Трансфекція

Трансфекція — процес введення нуклеїнових кислот в еукаріотичні клітини . Це може також стосуватися схожих методів для інших типів клітин: " трансформація " зазвичай використовується для опису невірусної передачі ДНК бактерій та не тваринних еукаріотичних клітин, в тому числі, клітини рослин. Трансдукція часто використовується для опису опосередкованого вірусом, переносу гену в еукаріотичні клітини.

Трансфекція тваринних клітин, як правило, передбачає внесення змін до структури клітинної мембрани, щоб забезпечити можливість отримання генетичного матеріалу. Трансфекцію можна здійснювати за допомогою фосфату кальцію (або трикальційфосфату), електропорацією, використанням катіонного ліпіду для отримання ліпосом, які зливаються з клітинною мембраною клітин-мішеней та переносять свій вантаж (генетичний матеріал) всередину.

Трансфекція може призвести до несподіваних морфологічних змін та відхилень у клітин-мішеней.

Термінологія

Значення терміну еволюціонувало. Первісне значення трансфекції полягало в «зараженні шляхом трансформації», тобто введення генетичного матеріалу, ДНК або РНК, із вірусу, що заражає прокаріот або бактеріофага, в клітини, внаслідок чого відбувається інфекція. Оскільки термін трансформація мав інший сенс у біології тваринних клітин (генетична зміна, що дозволяє довгострокове розповсюдження в культурі, або придбання властивостей, характерних для ракових клітин), термін трансфекція, введений для тваринних кілтин, означає зміни клітиних властивості, викликані введенням ДНК.

Методи

Існують різні методи введення чужорідної ДНК в еукаріотичну клітину: в основу деяких покладений фізичний вплив на мембрану клітини-мішені (електропорація, видавлювання клітин, наночастинки, магнітофекція); в основі інших — лежить взаємодія з хімічними сполуками чи вірусами), які використовуються як носії генетичної інформації. Наприклад, доставка генів є одним із етапів, необхідних для генної терапії та генетичної модифікації культур. Існує багато різних методів доставки генів для різних типів клітин і тканин, від бактеріальних до ссавців. Зазвичай методи можна розділити на дві категорії: невірусні та вірусні.

Невірусні методи включають різноманітні способи фізичного впливу на клітуну-мішень, такі як електропорація, мікроін'єкція, генна гармата, дефектологія, гідростатичний тиск, безперервна інфузія, а також використання ультразвуку та хімічних сполук, таких як ліпофекція, що є ліпідно-опосередкованим процесом трансфекції ДНК з використанням ліпосомних векторів. Вони також можуть включати використання полімерних геноносіїв (поліплексів).

Вірус-опосередкована доставка генів, використовує здатність вірусу вводити свою ДНК всередину клітини-мішені. Ген, призначений для доставки, упаковується у вірусну частинку з обмеженою реплікацією. Віруси, які використовуються на сьогоднішні: ретровірус, лентивірус, аденовірус, адено-асоційований вірус та вірус простого герпесу . Однак існують певні недоліки використання вірусів для доставки генів у клітини. Віруси можуть доставляти в клітини лише дуже маленькі шматочки ДНК, це трудомістко і є ризики нетаргетного введення, цитопатичного впливу та мутагенезу.

Невірусні методи

Трансфекція з використанням хімічних сполук

Трансфекцію на основі хімічних речовин можна розділити на кілька видів: циклодекстрин, полімери, ліпосоми або наночастинки (з хімічною або вірусною функціоналізацією або без неї. Дивіться нижче).

