Optimierung und Charakterisierung des lentiviralen Gentransfers in humanen mesenchymalen Stammzellen:
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2008
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adam_text | Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung i
Abstract m
Inhaltsverzeichnis v
1 l-inlcitung I
1 I Die mesenchymale Stammzelle (MSC) I
111 I Einleitung I
112 Definition 4
113 Die mesenchymale Stammzcllnische 5
114 Eigenschaften von MSCs 5
114 1 Potential der Selbsterncuerung 6
1142 Differenzierungspotential 6
1 I 4.3 Oberflächenmarker 7
1.1 4 4 Subpopulationen von MSCs 8
115 Aufgabe und Funktion von mesenchymalen Stammzellen 9
116 Die Möglichkeiten von hMSCs in der Zeil- und Gentherapie 9
1 2 Gentransfer 11
12 1 Ex vivo - in vivo Gentransfer 12
122 Regulierte Transgenexpression (Tet-System) 13
123 Nicht virale Methoden 15
124 Virale Methoden 16
13 I.entivirale Vektoren zum Gentransfer in Zellen 19
13 I Gentransler in MSCs mittels lcntiviralcn Vektoren 20
132 Humanes Immundefizienzvirus (HIV) 20
132 1 Morphologie von HIV-I Virionen 22
1322 Molekularbiologie von HIV-I 22
1323 Replikationszyklus von HIV-I 33
1 4 Zielsetzung der Arbeit 37
2 Material und Methoden 39
2 1 Material 39
2 1 I Das ViraPower™ lentivirale Hxpressionssystem 39
Inhaltsverzeichnis vi
2.1.1.1 Sicherheitskonzept des ViraPower™ lentiviralen Systems 39
2.1.1.2 Komponenten des ViraPower™ lentiviralen Systems 41
2.1.1.3 Herstellung der Lentiviren und Transduktion der Zielzellen 45
2.1.2 Chemikalien 48
2.1.3 Lösungen und Puffer 49
2.1.4 Medien und Zusätze für Bakterienkultur 51
2.1.5 Medien und Zusätze für Zellkultur 52
2.1.6 Kits 54
2.1.7 Enzyme 54
2.1.8 Antikörper 54
2.1.9 Marker und Standards 55
2.1.10 Oligonukleotide 55
2.1.11 Bakterienstämme 56
2.1.12 Eukaryote Zellen und Zelllinien 57
2.1.13 Plasmide 57
2.1.14 Laborgeräte 59
2.1.15 Verbrauchsmateri al 61
2.1.16 Zusätzliches Material 62
2.1.17 Computerprogramme und Web tools 62
2.2 Methoden 62
2.2.1 Mikrobiologische Methoden 62
2.2.1.1 Kultivierung von E. coli 62
2.2.2 Molekularbiologische Methoden 63
2.2.2.1 Transformation kompetenter E. coli 63
2.2.2.2 Isolierung und Reinigung von DNA 63
2.2.2.3 Sequenzanalyse von DNA 66
2.2.2.4 Isolierung und Reinigung von RNA 66
2.2 2.5 Enzymatische Modifikation von DNA 67
2.2.2.6 PCR Methoden 70
2.2.3 Zellkulturmethoden 73
2 2.3.1 Kultivierung von humanen Zellen 74
2.2.3.2 Passagieren von Zellen 75
Inhaltsverzeichnis vii
2.2.3.3 Zellzählung mittels Neubauer Zahlkammer 75
2.2.3.4 Kryokonservierung und Auftauen von Zellen 76
2.2.3.5 Differenzierung von hMSCs 76
2.2.3.6 Transfektion 77
2.2.4 Virologische Methoden 77
2.2.4.1 Herstellung der lentiviralen Vektoren 78
2.2.4.2 Transduktion der Zielzellen 78
2.2.4.3 Titration 79
2.2.5 Fluoreszenz Durchflußzytometrie (FACS) 79
2.2.6 Immunoassays 80
2.2.7 Proteinchemische Methoden 80
2.2.7.1 Proteinisolation 80
2.2.7.2 Bestimmung der Proteinkonzentration 81
2.2.7.3 SDS-Polyacrylamidgel Elektrophorese (PAGE) 81
2.2.7.4 Gelfarbung nach Fairbanks 81
2.2.7.5 Immunoblotting (Western Blot) 82
2.2.7.6 Ablösen gebundener Antikörper (Stripping) 83
2.2.8 Histologische Methoden 83
2.2.8.1 Anfertigung von Kryoschnitten 83
2.2.8.2 Von Kossa Färbung 83
2.2.8.3 Oil Red O Färbung 83
2.2.8.4 Toluidinblau Färbung 84
2.2.9 Statistik 84
3 Ergebnisse 85
3.1 Herstellung der lentiviralen Expressionsvektoren und pLPl/2 85
3.1.1 Klonierung der Negativkontrolle pLenti6/V5-mock 85
