우리는 액체 및 고체 종양 세포를 표적으로 하는 키메라 항원 수용체 T 세포의 효능을 평가하기 위해 시험관내 세포분석 시스템을 정량적으로 실시간으로 기술한다. 이 프로토콜은 다른 면역 이펙터 세포뿐만 아니라 조합 치료를 평가하기 위해 확장 될 수있다.
키메라 항원 수용체 (CAR) 암을 위한 T 세포 치료는 유년기 급성 림프구성 백혈병과 같은 저항성 및 불응성 혈액학적 악성종양에 대한 중요한 임상 적 이점을 달성했습니다. 노력은 현재 다른 혈액 암 이외에 고형 종양에 이 유망한 치료를 확장하기 위하여 진행되고 있습니다. 여기에서, 우리는 고체 및 액체 종양 세포에 고유하거나 우선적인 발현을 가진 항원을 표적으로 하는 강력한 CAR T 세포의 발달 그리고 생산을 기술합니다. 이들 CAR T 세포의 시험관내 효능은 고과열임제 기반 xCELLigence 분석기를 사용하여 실시간으로 평가된다. 구체적으로, 글루코코르티코이드 유도 종양 괴사 인자 수용체(TNFR)-관련 단백질(GITR)과 같은 상이한 코스티뮬레이션 신호 도메인의 영향을 CAR T 세포의 시험관 내 효능에 대한 검사를 받는다. 이 보고는 lentiviral 유전자 전혈을 사용하여 전임상 연구를 위한 CAR T 세포를 생성하고, CAR T 세포를 확장하고, CAR 발현을 유효하게 하고, xCELLigence 힘 분석실험을 실행하고 분석하는 프로토콜을 포함합니다.
최근 몇 년 동안, CAR T 세포 치료는 재발 및 난치성 조혈 악성 종양에 대한 암 면역 요법에서 가장 눈에 띄는 돌파구 중 하나되었습니다. 최근 미국 식품의약국(FDA)이 급성 림프구성 백혈병에 대한 CD19 지향 CAR T 세포의 승인을 받아, 비-호지킨 림프종, 확산 큰 B 세포 림프종, 및 B 세포 성숙 항원 (BCMA)에 대한 획기적인 치료의 지정은 다발성 골수종에 대한 연구 CAR T 세포를 지시, 이 기술은 과학 계에서 큰 흥분을 생성하고 수많은 기초, 적용, 전 세계적으로 임상 연구1,2,3, 4,5. 2019년 1월, 700개 이상의 임상시험이 임상시험 데이터베이스에 등록되었다(clinicaltrials.gov); 이 예심의 대략 450는 시작하거나 적극적으로 환자를 모집하고 있었습니다. 대부분의 임상시험은 혈액학적 악성종양에 초점을 맞추고 있으며, CD20, CD22 및 BCMA를 표적으로 하는 CAR T 세포를 이용한 임상 시험은 CD19 이외에진행중이며,6,7. 대부분의 임상시험이 자가 CAR T 세포 요법을 사용하고 있지만, 이들 중 상당수는 또한 알로겐성 CAR T 세포8,9,10의유용성을 탐구하고 있다. 혈액학적 악성종양으로 유망한 결과에도 불구하고, 고형 종양을 표적으로 하는 CAR T 세포의 사용은 종양에서 독점적으로 발현되는 좋은 표적의 부족, 고형 종양 및 종양의 이질성 “탈출”, 및 CAR T 세포가 종양 미세환경에접근하는 데 있어 어려움을 포함하되 이에 한정되지 않는 다양한 이유로 클리닉에서 훨씬 더 어렵다는 것이 입증되었습니다11, 11, 10, 10 15.효능에 대한 이러한 장벽을 극복할 수 있는 고형 종양 특이적 CAR T 세포의 개발과 “표적-오프 종양” 독성의 문제점에 대한 중요한 필요성이 있다. CAR T 세포의 설계 및 시험에서 다수의 생체외 및 생체내 접근법이 보증되는 반면, 강력하고 예측적인 시험관 내 효능 분석법은16,17의주요 중요성이다.