• Одним з найдешевших методів є використання фосфату кальцію, вперше описаного Ф. Л. Гремом та А. Дж. Ван дер Ебом у 1973 р. (див. Також). Сольовий розчин, з використанням буферного агенту HEPES (HeBS), що містить іони фосфату, поєднують з розчином хлориду кальцію, що містить ДНК, яка підлягає трансфекції. Після їх поєднання, утворюється дрібний осад позитивно зарядженого кальцію та негативно зарядженого фосфату, зв'язуючи ДНК, яка буде локалізована на його поверхні. Потім суспензію осаду додають до клітин, які підлягають трансфекції (зазвичай це культура клітин, вирощена в моношарі). Осад потрапляє до клітин-мішеней, разом з ним доставляється і ДНК. На сьогодні конкретні механізми потрапляння осаду та ДНК до клітин-мішеней не є до кінця зрозумілими. Завдяки використанню даного методу було здійснена ідентифікація багатьох онкогенів.
• Інші методи використовують високорозгалужені органічні сполуки, так звані дендримери, щоб зв'язати ДНК і доставити її в клітину-мішень.
• Іншим методом є використання катіонних полімерів, таких як DEAE-декстран або поліетиленімін (PEI). Негативно заряджена ДНК зв'язується з (поліелектролітом,) а їх комплекс захоплюється клітиною за допомогою ендоцитозу .
• Ліпофекція (або ліпосомна трансфекція) — це техніка, що застосовується для введення генетичного матеріалу в клітину за допомогою ліпосом, які є везикулами, що легко зливаються з клітинною мембраною, оскільки вони побудовані з ліпідного бішару . Ліпофекція зазвичай використовує позитивно заряджений (катіонний) ліпід (катіонні ліпосоми або суміші) для формування агрегату з негативно зарядженим (аніонним) генетичним матеріалом. Ця технологія трансфекції реалізує ті ж цілі, що й інші біохімічні підходи з використанням полімерів, DEAE-декстрану, фосфату кальцію та електропорації . Ефективність ліпофекції можна підвищити, для цього використовують тепловий шок.
• Fugene — це серія широко використовуваних фірмових неліпосомних реагентів для трансфекції, здатних безпосередньо заразити широкий спектр клітин з високою ефективністю та низькою токсичністю.

Нехімічні методи

Електропоратор з квадратними хвилями та експонентними формами розпаду для in vitro та in vivo культур клітин та 96-лункових застосувань для електропорації. Виробник BTX Гарвардський апарат, Holliston MA, США.

• Електропорація (генний електротрансфер) — популярний метод, де тимчасове підвищення проникності клітинної мембрани досягається завдяки впливу на клітину короткими імульсами електричного поля.
• Cell squeezing — це метод, описаний у 2012 році Армоном Шареєм, Робертом Лангер та Клавсом Дженсеном у MIT. Це дозволяє доставляти молекули в клітини через деформацію клітинної мембрани. Представляє собою мікрофлюїдну платформу з високою пропускною здатністю для внутрішньоклітинної доставки. Це знижує ймовірність токсичності або нецільового впливу, оскільки не покладається на екзогенні матеріали чи електричні поля.
• Сонопорація використовує ультразвук високої інтенсивності для утворення пор в мембранах клітин. Явище утворення пор пояснюється головним чином кавітацією газових бульбашок, що взаємодіють із сусідніми клітинними мембранами.
• Оптична трансфекція — метод, який використовує крихітний (~ 1 мікрометр) за діаметром отвір в мембрані клітини-мішені, який утворюється завдяки впливу на мембрану сфокусованим лазерним променем. Цю методику вперше описали у 1984 році Tsukakoshi та ін. У цій техніці обробляється одна клітина за раз, що робить її особливо корисною для аналізу одиночних клітин.
• Злиття протопластів — це техніка, у якій трансформовані бактеріальні клітини обробляються лізоцимом з метою видалення клітинної стінки. Після цього фузогенні агенти (наприклад, вірус Сендая, PEG, електропорація) використовуються для злиття протопласта, що несе ген інтересу, з цільовою клітиною-мішенню. Основним недоліком цього методу є те, що бактеріальні компоненти також можуть неспецифічно потрапляти до клітини-мішені.
•  — це метод введення ДНК, зв'язаної з поверхнею нановолокон, які переносяться в клітину-мішень. Цей підхід також може бути реалізований з масивами нановолокон, які вводяться у велику кількість клітин.
• Гідродинамічна доставка — це метод, який застосовують в більшості випадків для мишей та щурів, але меншою мірою для великих тварин, при якому ДНК, найчастіше у плазмідах (включаючи транспозони), може бути доставлена до печінки за допомогою гідродинамічної ін'єкції, яка передбачає швидке вливання порівняно великого об'єму в кров'яне русло; майже вся ДНК введена з використанням такого підходу експресується в печінці.

Методи на основі частинок

• Ще одним підходом до трансфекції є генна гармата, де ДНК приєднується до наночастинки (інертної) твердої речовини (зазвичай золота), яке потім «вистрілюється» безпосередньо в ядро клітини-мішені.
• , або , — це метод трансфекції, який використовує магнітну силу для доставки ДНК у клітини-мішені. Нуклеїнові кислоти спочатку асоціюються з магнітними наночастинками. Далі з використання магнітного поля часточки доставляється до клітин-мішеней.
• Інший метод трансфекції на основі частинок відомий як обстріл частинками. Нуклеїнова кислота доставляється завдяки проникнення мембрани з великою швидкістю, як правило, з'єднана з мікроносіями.