3.1.2 Klonierung des EGFP Expressionsvektor pLenti6/V5+EGFP 87
3.1.3 Klonierung des promotorlosen Zielvektor pLenti6/V5ACMV 88
3.1.4 Klonierung des Tet-On-Expressionsvektors pLenti6V5+rtTA 89
3.1.5 Klonierung des selbstregulierten Tet-ON-EGFP-Expressionsvektor 90
3.1.6 Klonierung von pLPl/2 94
3.2 Vergleich verschiedener Verpackungssysteme 95
Inhaltsverzeichnis viii
3.3 Optimierung der lentiviralen Transduktionseffizienz in hMSCs 97
3.4 Optimierung der Ausbeute transgener hMSCs 99
3.5 Vergleich von hMSCs verschiedener Spender 102
3.6 Tetrazyclin-regulierte Transgenexpression 103
3.7 Nachweis viraler Antigene nach der Transduktion 104
3.8 Virustiterbestimmung durch Quantifizierung der Transgenexpression 105
3.9 Differenzierung lentiviral transduzierter hMSCs 109
4 Diskussion 111
Anhang 122
Abbildungsverzeichnis 142
Tabellenverzeichnis 143
Abkürzungsverzeichnis 144
Literaturverzeichnis 148
Danksagung 163
Erklärung 164
Lebenslauf 165
Abbildungsverzeichnis __ 142
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Plastizität (Differenzierung) von mesenchymalen Stammzellen. 7
Abbildung 2: Phasenkontrastaufnahmen der Subpopulationen von hMSCs. 9
Abbildung 3: Die Tet-Off und Tet-On Systeme. 14
Abbildung 4: Morphologie und Genomstruktur von HIV-1. 24
Abbildung 5: Replikationszyklus von HIV-1. 36
Abbildung 6: Plasmidkarte von pLenti6/V5-DEST (Invitrogen 2006a). 41
Abbildung 7: Plasmidkarte von pLPl (Invitrogen 2006b). 43
Abbildung 8: Plasmidkarte von pLP2 (Invitrogen 2006b). 43
Abbildung 9: Plasmidkarte von pLP/VSVG (Invitrogen 2006b). 44
Abbildung 10: Schematische Darstellung der Virusproduktion und der Transduktion. 47
Abbildung 11: Die Gateway LR Klonierung. 70
Abbildung 12: Plasmidkarten der Expressions- und Verpackungsplasmide. 85
Abbildung 13: Kontrollverdau der Klonierung der lentiviralen Negativkontrolle. 86
Abbildung 14: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5+EGFP-Plasmids. 88
Abbildung 15: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5ACMV-Plasmids. 89
Abbildung 16: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5+rtTA-P!asmids. 90
Abbildung 17: Klonierung des selbstregulierten Tet-ON-EGFP-Expressionsvektor. 93
Abbildung 18: Kontrollverdau der Klonierung des pLPl/2-Plasmids. 95
Abbildung 19: Vergleich verschiedener Verpackungssysteme auf Proteinebene. 96
Abbildung 20: Vergleich verschiedener Verpackungssysteme auf RNA-Ebene. 97
Abbildung 21: Effekt von Polybrene auf die Transduktionseffizienz auf Proteinebene. 98
Abbildung 22: Effekt von Polybrene auf die Transduktionseffizienz auf RNA-Ebene. 99
Abbildung 23: Effekt von Blasticidin auf die transgenen Zellen. 100
Abbildung 24: Effekt der Blasticidinselektion auf die transgenen Zellpopulationen. 101
Abbildung 25: Vergleich der Transgenexpression von hMSCs verschiedener Spender. 102
Abbildung 26: Tetrazyclin-regulierte Expression. 104
Abbildung 27: Anti-p24 ELISA. 105
Abbildung 28: Bestimmung des Virustiters mit qRT-PCR 107
Abbildung 29: Titration verschiedener Viruspräparationen. 108
Abbildung 30: Differenzierungsfähigkeit von lentiviral transduzierten hMSCs. 110
1
Tabellenverzeichnis 143
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften viraler Vektoren für die Gentherapie. 18
Tabelle 2: Merkmale von pLenti6V5-DEST. 41
Tabelle 3: Merkmale von pLP 1. 43
Tabelle 4: Merkmale von pLP2. 44
Tabelle 5: Merkmale von pLP/VSVG. 44
Tabelle 6: Primer für PCR. 55
Tabelle 7: PCR-Ansätze. 72
