器官及透明质酸水凝胶。底部通道持续供液,上方组织孔保留载体,构成接近视网膜下给药的暴露方式。

组织孔的容积为 27 μL。研究在只有色素上皮的芯片中检查屏障:24 小时流出液中的 AAV 少于初始剂量的 1%,连续供液 6 天后,上方溶液仍可检测到约 7% 的病毒颗粒。水凝胶没有明显改变载体保留或屏障完整性,却降低了色素上皮的转导程度。

发育阶段改变表达与组织损伤

进入芯片前,研究先在培养板中比较 AAV2、AAV9、ShH10 和 AAV2.7m8。各载体携带同一类增强型绿色荧光蛋白报告构建体,使荧光强度能够用于观察转基因表达。类器官分别为分化第 80 天和第 300 天,载体暴露 1–3 天后换液,继续观察至第 7 天。

AAV2.7m8 在两个发育阶段中均产生最强的总体信号,ShH10 也有明显表达,AAV9 的信号接近检测下限。将载体暴露从 1 天延长至 3 天,并未显著改变第 7 天的总体荧光强度。

组织状态却受到发育阶段和暴露时间的影响。部分高效转导载体使第 80 天类器官缩小并出现结构紊乱;AAV2.7m8 组还观察到细胞死亡、凋亡增加和 Ki67 增殖信号下降。第 300 天类器官在相同观察中没有出现明显形态损伤。表达强度与组织损伤因此作为两个指标分别评估。

芯片同时记录剂量反应和细胞类型

芯片测试使用第 80、200 和 300 天的类器官,剂量为每孔 10⁸、10⁹ 或 10¹⁰ 个载体基因组,在给药后第 3 和第 7 天成像。AAV2.7m8 和 ShH10 的表达均强于 AAV2 与 AAV9,荧光随剂量增加,类器官区与色素上皮区的信号分别定量。

研究随后将荧光与细胞类型标志共染,观察哪些细胞被载体转导。第 200 天类器官中的视杆细胞、视锥细胞和 Müller 胶质细胞,均可被 4 种载体转导;第 80 天模型又用于观察神经节细胞。部分无长突细胞和水平细胞的转导较弱,双极细胞因染色信号质量有限没有作定量。

ShH10 在啮齿类实验中偏向 Müller 胶质细胞,在本研究的人源模型中则同时进入多种视网膜细胞,包括光感受器和色素上皮。这一差别说明,载体筛选需要在实际目标细胞组成下观察转导分布。

视网膜芯片的组织装载与给药方式,以及不同载体、剂量和类器官发育阶段的表达比较。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

视网膜芯片的组织装载与给药方式,以及不同载体、剂量和类器官发育阶段的表达比较。(Achberger K et al. / Stem Cell Reports, 2021, fig3;CC BY 4.0;NLM/PMC)

新增载体与长期表达能够在平台内比较

团队进一步测试 AAV2.NN 和 AAV2.GL 两种新衣壳,并以 AAV2.7m8 作同批参照。AAV2.NN 在类器官区和色素上皮区产生的荧光更强,AAV2.GL 与 AAV2.7m8 相近。两种新载体都有效转导第 300 天类器官的视杆、视锥及 Müller 胶质细胞。

长期实验另比较单链基因组包装的 AAV8、AAV2 和 AAV2.7m8,在第 3、7、14 和 21 天记录表达。AAV8 的信号从第 7 天开始较强,并持续上升;另两种单链载体起效较慢、信号较弱。芯片的连续供液使组织孔能够保留载体并延长观察。

这些实验均使用同一健康供者来源的 iPSC。芯片每个组织孔作为一个测量单位,部分比较来自同一块芯片的 3 个孔,芯片运行未重复开展。作者将供者间差异、免疫成分和进一步模拟玻璃体内给药列为后续改进方向。

来源与延伸阅读

  1. Human stem cell-based retina on chip as new translational model for validation of AAV retinal gene therapy vectors. Stem Cell Reports (2021). ↗

相关报道与知识