Інші (та гібридні) методи

Інші способи трансфекції включають , ефективність якої було показано при трансфекції , створивши життєздатну клітинну лінію, яку вдалося диференціювати на зрілі макрофаги, та тепловий шок .

Вірусні методи

ДНК також може бути доставлено до клітин-мішеней з використаннямвірусів як носії. У таких випадках методику називають вірусною трансдукцією, і клітини називають трансдукованими. Аденовірусні вектори можуть бути корисними для вірусних методів трансфекції, оскільки вони можуть переносити гени в найрізноманітніші клітини людини і мають високу швидкість передачі.

Стабільна і перехідна трансфекція

Стабільна і перехідна трансфекція відрізняється своєю тривалістю ефекту на клітину-мішень; стабільно трансфікована клітина буде постійно експресувати трансфіковану ДНК і передавати її дочірнім клітинам, тоді як перехідно-трансфікована клітина протягом короткого часу експресуватиме трансфіковану ДНК і не передаватиме її дочірнім клітинам.

Для деяких застосувань трансфекції достатньо, якщо трансфікований генетичний матеріал експресується лише тимчасово. Оскільки ДНК, що вводиться в процесі трансфекції, зазвичай не інтегрується в ядерний геном, чужорідна ДНК буде втрачена в процесі мітозу або деградує.

