Aqui, apresentamos um método para expandir o natural killer do sangue periférico (PBNK), células NK de tecidos hepáticos e células do receptor de antígeno quimérico (CAR)-NK derivadas de células mononucleares do sangue periférico (PBMCs) ou sangue do cordão umbilical (CB). Este protocolo demonstra a expansão das células NK e CAR-NK usando células alimentadoras de 221-mIL-21, além da pureza otimizada das células NK expandidas.
A terapia de células imunes modificadas pelo receptor de antígeno quimérico (CAR) tornou-se um tratamento emergente para cânceres e doenças infecciosas. A imunoterapia baseada em NK, particularmente a célula CAR-NK, é um dos mais promissores desenvolvimentos “prontos para uso” sem toxicidade grave com risco de vida. No entanto, o gargalo para o desenvolvimento de uma terapia CAR-NK bem-sucedida é alcançar um número suficiente de células CAR-NK não exaustivas, de longa duração e “prontas para uso” de terceiros. Aqui, desenvolvemos um novo método de expansão CAR-NK usando uma linhagem celular B transformada pelo vírus Epstein-Barr (EBV) expressando uma forma de membrana geneticamente modificada de interleucina-21 (IL-21). Neste protocolo, procedimentos passo-a-passo são fornecidos para expandir as células NK e CAR-NK do sangue do cordão umbilical e do sangue periférico, bem como dos tecidos sólidos dos órgãos. Este trabalho irá melhorar significativamente o desenvolvimento clínico da imunoterapia CAR-NK.
As células natural killer (NK) são um importante subconjunto de linfócitos que expressam CD56 e não apresentam expressão do marcador de células T, CD3 1,2. As células NK convencionais são classificadas como células imunes inatas responsáveis pela imunovigilância de células infectadas por vírus e células cancerosas. Ao contrário das células T, as células NK reconhecem células infectadas ou malignas usando CD16 ou outros receptores ativadores e não requerem a formação de um complexo entre peptídeos antígenos e moléculas de classe I do complexo principal de histocompatibilidade (MHC) 3,4. Investigações clínicas recentes usando células do receptor de antígeno quimérico (CAR)-NK para tratar cânceres CD19-positivos recidivantes ou refratários (linfoma não-Hodgkin ou leucemia linfocítica crônica [LLC])mostraram as excelentes vantagens de segurança das células CAR-NK5. Por exemplo, a infusão de células CAR-NK está associada à doença do enxerto contra o hospedeiro (DECH) mínima ou insignificante, neurotoxicidade, cardiotoxicidade e síndrome de liberação de citocinas (SRC)6,7,8,9,10. No entanto, os métodos convencionais para expandir as células NK humanas mostraram fenótipos exaustivos com forte morte fratricida e escassez de telômeros, o que representa um grande desafio na obtenção de um número adequado de células NK funcionais para imunoterapia adotiva11.
Para superar esses desafios, um método foi desenvolvido para expandir as células NK primárias diretamente de células mononucleares do sangue periférico não fracionado (PBMCs) ou sangue do cordão umbilical (CB) usando uma linhagem celular 721.221 (doravante, 221) irradiada e geneticamente modificada, uma linhagem celular linfoblastóide B humana com baixa expressão de moléculas MHC classe I3. Estudos prévios mostraram a importância da IL-21 na expansão celular NK; portanto, uma IL-21 ligada à membrana geneticamente modificada expressando uma versão da linhagem celular 721.221 (a partir de agora, 221-mIL-21) foi desenvolvida 11,12,13,14,15. Os resultados mostraram que as células NK primárias expandidas por células alimentadoras de 221-mIL-21 foram expandidas para uma média de >40.000 vezes com alta pureza persistente de células NK por aproximadamente 2-3 semanas. Informações adicionais sobre a aplicação desse protocolo podem ser encontradas em Yang et al.16.
Este protocolo tem como objetivo demonstrar o procedimento passo-a-passo da nova expansão de células PBNK, CBNK, NK derivadas de tecidos e CAR-NK ex vivo.