CAR T 세포의 효능을 평가하기 위해, 다양한 시험관 내 방법이 개발되었다. 일반적으로, 이들 효능 분석제는 표적 종양 세포에 대해 CART 세포의 세포용해 활성을 직접 측정하는지 여부에 따라 2개의 광범위한 범주로 나눌 수 있거나, 또는(ii)표적 세포를 죽이면서 CAR T 세포에 의해 방출되는 사이토카인과 같은 대리 마커를 측정한다. 세포용해 활성을 직접 측정하는 기술은 크롬-51 방출 분석법(CRA)18,형광 프로브19,20및 세포사멸 세포세포를 검출하는 유세포분석법을 이용하여 표적 세포의 세포사멸을 측정하는 영상기반 분석법(21)을 포함한다. 이 측정결과에서, CAR T 세포는 전형적으로 방사성 또는 형광 탐사선으로 미리 표지된 표적 세포와 공동 배양되고, 적절한 측정이 뒤따랐다. 민감성 으로 인해 오랫동안 이 분야의 금 본위제로 간주되었지만 CRA에는 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 종점 분석이며 운동 정보를 제공하지 않습니다. 둘째, 표적 세포는 혈전에서 침출되는 경향이 있고 배경잡음(22)을현저하게 증가시킬 수 있는 크롬-51로 표지될 필요가 있다. 마지막으로, 방사성 폐기물의 적절한 예방 조치와 폐기가 필요합니다. 힘의 표시로 표적 세포와 CAR T 세포 상호 작용의 부산물을 측정하는 대체 분석실험은, 유동 세포 분석 기지를 둔 방법 또는 효소 연결된 면역 흡착 분석약을 사용하여 CAR T 세포에 의해 풀어 놓인 각종 사이토카인의 양을 포함합니다. 다시 한번, 이들은 주어진 시점에서 사이토카인의 누적 방출을 측정하는 종점 분석이며, 따라서, 반드시 CAR T 세포의 실제 세포 분석 활성을 반영하지 않을 수 있다.
특히 CAR T 세포와 같은 세포 기반 치료에 대한 방출 기준을 정의하는 효능 분석법, 특히 모든 상호 작용이 고려되어야 할 또 다른 변수이기 때문에 분석이 최소한의 조작과 실습 시간을 수반하는 것이 중요하며 분석의 전반적인 견고성과 일관성을 감소시킬 수 있습니다. 더욱이, CAR T 세포와 종양 세포의 상호작용은 역동적인 과정이며, 세포용해의 속도와 같은 이러한 동적 상호작용에 대한 정보를 제공하는 것은 효능 평가를 위한 일차적으로 중요하다. 이러한 기준을 염두에 두고 xCELLigence 실시간 세포 분석(RTCA) 플랫폼을 활용하는 CAR T 세포에 대한 무표지 운동 효능 분석을 개발했습니다. xCELLigence는 각 우물의 바닥에 내장 된 금 바이오 센서를 포함하는 특수 마이크로 티터 플레이트 (E-플레이트)를 사용합니다. 특정 항체를 사용하여 테더된 고형 종양 세포 또는 액체 암 세포중 하나를 사용하여 작업하는 이러한 바이오센서는 표적 세포 수, 세포 크기, 세포 기질 부착 강도 및 세포 세포 상호작용(즉, 장벽 기능)의 실시간 CAR T 세포 유발 변화를 모니터링합니다17,23,24,25,26,27, 28. 워크플로우가 간단하고 단순히 대상 세포를 E-플레이트의 웰에 시드한 다음, 다른 이펙터 대 표적 비율로 CAR T 셀을 추가합니다(그림1). 그 후, 바이오센서가 표적 세포의 생존 가능성을 지속적으로 모니터링함에 따라 데이터는 실시간으로 자동으로 표시됩니다.
지난 15년 동안 xCELLigence 분석은 자연킬러(NK) 세포, T 세포, CAR T 세포, 체크포인트 억제제, 이중 특이적 항체, 온용해 바이러스 및 일부 조합 요법17,29,30,31,32,33,34의효능을 평가하기 위해 검증되었다. 최근, xCELLigence 효능 분석제는 T 세포 수용체(TCR)를 제조하기 위해T 세포(35)를 설계한 것으로 평가되었다. 여기에서 우리는 임상 치료에서 고형 종양 및 액체 종양을 표적으로 하기 위하여 디자인된 CAR T 세포의 시험관 내 힘을 평가하기 위한 RTCA 시스템을 채택하는 것을 보고합니다.
키메라 항원 수용체는 세포외 단일 사슬 가변 단편(scFv region), 힌지 영역, 막막 영역 및 CD28 및 OX4011,40과같은 수용체로부터의 TCR 신호 도메인 및 추가의 코스매 도메인으로 구성된 세포질 도메인으로 구성된 다중 도메인 단백질이다. 안전하고 선택적이며 효과적인 CA를 설계하려면 CA의 설계에서 다양한 순열을 시험관 내 효능 검사와 결국 동물 모델을 사용하여 철저히 테스트해야 합니다. 본 연구에서, 우리는 생체외 내 힘 분석이 효과적인 CAR의 설계를 어떻게 알릴 수 있는지에 대한 프로토콜 및 워크플로우를 제공했습니다.
모든 유형의 효능 분석, 특히 제조 목적을 위해, 분석이 민감하고, 견고하고, 일관되고, 가능한 한 작용 메커니즘에 가깝게 하는 것이 필수적이다16,17,41. 여기서 기재된 실시간 효능 분석은 사이토카인 방출과 같은 대리 마커를 사용하는 대신 CAR T 세포의 세포용해 활성을 직접 측정하도록 설계된다. 중요한 것은, 분석법은 세포 유지를 위한 권장 매체 및 분석판(E-Plate) 이외의 염료 또는 시약과 같은 임의의 추가 성분을 필요로 하지 않는다. 또한, 이 분석법은 정교하게 민감하며 다른 라벨 기반 분석제42,43,44에비해 매우 재현성이 높은 데이터를 제공한다. 더욱이, xCELLigence 분석은 특정 세포용해의 평가에 이상적인 매우 낮은 이펙터 대 표적 비율을 사용할 수 있다.
xCELLigence 시스템의 유연성과 유용성을 입증하기 위해, 우리는 혈액 학적 기원과 고형 종양의 두 가지 종양 유형, 즉 종양에 초점을 맞추지 않았습니다. CD22-지시 CAR T 세포의 효능을 평가하기 위해, 라지 세포(즉, B 세포 림프종 세포주)는 항 CD40 항체를 사용하여 E-플레이트에 테더를 체재하였다. E-플레이트의 바닥에 Raji 세포의 테더링은 우물에서 라지 세포의 생존력과 수를 반영하는 임피던스 신호를 초래합니다. CD22-CAR T 세포의 첨가에 따라, 라지 세포는 시간-및 이펙터 의존적 방식으로 선택적으로 살해되고, 임피던스 신호의 시간 의존적 감소로 절정에 이르렀다. 임피던스의 하락은 라지 세포의 세포용해 또는 생존력의 상실을 의미합니다17. 항체를 이용한 이러한 선택적 테더링 접근법은 다른 액체 종양 세포주까지 확장될 수 있다. 혈액학적 기원의 종양 세포주를 사용하는 대안전략은 HeLa 세포에서 발현되는 CD19와 같은 종양 항원을 안정적으로 발현하도록 설계된 부착암세포를 사용하는 것이다. 이 접근법의 장점은 부모 HeLa 세포를 쉽게 사용할 수 있으며 특이성에 대한 부정적인 대조군으로 사용할 수 있다는 것입니다. 이러한 접근법은 이미 CHO-CD22 대 CHO 세포 및 CHO-BCMas 대 CHO 세포29로검증되었습니다. 이러한 다양한 접근법을 사용하여 CAR T 세포 설계 및 효능을 쉽게 테스트할 수 있습니다. xCELLigence 분석은 본질적으로 유연하며, 분석 조건은 생리적 조건을 최대한 근사화하기 위해 조정할 수 있습니다.
우리가 여기에서 기술한 힘 분석의 1개의 중요한 이점은 간단한 기능적인 분석이고 높은 처리량 방식으로 최적이고 효과적인 CA를 디자인하기 위하여 유전 공학 기술과 함께 사용될 수 있다는 것입니다. EGFR 양성 암세포를 표적으로 하도록 설계된 CAR T 세포에 대해 여기에서 도시된 바와 같이, 분석은 상이한 CAR 구체/돌연변이체의 상대적 활성을 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, GITR 도메인이 CD3 도메인의 상류에 위치할 때 CD3 도메인의 다운스트림에 위치할 때보다 훨씬 더 강력한 세포 용해 활성을 나타낸다는 것을 보여 주었다.
