Aquí, presentamos un método para expandir el asesino natural de sangre periférica (PBNK), las células NK de los tejidos hepáticos y las células NK del receptor de antígeno quimérico (CAR) derivadas de células mononucleares de sangre periférica (PBMC) o sangre del cordón umbilical (CB). Este protocolo demuestra la expansión de las células NK y CAR-NK utilizando células alimentadoras 221-mIL-21, además de la pureza optimizada de las células NK expandidas.
La terapia de células inmunitarias modificadas con receptores de antígenos quiméricos (CAR) se ha convertido en un tratamiento emergente para cánceres y enfermedades infecciosas. La inmunoterapia basada en NK, particularmente las células CAR-NK, es uno de los desarrollos "listos para usar" más prometedores sin toxicidad grave que ponga en peligro la vida. Sin embargo, el cuello de botella para desarrollar una terapia CAR-NK exitosa es lograr un número suficiente de células CAR-NK no exhaustivas, de larga vida y "listas para usar" de un tercero. Aquí, desarrollamos un nuevo método de expansión CAR-NK utilizando una línea de células B transformada por el virus de Epstein-Barr (EBV) que expresa una forma de membrana genéticamente modificada de interleucina-21 (IL-21). En este protocolo, se proporcionan procedimientos paso a paso para expandir las células NK y CAR-NK de la sangre del cordón umbilical y la sangre periférica, así como los tejidos de órganos sólidos. Este trabajo mejorará significativamente el desarrollo clínico de la inmunoterapia CAR-NK.
Las células asesinas naturales (NK) son un subconjunto importante de linfocitos que expresan CD56 y carecen de expresión del marcador de células T, CD3 1,2. Las células NK convencionales se clasifican como células inmunes innatas responsables de la inmunovigilancia de las células infectadas por virus y las células cancerosas. A diferencia de las células T, las células NK reconocen células infectadas o malignas utilizando CD16 u otros receptores activadores y no requieren la formación de un complejo entre péptidos de antígeno y moléculas de clase I del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) 3,4. Investigaciones clínicas recientes con células NK receptoras de antígeno quimérico (CAR) para tratar cánceres CD19 positivos recidivantes o refractarios (linfoma no Hodgkin o leucemia linfocítica crónica [LLC])) mostraron las excelentes ventajas de seguridad de las células CAR-NK5. Por ejemplo, la infusión de células CAR-NK se asocia con enfermedad mínima o insignificante de injerto contra huésped (EICH), neurotoxicidad, cardiotoxicidad y síndrome de liberación de citoquinas (SRC)6,7,8,9,10. Sin embargo, los métodos convencionales para expandir las células NK humanas mostraron fenotipos exhaustivos con fuerte destrucción fratricida y escasez de telómeros, lo que presenta un gran desafío para obtener un número adecuado de células NK funcionales para la inmunoterapia adoptiva11.
Para superar estos desafíos, se desarrolló un método para expandir las células NK primarias directamente de células mononucleares de sangre periférica no fraccionadas (PBMC) o sangre del cordón umbilical (CB) utilizando una línea celular 721.221 (en adelante, 221) irradiada y genéticamente modificada, una línea celular linfoblastoide B humana con baja expresión de moléculas MHC clase I3. Estudios previos mostraron la importancia de IL-21 en la expansión de las células NK; por lo tanto, se desarrolló una IL-21 genéticamente modificada unida a la membrana que expresa una versión de la línea celular 721.221 (a partir de ahora, 221-mIL-21) 11,12,13,14,15. Los resultados mostraron que las células NK primarias expandidas con células alimentadoras de 221 mIL-21 se expandieron a un promedio de >40,000 veces con una alta pureza persistente de células NK durante aproximadamente 2-3 semanas. Se puede encontrar información adicional sobre la aplicación de este protocolo en Yang et al.16.
Este protocolo tiene como objetivo demostrar el procedimiento paso a paso de la nueva expansión de PBNK, CBNK, NK derivado de tejidos y células CAR-NK ex vivo.
El trabajo relacionado con los tejidos humanos y la sangre en este protocolo sigue las pautas de la Junta de Revisión Institucional (IRB) de la Universidad de Rutgers.
1. Expansión de células NK de los tejidos hepáticos (Día 0), como se muestra en la Figura 1.
NOTA: El número inicial de células y la viabilidad están fuertemente correlacionados con el tiempo transcurrido desde la extracción del órgano y la cantidad inicial de muestra de tejido. Sin embargo, si los tejidos se colocan en 30 ml de solución salina equilibrada de Hank (HBSS) y se mantienen en hielo o en el refrigerador a 4 ° C durante la noche, las células NK aún se pueden expandir a alta pureza y viabilidad hasta 24 h después.