Tabelle 8: Programmierung des PCR Thermocyclers. 72
Tabelle 9: Zusammensetzung der SDS-PAGE Gele 81
|
adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung i
Abstract m
Inhaltsverzeichnis v
1 l-inlcitung I
1 I Die mesenchymale Stammzelle (MSC) I
111 I Einleitung I
112 Definition 4
113 Die mesenchymale Stammzcllnische 5
114 Eigenschaften von MSCs 5
114 1 Potential der Selbsterncuerung 6
1142 Differenzierungspotential 6
1 I 4.3 Oberflächenmarker 7
1.1 4 4 Subpopulationen von MSCs 8
115 Aufgabe und Funktion von mesenchymalen Stammzellen 9
116 Die Möglichkeiten von hMSCs in der Zeil- und Gentherapie 9
1 2 Gentransfer 11
12 1 Ex vivo - in vivo Gentransfer 12
122 Regulierte Transgenexpression (Tet-System) 13
123 Nicht virale Methoden 15
124 Virale Methoden 16
13 I.entivirale Vektoren zum Gentransfer in Zellen 19
13 I Gentransler in MSCs mittels lcntiviralcn Vektoren 20
132 Humanes Immundefizienzvirus (HIV) 20
132 1 Morphologie von HIV-I Virionen 22
1322 Molekularbiologie von HIV-I 22
1323 Replikationszyklus von HIV-I 33
1 4 Zielsetzung der Arbeit 37
2 Material und Methoden 39
2 1 Material 39
2 1 I Das ViraPower™ lentivirale Hxpressionssystem 39
Inhaltsverzeichnis vi
2.1.1.1 Sicherheitskonzept des ViraPower™ lentiviralen Systems 39
2.1.1.2 Komponenten des ViraPower™ lentiviralen Systems 41
2.1.1.3 Herstellung der Lentiviren und Transduktion der Zielzellen 45
2.1.2 Chemikalien 48
2.1.3 Lösungen und Puffer 49
2.1.4 Medien und Zusätze für Bakterienkultur 51
2.1.5 Medien und Zusätze für Zellkultur 52
2.1.6 Kits 54
2.1.7 Enzyme 54
2.1.8 Antikörper 54
2.1.9 Marker und Standards 55
2.1.10 Oligonukleotide 55
2.1.11 Bakterienstämme 56
2.1.12 Eukaryote Zellen und Zelllinien 57
2.1.13 Plasmide 57
2.1.14 Laborgeräte 59
2.1.15 Verbrauchsmateri al 61
2.1.16 Zusätzliches Material 62
2.1.17 Computerprogramme und Web tools 62
2.2 Methoden 62
2.2.1 Mikrobiologische Methoden 62
2.2.1.1 Kultivierung von E. coli 62
2.2.2 Molekularbiologische Methoden 63
2.2.2.1 Transformation kompetenter E. coli 63
2.2.2.2 Isolierung und Reinigung von DNA 63
2.2.2.3 Sequenzanalyse von DNA 66
2.2.2.4 Isolierung und Reinigung von RNA 66
2.2 2.5 Enzymatische Modifikation von DNA 67
2.2.2.6 PCR Methoden 70
2.2.3 Zellkulturmethoden 73
2 2.3.1 Kultivierung von humanen Zellen 74
2.2.3.2 Passagieren von Zellen 75
Inhaltsverzeichnis vii
2.2.3.3 Zellzählung mittels Neubauer Zahlkammer 75
2.2.3.4 Kryokonservierung und Auftauen von Zellen 76
2.2.3.5 Differenzierung von hMSCs 76
2.2.3.6 Transfektion 77
2.2.4 Virologische Methoden 77
2.2.4.1 Herstellung der lentiviralen Vektoren 78
2.2.4.2 Transduktion der Zielzellen 78
2.2.4.3 Titration 79
2.2.5 Fluoreszenz Durchflußzytometrie (FACS) 79
2.2.6 Immunoassays 80
2.2.7 Proteinchemische Methoden 80
2.2.7.1 Proteinisolation 80
2.2.7.2 Bestimmung der Proteinkonzentration 81
2.2.7.3 SDS-Polyacrylamidgel Elektrophorese (PAGE) 81
2.2.7.4 Gelfarbung nach Fairbanks 81
2.2.7.5 Immunoblotting (Western Blot) 82
2.2.7.6 Ablösen gebundener Antikörper (Stripping) 83
2.2.8 Histologische Methoden 83
2.2.8.1 Anfertigung von Kryoschnitten 83
2.2.8.2 Von Kossa Färbung 83
2.2.8.3 Oil Red O Färbung 83
2.2.8.4 Toluidinblau Färbung 84
2.2.9 Statistik 84
3 Ergebnisse 85
3.1 Herstellung der lentiviralen Expressionsvektoren und pLPl/2 85
3.1.1 Klonierung der Negativkontrolle pLenti6/V5-mock 85
3.1.2 Klonierung des EGFP Expressionsvektor pLenti6/V5+EGFP 87
3.1.3 Klonierung des promotorlosen Zielvektor pLenti6/V5ACMV 88
3.1.4 Klonierung des Tet-On-Expressionsvektors pLenti6V5+rtTA 89
3.1.5 Klonierung des selbstregulierten Tet-ON-EGFP-Expressionsvektor 90
3.1.6 Klonierung von pLPl/2 94
3.2 Vergleich verschiedener Verpackungssysteme 95
Inhaltsverzeichnis viii
3.3 Optimierung der lentiviralen Transduktionseffizienz in hMSCs 97
3.4 Optimierung der Ausbeute transgener hMSCs 99
3.5 Vergleich von hMSCs verschiedener Spender 102
3.6 Tetrazyclin-regulierte Transgenexpression 103
3.7 Nachweis viraler Antigene nach der Transduktion 104
3.8 Virustiterbestimmung durch Quantifizierung der Transgenexpression 105
3.9 Differenzierung lentiviral transduzierter hMSCs 109
4 Diskussion 111
Anhang 122
Abbildungsverzeichnis 142
Tabellenverzeichnis 143
Abkürzungsverzeichnis 144
Literaturverzeichnis 148
Danksagung 163
Erklärung 164
Lebenslauf 165
Abbildungsverzeichnis _ 142
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Plastizität (Differenzierung) von mesenchymalen Stammzellen. 7
Abbildung 2: Phasenkontrastaufnahmen der Subpopulationen von hMSCs. 9
Abbildung 3: Die Tet-Off und Tet-On Systeme. 14
Abbildung 4: Morphologie und Genomstruktur von HIV-1. 24
Abbildung 5: Replikationszyklus von HIV-1. 36
Abbildung 6: Plasmidkarte von pLenti6/V5-DEST (Invitrogen 2006a). 41
Abbildung 7: Plasmidkarte von pLPl (Invitrogen 2006b). 43
Abbildung 8: Plasmidkarte von pLP2 (Invitrogen 2006b). 43
Abbildung 9: Plasmidkarte von pLP/VSVG (Invitrogen 2006b). 44
Abbildung 10: Schematische Darstellung der Virusproduktion und der Transduktion. 47
Abbildung 11: Die Gateway LR Klonierung. 70
Abbildung 12: Plasmidkarten der Expressions- und Verpackungsplasmide. 85
Abbildung 13: Kontrollverdau der Klonierung der lentiviralen Negativkontrolle. 86
Abbildung 14: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5+EGFP-Plasmids. 88
Abbildung 15: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5ACMV-Plasmids. 89
Abbildung 16: Kontrollverdau der Klonierung des pLenti6/V5+rtTA-P!asmids. 90
Abbildung 17: Klonierung des selbstregulierten Tet-ON-EGFP-Expressionsvektor. 93
Abbildung 18: Kontrollverdau der Klonierung des pLPl/2-Plasmids. 95
Abbildung 19: Vergleich verschiedener Verpackungssysteme auf Proteinebene. 96
Abbildung 20: Vergleich verschiedener Verpackungssysteme auf RNA-Ebene. 97
Abbildung 21: Effekt von Polybrene auf die Transduktionseffizienz auf Proteinebene. 98
Abbildung 22: Effekt von Polybrene auf die Transduktionseffizienz auf RNA-Ebene. 99
Abbildung 23: Effekt von Blasticidin auf die transgenen Zellen. 100
Abbildung 24: Effekt der Blasticidinselektion auf die transgenen Zellpopulationen. 101
Abbildung 25: Vergleich der Transgenexpression von hMSCs verschiedener Spender. 102
Abbildung 26: Tetrazyclin-regulierte Expression. 104
Abbildung 27: Anti-p24 ELISA. 105
Abbildung 28: Bestimmung des Virustiters mit qRT-PCR 107
Abbildung 29: Titration verschiedener Viruspräparationen. 108
Abbildung 30: Differenzierungsfähigkeit von lentiviral transduzierten hMSCs. 110
1
Tabellenverzeichnis 143
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften viraler Vektoren für die Gentherapie. 18
Tabelle 2: Merkmale von pLenti6V5-DEST. 41
Tabelle 3: Merkmale von pLP 1. 43
Tabelle 4: Merkmale von pLP2. 44
Tabelle 5: Merkmale von pLP/VSVG. 44
Tabelle 6: Primer für PCR. 55
Tabelle 7: PCR-Ansätze. 72
Tabelle 8: Programmierung des PCR Thermocyclers. 72
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