Примітки

1. MeSH Transfection
2. . Protocols and Applications Guide. Promega. Архів оригіналу за 25 червня 2014. Процитовано 17 січня 2020.
3. MeSH Genetic Transduction, Genetic
4. "" на вебсайті Dorland's Medical Dictionary
5. Kamimura K, Suda T, Zhang G, Liu D (October 2011). . Pharmaceutical Medicine. 25 (5): 293—306. doi:10.1007/bf03256872. PMC 3245684. PMID 22200988. Архів оригіналу за 25 жовтня 2011. Процитовано 17 січня 2020.
6. Saul JM, Linnes MP, Ratner BD, Giachelli CM, Pun SH (November 2007). Delivery of non-viral gene carriers from sphere-templated fibrin scaffolds for sustained transgene expression. Biomaterials. 28 (31): 4705—16. doi:10.1016/j.biomaterials.2007.07.026. PMID 17675152.
7. Menuel S, Fontanay S, Clarot I, Duval RE, Diez L, Marsura A (December 2008). Synthesis and complexation ability of a novel bis- (guanidinium)-tetrakis-(beta-cyclodextrin) dendrimeric tetrapod as a potential gene delivery (DNA and siRNA) system. Study of cellular siRNA transfection. (Bioconjugate Chemistry). 19 (12): 2357—62. doi:10.1021/bc800193p. PMID 19053312.
8. Fischer D, von Harpe A, Kunath K, Petersen H, Li Y, Kissel T (2002). Copolymers of ethylene imine and N-(2-hydroxyethyl)-ethylene imine as tools to study effects of polymer structure on physicochemical and biological properties of DNA complexes. Bioconjugate Chemistry. 13 (5): 1124—33. doi:10.1021/bc025550w. PMID 12236795.
9. Nanoparticle Based Transfection Reagents. Biology Transfection Research Resource. Transfection.ws. Архів оригіналу за 21 квітня 2013. Процитовано 17 січня 2020.
10. Graham FL, van der Eb AJ (April 1973). A new technique for the assay of infectivity of human adenovirus 5 DNA. Virology. 52 (2): 456—67. doi:10.1016/0042-6822(73)90341-3. PMID 4705382.
11. Bacchetti S, Graham FL (April 1977). Transfer of the gene for thymidine kinase to thymidine kinase-deficient human cells by purified herpes simplex viral DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (4): 1590—4. Bibcode:1977PNAS...74.1590B. doi:10.1073/pnas.74.4.1590. PMC 430836. PMID 193108.
12. Kriegler, Michael (1991). Transfer and Expression: A Laboratory Manual. W. H. Freeman. с. 96—97. ISBN . {{}}: Недійсний |deadurl=vanc ()
13. Felgner PL, Gadek TR, Holm M, Roman R, Chan HW, Wenz M, Northrop JP, Ringold GM, Danielsen M (November 1987). Lipofection: a highly efficient, lipid-mediated DNA-transfection procedure. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 84 (21): 7413—7. Bibcode:1987PNAS...84.7413F. doi:10.1073/pnas.84.21.7413. PMC 299306. PMID 2823261.
14. Felgner JH, Kumar R, Sridhar CN, Wheeler CJ, Tsai YJ, Border R, Ramsey P, Martin M, Felgner PL (January 1994). . The Journal of Biological Chemistry. 269 (4): 2550—61. PMID 8300583. Архів оригіналу за 19 вересня 2019. Процитовано 17 січня 2020.
15. Pipes BL, Vasanwala FH, Tsang TC, Zhang T, Luo P, Harris DT (January 2005). Brief heat shock increases stable integration of lipid-mediated DNA transfections. BioTechniques. 38 (1): 48—52. doi:10.2144/05381bm05. PMID 15679084.
16. Jacobsen LB, Calvin SA, Colvin KE, Wright M (June 2004). FuGENE 6 Transfection Reagent: the gentle power. Methods. Transfection of Mammalian Cells. 33 (2): 104—12. doi:10.1016/j.ymeth.2003.11.002. PMID 15121164.
17. Hellgren I, Drvota V, Pieper R, Enoksson S, Blomberg P, Islam KB, Sylvén C (August 2000). Highly efficient cell-mediated gene transfer using non-viral vectors and FuGene6: in vitro and in vivo studies. Cellular and Molecular Life Sciences (англ.). 57 (8–9): 1326—33. doi:10.1007/PL00000769. PMID 11028922.
18. Lakshmipathy, Uma; Thyagarajan, Bhaskar (2011). (вид. 1st). Wiley-Blackwell. ISBN . Архів оригіналу за 24 грудня 2018. Процитовано 17 січня 2020. {{}}: Недійсний |deadurl=vanc ()
19. Arnold AS, Laporte V, Dumont S, Appert-Collin A, Erbacher P, Coupin G, Levy R, Poindron P, Gies JP (February 2006). Comparing reagents for efficient transfection of human primary myoblasts: FuGENE 6, Effectene and ExGen 500. Fundamental & Clinical Pharmacology. 20 (1): 81—9. doi:10.1111/j.1472-8206.2005.00344.x. PMID 16448398.
20. Sharei A, Zoldan J, Adamo A, Sim WY, Cho N, Jackson E, Mao S, Schneider S, Han MJ, Lytton-Jean A, Basto PA, Jhunjhunwala S, Lee J, Heller DA, Kang JW, Hartoularos GC, Kim KS, Anderson DG, Langer R, Jensen KF (February 2013). A vector-free microfluidic platform for intracellular delivery. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (6): 2082—7. Bibcode:2013PNAS..110.2082S. doi:10.1073/pnas.1218705110. PMC 3568376. PMID 23341631.
21. Zhang G, Budker V, Wolff JA (July 1999). High levels of foreign gene expression in hepatocytes after tail vein injections of naked plasmid DNA. Human Gene Therapy. 10 (10): 1735—7. doi:10.1089/10430349950017734. PMID 10428218.
22. Zhang G, Vargo D, Budker V, Armstrong N, Knechtle S, Wolff JA (October 1997). Expression of naked plasmid DNA injected into the afferent and efferent vessels of rodent and dog livers. Human Gene Therapy. 8 (15): 1763—72. doi:10.1089/hum.1997.8.15-1763. PMID 9358026.
23. Bell JB, Podetz-Pedersen KM, Aronovich EL, Belur LR, McIvor RS, Hackett PB (2007). Preferential delivery of the Sleeping Beauty transposon system to livers of mice by hydrodynamic injection. Nature Protocols. 2 (12): 3153—65. doi:10.1038/nprot.2007.471. PMC 2548418. PMID 18079715.
24. . OzBiosciences—The art of delivery systems. Архів оригіналу за 22 березня 2014. Процитовано 17 січня 2020.
25. Schnoor M, Buers I, Sietmann A, Brodde MF, Hofnagel O, Robenek H, Lorkowski S (May 2009). Efficient non-viral transfection of THP-1 cells. Journal of Immunological Methods. 344 (2): 109—15. doi:10.1016/j.jim.2009.03.014. PMID 19345690.
26. Kim TK, Eberwine JH (August 2010). Mammalian cell transfection: the present and the future. (Analytical and Bioanalytical Chemistry). 397 (8): 3173—8. doi:10.1007/s00216-010-3821-6. PMC 2911531. PMID 20549496.