2. Expansión primaria de células NK a partir de PBMC (o CB o tejidos de órganos) (Día 0), como se muestra en la Figura 2.
3. Fijación de células 293T (Día 2), como se muestra en la Figura 2.
4. Transfección retroviral (Día 3)
5. Recubrimiento de placas de retronectina (Día 3)
6. Transducción (Día 4)
7. Recolección de células CAR-NK (Día 6 o 7), como se muestra en la Figura 2.
En la Figura 1 y la Figura 2 se muestra un flujo de trabajo esquemático del aislamiento de células NK infiltrantes de tejido y la expansión de células PBNK utilizando la metodología de células alimentadoras 221-mIL-21. Las células PBNK expandidas se recolectaron cada 3 o 4 días para citometría de flujo para determinar la pureza de las células NK al teñir las células con CD56 antihumano y CD3 antihumano. El experimento se repitió utilizando dos donantes diferentes para mostrar la reproducibilidad del sistema de expansión (Figura 3). Se demostró que las células PBNK expandidas en 221-mIL-21 se expanden casi 5 × 104 pliegues (Figura 3A). Además, la pureza de la célula NK se mantuvo en gran medida, alrededor del 85% durante la expansión de 21 días (Figura 3B). Usando el sistema de expansión de células de alimentación de 221 mIL-21, la pureza de la célula NK osciló consistentemente entre 85% -95%, independientemente de los donantes (datos no mostrados). Para demostrar la robustez del sistema de expansión 221-mIL-21, se tiñeron PBMCs para anti-CD56 y anti-CD3 antes de la expansión, que mostró una pureza celular de 7.09% para las células NK y un alto porcentaje de células T (Figura 4A). Las PBMC se cocultivaron con 221-mIL-21 para expandir las células NK; la pureza de NK se comprobó antes de la transducción de CAR-NK el día 4 (Figura 4A). Se recolectaron células CAR-NK y se tiñeron para anti-CD56, anti-CD3 y anti-hIgG(H+L) F(ab')2, que mostraron una alta población de células NK (86,9% el día 7) y una alta eficiencia de transducción de CAR de aproximadamente el 70% (Figura 4). También se observaron mayores eficiencias de transducción (hasta el 95%) utilizando el sistema de empaquetado de retrovirus. En conjunto, estos datos muestran que las células alimentadoras de 221-mIL-21 podrían expandir con éxito las células NK y preservar la pureza de las células NK ex vivo.
Figura 1: Diagrama de expansión de células NK a partir de muestras sólidas de órganos humanos. Brevemente, las muestras de hígado humano obtenidas se cortan en pequeños cubos para la digestión mecánica. Las células disociadas se aíslan utilizando sílice recubierta de PVP y medios de separación de linfocitos. Además, las células NK se expanden utilizando el protocolo de expansión descrito en la Figura 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Flujo de trabajo esquemático de la generación de células CAR-NK a partir de PBMC. Brevemente, las células alimentadoras de 221-mIL21 se irradiaron a 100 Gy antes del cocultivo con PBMC suplementadas con IL-2 e IL-15 el día 0. Paralelamente, las células 293T se transfectaron con el sistema de empaquetamiento de retrovirus para producir retrovirus CAR que luego se transdució a las células PBNK expandidas en presencia de IL-2 e IL-15. Las células CAR-NK primarias se cosecharon el día 7 y continuaron la expansión durante 21 días. Esta figura ha sido modificada de Yang et al.16. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Expansión dinámica de lapso de tiempo de las células PBNK. (A) Expansión del pliegue de PBNK durante un curso de tiempo de 22 días. Las células se tiñeron con anti-CD56 y anti-CD3 en los días indicados para citometría de flujo. El número total de células NK se determinó multiplicando la pureza de las células NK por el número total de células. La tasa de expansión se generó de la siguiente manera: (Número de células NK)Tn/(Número de células NK)T0, donde Número de células NK = (porcentaje de pureza de células NK) × (número total de células), T 0 es el número de células NK en el momento día0, y Tn es el número de células NK en el momento día n. (B) Pureza de las células NK durante un curso de tiempo de 22 días. La expansión de células NK se repitió dos veces con dos donantes diferentes. Las barras de error representan ± SEM. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Análisis citométrico de flujo representativo de células CAR-NK. (A) Diagramas de puntos representativos que muestran el lapso de tiempo dinámico de la pureza de las células NK de las células CAR-NK durante un curso de 18 días. El análisis de citometría de flujo se evaluó teñiendo las células con anti-CD56 y anti-CD3 en los puntos temporales indicados. El día 0 indica la preexpansión de PBNK. El día 4 indica la post-expansión de PBNK y la pre-transducción de células CAR-NK. El día 7 indica la post-transducción de células CAR-NK. (B) Diagramas de puntos representativos que muestran la eficiencia de transducción de las células CAR-NK utilizando el sistema de empaquetado de retrovirus. Las células se tiñeron con anti-CD56, anti-CD3 y anti-hIgG(H+L) F(ab')2 para citometría de flujo. (C) Diagramas de puntos representativos que muestran la expresión de CAR en varios subconjuntos, incluidos CD56 + CD3-, CD56-CD3 +, CD56 + CD3 + y CD56-CD3- el día 18. Las células se tiñeron con anti-CD56, anti-CD3 y anti-hIgG(H+L) F(ab')2 (indicando expresión de CAR) para citometría de flujo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La mayoría de los productos CAR-NK actuales en ensayos clínicos utilizan líneas celulares NK17, como NK-92, una línea celular aislada de un paciente con linfoma no Hodgkin 18, NK-92MI, línea celular NK-92 independiente de IL-219, y NKL, aislado de un paciente con linfocitos granulares grandes20, ya que estas líneas celulares son fácilmente proliferativas para productos "listos para usar". Sin embargo, estas líneas celulares, por ejemplo, las células NK-92, tienen eficacias clínicas marginales y expansión in vivo , ya que requieren irradiación antes de la infusión, limitando así su proliferación y citotoxicidad in vivo21. Dadas estas razones, actualmente se están explorando varias estrategias para expandir las células NK primarias de varias fuentes, incluyendo sangre periférica, CB, médula ósea (BM), células madre embrionarias humanas (HSC), células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) y tejidos tumorales21,22,23. Por ejemplo, las células NK se pueden expandir ex vivo usando interleucinas incluyendo IL-15, IL-18 e IL-21. Las líneas celulares linfoblastoides, como las células K562 o las líneas celulares linfoblastoides transformadas por el virus de Epstein-Barr, como las células 721.221, también se utilizan para la expansión de células NK16. Sin embargo, las estrategias mencionadas a menudo generan un número insuficiente de células NK para una transferencia adoptiva de inmunoterapia CAR-NK22,24. Para ayudar a resolver el problema, el estudio aquí muestra un protocolo para una expansión de células NK ex vivo utilizando una línea celular transformada genéticamente por EBV, células alimentadoras de 221-mIL-21.
La metodología de expansión que utiliza células alimentadoras de 221-mIL-21 que se muestra en este protocolo está optimizada para expandir las células NK con una tasa de expansión de al menos 10 a 100 veces mayor que otras líneas celulares de leucemia, incluidas las membranas HL-60 y OCl-AML3 que expresan IL-21, K562 y K652-mIL21 que expresan el ligando OX4022,24,25. La expresión de CAR también se evalúa durante aproximadamente 2 semanas ex vivo. Más significativamente, la estrategia de expansión de células alimentadoras 221-mIL-21 se puede aplicar para expandir células NK de diversas fuentes, incluidas PBMC, CB y órganos sólidos como el hígado, sin un paso inicial de enriquecimiento de NK. Aunque el sistema alimentador 221-mIL-21 no depende tanto del donante como las líneas celulares de alimentación antes mencionadas, no es completamente independiente de los donantes. En promedio, el sistema de expansión 221-mIL-21 puede alcanzar el 90% de pureza de la célula NK con un alto número de células NK, con aproximadamente el <5% de contaminación de células T el día 14 después de la expansión. Por lo tanto, para eliminar las posibilidades de contaminación de células T, es necesario aislar las células NK de las muestras obtenidas antes de la expansión ex vivo o utilizar un sistema de selección CD3 + para eliminar las células T después de una expansión ex vivo.