생체 내 CAR T 세포 활성과 완벽하게 상관관계가 없지만, 시험관내 사이토카인 방출은 역사적으로 CAR T 세포 효능의 척도로 사용되어 왔다. 여기에 기술된 xCELLigence 기반 효능 분석실험은 제조 중 또는 임상 적용을 위해 출시되기 전에 세포 기반 요법을 평가하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 결과가 생체 내 효능과 얼마나 잘 연관되어 있는지는 아직 확인되지 않았습니다. 설립. 생체 내 효능은 시험관 내 분석기 내에서 재capitulated 수 있습니다 요인 및 변수의 호스트에 따라 달라 집니다. 이러한 변수는 종양부위에 CAR T 세포의 호밍, CAR T 세포의 자극 및 활성화 및 환자 내에서 지속되는 능력, 및 종양 미세환경 등을 포함한다. 추가 정제와 함께 xCELLigence 분석시험은 시험관내에서 이러한 복잡한 프로세스중 일부를 모델링할 수 있을 수 있다.
여기에 제공된 프로토콜은 대부분의 부착암 세포주 및 일부 액체 종양 세포주에도 적용됩니다. 1 차적인 암세포와 같은 임상 견본은, 그러나, 종양 모형 및 단계의 복잡성 때문에 추가 시험되고 최적화될 필요가 있습니다. 여기에 기술된 시험관내 효능 분석 시스템은 CAR T 세포의 잠재적 인 활성을 반영하기 위해암 세포주를 사용한다는 점은 확실히 주목할 가치가 있다. 인체 내부의 실제 종양 상황은 동적 종양 환경 및 발달로 인해 고형 종양이 표적으로 삼을 때 특히 훨씬 더 복잡합니다. 따라서, 효능 평가 결과는 시험된 CAR T 세포의 임상적 효능으로 매우 잘 번역되지 않을 수 있다.
요약하면, 제시된 임피던스 기반 xCELLigence 플랫폼은 장기간, 즉 최대 10일 동안 세포 살멸을 라벨이 없는 모니터링을 가능하게 합니다. 데이터 수집을 위한 이러한 긴 시간적 규모의 이 용량은 현재 사용 중이며 시간 포인트 수집 및 까다로운 샘플 조작을 위해 여러 실험 복제를 설정해야 하는 다른 분석실험과 기술을 차별화합니다. 또한, 이펙터 면역 세포의 최소한의 신호 기여도는 데이터 분석을 단순화합니다. 이 소프트웨어는 자동으로 데이터를 처리하고 세포 분석, KT50 등의 비율과 같은 유용한 매개 변수를 생성 할 수 있습니다. 이 기술은 이미 높은 감도(E:T 비율이 1:20이하)와 다른 분석에서는 쉽게 달성할 수 없는 높은 다이나믹 레인지(E:T 비율이 20:1~1:20)를 입증했습니다. 전반적으로, 이 기술의 구현은 CAR T 세포 시약의 개발을 향상시키고 훨씬 더 높은 속도로 분야를 발전시킬 더 높은 처리량 척도에 대한 보다 정확한 데이터 분석을 허용해야 합니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 이 연구에서 이용된 시약 및 기기를 제공한 ProMab 생명공학 및 ACEA 바이오사이언스에 감사드립니다.
7-AAD | Biolegend | 420404 | |
Anti-CD40, liquid tumor killing assay kit | ACEA Biosciences | 8100005 | |
anti-human F(ab')2 | Jackson Immunoresearch laboratories. | 109-116-088 | |
APC anti-CD3 | Biolegend | 317318 | |
Assay medium RPMI1640 | life technologies.Corp | 11875-093 | |
CAR-T cell frozen solution CryostorCS10 | Stemcell technologies | #07930 | |
CAR-T cell medium from ProMab | AIM-V+300IFU/ml IL-2 | 12055-091 | |
CD3/CD28 coated microbeads, Dynabeads | Thermofisher | 11131D | |
DMEM | GElifesciences.com | SH30243.02 | |
FACS buffer | Promab made | ||
FBS | Lonza.com | 14-503F | |
HEK293FT | Thermo Fisher | R70007 | |
INFg ELISA kit | Thermo Fisher | ||
Lentiviral Packaging Mix | System Biosciences | VP100 | |
Lenti-X quantitative RT-PCR titration kit (Clontech) | Takara | 631235 | |
Promab medium for target cells | Varied with cell lines | ||
Real time Cellular Analyer | ACEA Biosciences | ||
Thermal cycler | Thermo Fisher | ||
Transduction enhance agent, Virus Transduction Enhancer (Alstem) | Transplus, Alstem | V020 | |
Transfection dilution solution, Opti-MEM | Thermo Fisher | ||
Transfection reagent, NanoFect reagent | Alstem | NF100 |