A maioria dos produtos CAR-NK atuais em ensaios clínicos utiliza linhagens celulares NK 17, como NK-92, uma linhagem celular isolada de um paciente com linfoma não-Hodgkin18, NK-92MI, IL-2 independente NK-92 linhagem celular19, e NKL, isolada de um grande paciente com linfócitos granulares20, pois essas linhagens celulares são facilmente proliferativas para produtos “prontos para uso”. No entanto, essas linhagens celulares, por exemplo, células NK-92, apresentam eficácias clínicas marginais e expansão in vivo, pois necessitam de irradiação prévia à infusão, limitando assim sua proliferação e citotoxicidade in vivo21. Diante dessas razões, várias estratégias estão sendo exploradas atualmente para expandir as células NK primárias de várias fontes, incluindo sangue periférico, CB, medula óssea (BM), células-tronco embrionárias humanas (HSCs), células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) e tecidos tumorais21,22,23. Por exemplo, as células NK podem ser expandidas ex vivo usando interleucinas, incluindo IL-15, IL-18 e IL-21. Linhagens celulares linfoblastóides, como células K562 ou linhagens celulares linfoblastoides transformadas pelo vírus Epstein-Barr, como 721,221 células, também são usadas para expansão celular NK16. No entanto, as estratégias supracitadas muitas vezes geram número insuficiente de células NK para uma transferência adotiva da imunoterapia CAR-NK22,24. Para ajudar a resolver o problema, o estudo aqui mostra um protocolo para uma expansão celular NK ex vivo usando uma linhagem celular geneticamente modificada transformada em EBV, células alimentadoras de 221-mIL-21.
A metodologia de expansão usando células alimentadoras de 221-mIL-21 mostrada neste protocolo é otimizada para expandir as células NK com uma taxa de expansão de pelo menos 10 a 100 vezes maior do que outras linhagens celulares de leucemia, incluindo HL-60 e OCl-AML3 expressando membrana IL-21, K562 e K652-mIL21 expressando o ligante OX4022,24,25. A expressão de CAR também é avaliada por aproximadamente 2 semanas ex vivo. Mais significativamente, a estratégia de expansão de células alimentadoras de 221-mIL-21 pode ser aplicada para expandir as células NK de várias fontes, incluindo PBMCs, CB e órgãos sólidos, como o fígado, sem uma etapa inicial de enriquecimento de NK. Embora o sistema de alimentação de 221-mIL-21 não seja tão dependente do doador quanto as linhagens celulares de alimentação acima mencionadas, ele não é totalmente independente dos doadores. Em média, o sistema de expansão 221-mIL-21 pode atingir 90% da pureza da célula NK com um alto número de células NK, com aproximadamente <5% de contaminação por células T no dia 14 pós-expansão. Portanto, para eliminar as possibilidades de contaminação por células T, é necessário isolar as células NK das amostras obtidas antes da expansão ex vivo ou usar um sistema de seleção CD3+ para eliminar as células T após uma expansão ex vivo.
Uma das críticas ao usar um sistema de expansão celular NK é que as células alimentadoras podem não ter sido totalmente erradicadas após a expansão ou antes de uma transfusão, o que pode possuir preocupações regulatórias significativas; portanto, a erradicação completa das células alimentadoras antes de uma transfusão é crucial. No entanto, ensaios clínicos recentes do CAR-NK nos quais células alimentadoras K562-mIL21-4-1BBL foram utilizadas para a expansão celular CBNK ex vivo 24,25 não mostraram complicações preocupantes. Além disso, nossos dados preliminares mostraram uma diminuição gradual da população irradiada de 221-mIL-21 à medida que a expansão progredia (dados não mostrados). No entanto, estudos mais extensos são necessários para que esse método de expansão seja implementado em um ambiente clínico. Coletivamente, o sistema de expansão 221-mIL-21 ajuda a resolver o desafio de expandir as células primárias CAR-NK e, portanto, contribuirá significativamente para o uso mais amplo da imunoterapia baseada em células CAR-NK no futuro próximo.
The authors have nothing to disclose.
Gostaríamos de agradecer aos membros do laboratório Liu (Dr. Hsiang-chi Tseng, Dr. Xuening Wang e Dr. Chih-Hsiung Chen) por seus comentários sobre os manuscritos. Gostaríamos de agradecer ao Dr. Gianpietro Dotti pelos vetores SFG e ao Dr. Eric Long pelas 721.221 células. Este trabalho foi apoiado em parte por HL125018 (D. Liu), AI124769 (D. Liu), AI129594 (D. Liu), AI130197 (D. Liu) e Rutgers-Health Advance Funding (programa NIH REACH), U01HL150852 (R. Panettieri, S. Libutti e R. Pasqualini), S10OD025182 (D. Liu) e Rutgers University-New Jersey Medical School Startup funding para o 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 |