Una de las críticas en el uso de un sistema de expansión de células NK es que las células alimentadoras pueden no haber sido completamente erradicadas después de la expansión o antes de una transfusión, lo que puede poseer importantes preocupaciones regulatorias; Por lo tanto, la erradicación completa de las células alimentadoras antes de una transfusión es crucial. Sin embargo, los ensayos clínicos recientes de CAR-NK en los que se utilizaron células alimentadoras K562-mIL21-4-1BBL para la expansión de células CBNK ex vivo 24,25 no mostraron complicaciones preocupantes. Además, nuestros datos preliminares mostraron una disminución gradual de la población irradiada de 221-mIL-21 a medida que avanzaba la expansión (datos no mostrados). Sin embargo, se requieren estudios más extensos para que este método de expansión se implemente en un entorno clínico. En conjunto, el sistema de expansión 221-mIL-21 ayuda a resolver el desafío de expandir las células CAR-NK primarias y, por lo tanto, contribuirá significativamente al uso más amplio de la inmunoterapia basada en células CAR-NK en el futuro cercano.
Los autores declaran que no hay intereses contrapuestos.
Nos gustaría agradecer a los miembros del laboratorio Liu (Dr. Hsiang-chi Tseng, Dr. Xuening Wang y Dr. Chih-Hsiung Chen) por sus comentarios sobre los manuscritos. Nos gustaría agradecer al Dr. Gianpietro Dotti por los vectores SFG y al Dr. Eric Long por las 721.221 células. Este trabajo fue apoyado en parte por HL125018 (D. Liu), AI124769 (D. Liu), AI129594 (D. Liu), AI130197 (D. Liu) y Rutgers-Health Advance Funding (programa NIH REACH), U01HL150852 (R. Panettieri, S. Libutti y R. Pasqualini), S10OD025182 (D. Liu) y Rutgers University-New Jersey Medical School Startup funding for D. Liu Laboratory.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 mm surface treated sterile tissue culture dishes | VWR | 10062-880 | For transfection |
293T cells | ATCC | CRL-3216 | For transfection |
6-well G-REX plate | Wilson Wolf | 80240M | For NK cell expansion |
AF647-conjugated AffiniPure F(ab')2 fragment goat anti-human IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 109-606-088 | For flow cytometry |
CAR construct in SFG vector | Generated in Dr. Dongfang Liu's lab | For transfection | |
Collagenase IV | Sigma | C4-22-1G | For TILs isolation |
Cryopreserve media Ingredient: Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | 90% |
Cryopreserve media Ingredient: Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | D2050 | 10% |
D-10 media Ingredient: DMEM | VWR | 45000-304 | |
D-10 media Ingredient: Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | 10% |
D-10 media Ingredient: Penicillin Streptomycin | VWR | 45000-652 | 1% |
FastFlow & Low Binding Millipore Express PES Membrane | Millex | SLHPR33RB | For transduction |
Genejuice transfection reagent | VWR | 80611-356 | For transfection |
gentleMACS C-tubes | Miltenyi Biotec | 130-093-237 | For TILs isolation |
gentleMACS Octo | Miltenyi Biotec | Quote | For TILs isolation |
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS - w/o calcium or magnesium) | ThermoFisher | 14170120 | For TILs isolation |
Human IL-15 | Peprotech | 200-15 | For NK cell expansion |
Human IL-2 | Peprotech | 200-02 | For NK cell expansion |
Irradiated 221-mIL21 feeder cells | Generated in Dr. Dongfang Liu's lab | Frozen in cryopreserve media | |
Lymphocyte Separation Media | Corning | 25-072-CV | For TILs isolation |
OPTI-MEM | ThermoFisher | 31895 | For transfection |
PE anti-human CD3 clone HIT3a | Biolegend | 300308 | For flow cytometry |
PE/Cy7 anti-human CD56 (NCAM) clone 5.1H11 | BioLegend | 362509 | For flow cytometry |
Pegpam3 plasmid | Generated in Dr. Dongfang Liu's lab | For transfection | |
Percoll | GE Healthcare | 17089101 | For TILs isolation |
Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) | New York Blood Center | Isolated from plasma of healthy donors, frozen in cryopreserve media | |
Phosphate Buffer Saline (PBS) | Corning | 21-040-CV | For transduction |
pRDF plasmid | Generated in Dr. Dongfang Liu's lab | For transfection | |
R-10 media Ingredients: RPMI 1640 | VWR | 45000-404 | |
R-10 media Ingredient: L-glutamine | VWR | 45000-304 | 1% |
R-10 media Ingredient: Penicillin Streptomycin | VWR | 45000-652 | 1% |
R-10 media Ingredient: Fetal Bovine Serum (FBS) | Corning | 35-010-CV | 10% |
Retronectin | Generated in Dr. Dongfang Liu's lab | home-made | For transduction |
Trypan Blue | Corning | 25-900-Cl | For cell counting |
Untreated 24-well plate | Fisher Scientific | 13-690-071 | For transduction |
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