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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |