Мы представляем метод культивирования и редактирования генов первичных В-клеток макак-резусов с использованием CRISPR/Cas9 и рекомбинантного аденоассоциированного вируса серотипа 6 для изучения терапии В-клетками.
В-клетки и их потомство являются источниками высокоэкспрессируемых антител. Их высокая способность экспрессировать белок вместе с их изобилием, легким доступом через периферическую кровь и способностью к простым приемным переносам сделали их привлекательной мишенью для подходов к редактированию генов для экспрессии рекомбинантных антител или других терапевтических белков. Редактирование генов первичных В-клеток мыши и человека является эффективным, и мышиные модели для исследований in vivo показали многообещающие результаты, но осуществимость и масштабируемость для более крупных моделей животных до сих пор не были продемонстрированы. Поэтому мы разработали протокол редактирования первичных В-клеток макак-резусов in vitro , чтобы сделать возможными такие исследования. Мы сообщаем об условиях культивирования in vitro и редактирования генов первичных В-клеток макак-резуса из мононуклеарных клеток периферической крови или спленоцитов с использованием CRISPR/Cas9. Для достижения адресной интеграции больших (<4,5 кб) кассет был включен быстрый и эффективный протокол для подготовки рекомбинантного аденоассоциированного вируса серотипа 6 в качестве гомологически направленного шаблона репарации с использованием самоподавляющего аденовирусного вектора-помощника с поддержкой тетрациклина. Эти протоколы позволяют изучать перспективную терапию В-клетками у макак-резусов.
В-клетки являются основой гуморального иммунитета. При активации родственным антигеном и вторичными сигналами наивные В-клетки дают начало В-клеткам зародышевого центра, В-клеткам памяти и плазматическим клеткам1. Последний является источником секретируемых антител, которые опосредуют защитные функции большинства доступных в настоящее время вакцин2. Плазматические клетки были описаны как фабрики антител, поскольку они выделяют огромное количество антител в сыворотку – около 2 нг / день / клетка3, что составляет 7-16 г / л сыворотки, что делает антитела одним из трех наиболее распространенных белков в сыворотке4. В-клетки в изобилии содержатся в крови и, таким образом, могут быть легко получены и введены обратно в человека.
Эти черты сделали В-клетки мишенью клеточной терапии для редактирования генов рецептора В-клеток (BCR) и экспрессии широко нейтрализующих антител (bNAbs) к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 и другим белкам 16, 17,18,19,20,21. Такие подходы показали потенциал в многочисленных исследованиях на мышах in vivo 7,8,10,11,16,22. Тем не менее, для клинического перевода 9,15,23 все еще необходимо преодолеть несколько препятствий, среди которых безопасность, продолжительность и величина терапевтической эффективности, а также масштабирование на более крупных животных, таких как нечеловекообразные приматы (NHP). Действительно, NHP и, в частности, макаки-резусы, которые имеют долгую историю исследований антител и ВИЧ24,25, являются наиболее подходящей моделью для проверки этих параметров.
Здесь мы разработали протоколы, которые позволяют решать эти проблемы. На сегодняшний день в нескольких исследованиях предпринимались попытки культивировать В-клетки макак-резуса ex vivo, и сообщалось только о положительном отборе с использованием CD20 для очистки В-клеток макак-резусов26,27,28. Мы разработали протокол выделения нетронутых В-клеток макак-резусов путем отрицательного истощения других типов клеток. Кроме того, определены условия культивирования для целенаправленного редактирования генов В-клеток макак-резусов. В этом протоколе описывается использование рибонуклеопротеинов (РНП) CRISPR/Cas9 и рекомбинантного аденоассоциированного вируса серотипа 6 (rAAV6) в качестве гомологически направленного шаблона репарации (HDRT) для редактирования генов культивируемых В-клеток макаки-резуса. С помощью этого протокола была достигнута эффективность редактирования до 40% при больших (~1,5 кб) вставках. Мы также представляем быстрый и экономичный способ получения rAAV6 с использованием самоподавляющего аденовирусного хелпера29 с поддержкой тетрациклина, чтобы обеспечить быстрое тестирование HDRT в этом формате. В совокупности эти протоколы описывают эффективный рабочий процесс редактирования генов В-клеток макак-резусов (рис. 1), что позволяет оценивать терапию В-клетками в модели NHP.
Для начала экспериментов донорский материал может быть заказан из коммерческих источников или получен с помощью флеботомии или спленэктомии. В этом исследовании флеботомия и забор крови были выполнены, как описано ранее30 , с использованием антикоагулянта ЭДТА. Для получения В-клеток селезенки, первичных макак-резусов, частичная (25-50%) или полная спленэктомия проводилась с использованием методов, о которых сообщалось ранее31. Животные голодали в течение ночи перед операцией. Вкратце, во время операции брюшная полость была обрезана и подготовлена чередующимися скрабами из хлоргексидина и 70% изопропилового спирта три раза. В брюшной полости был сделан разрез (5-10 см) для идентификации и изоляции селезенки. Сосудистую сеть селезенки перевязывали либо швами, либо сосудистыми зажимами. Разрез был закрыт в два слоя полидиоксаноновыми швами 4-0 PDS. Спленэктомия была выполнена один раз для отдельного животного. Одноклеточные суспензии получали из селезенки макак путем мацерации через клеточные ситечки. Мононуклеарные клетки из суспензий клеток крови и селезенки готовили с использованием центрифугирования градиента плотности и хранили в жидком азоте.
Представленные здесь протоколы обеспечивают быстрый и эффективный метод получения высоких урожаев и титров rAAV6 в виде HDRT и новые методы эффективного редактирования генов первичных В-клеток макак-резуса in vitro.
Производственный протокол rAAV6 сравнительно прост и быстр, что позволяет производить и тестировать множество различных конструкций одновременно без чрезмерных трудозатрат. При желании rAAV6 может быть дополнительно очищен с использованием установленных протоколов, таких как ультрацентрифугирование34 градиента йодиксанола или водное двухфазное разделение35 перед буферным обменом и концентрацией.
Несмотря на то, что это снизило общий выход, мы решили использовать только среду для культивирования клеток с восстановленной сывороткой для очистки rAAV6 вместо очистки от клеточной гранулы, поскольку большая часть rAAV6 высвобождается в среду36, а очистка из клеточной гранулы увеличивает затраты и трудозатраты. Использование самоинактивирующегося аденовирусного хелпера увеличивало урожайность в среднем в 30-40 раз, что позволяло тестировать конструкции, упакованные в AAV6 в одной 15-сантиметровой чашке. Хотя наш метод очистки является базовым, используя этот метод, мы получаем относительно небольшие вариации эффективности редактирования генов или жизнеспособности клеток от партии к партии после трансдукции с использованием различных клеточных линий или других первичных клеток (данные не показаны).
Мы разработали протокол очистки В-клеток макаки-резуса для получения нетронутых первичных В-клеток с использованием отрицательного истощения нежелательных популяций. Хотя это и не является необходимым для редактирования генов этих клеток, оно дает возможность получить относительно чистую популяцию первичных В-клеток макак-резуса для этого или других применений, если другие типы клеток мешают экспериментальным целям. Однако чистота достигается за счет снижения общего выхода В-клеток. Примечательно, что как для обогащенных, так и для необогащенных культур В-клеток доля В-клеток в исходных препаратах PBMC или спленоцитов имеет решающее значение. В частности, для PBMC мы рекомендуем проводить скрининг различных макак у людей с высоким процентом В-клеток в периферической крови, чтобы получить большое количество В-клеток для экспериментов, поскольку это значение может сильно различаться у людей27. PBMC могут быть получены путем регулярного кровотечения или лейкафереза42.
Протокол редактирования генов приводит к эффективному редактированию генов, как правило, от 60% до 80% нокаутов и 5-20% от нокаута В-клеток, хотя мы достигли до 90% нокаута BCR и 40% нокаута BCR В-клеток (рис. 5 и рис. 6).
Основными параметрами эффективного редактирования В-клеток макак-резусов являются эффективность резки сгРНК, параметры электропорации, MOI и качество препарата rAAV6. Эффективность резки сгРНК-кандидатов должна быть определена эмпирически, чтобы обеспечить оптимальное редактирование и дизайн HDRT. Представленные здесь параметры электропорации уравновешивают эффективность с жизнеспособностью для получения максимального общего количества отредактированных В-клеток, а не наибольшего процента отредактированных В-клеток. Если требуется более высокий процент отредактированных ячеек, рекомендуется повышенное напряжение (до 1,750 В) или измененная длина импульса (10-30 мс), хотя может наблюдаться большая гибель клеток. Мы также отметили несколько более высокую эффективность редактирования в В-клетках селезенки по сравнению с В-клетками из PBMC того же человека (рис. 5); Однако основная причина этого в настоящее время неизвестна.
Мы обнаружили, что добавление 1% ДМСО после электропорации значительно увеличило эффективность редактирования генов на ~ 40% в В-клетках макак-резусов, не влияя на жизнеспособность клеток (рис. 6A-C), в соответствии с отчетами в других клетках43. Однако следует избегать расширенного культивирования в 1% ДМСО, который может повлиять на жизнеспособность клеток. При желании ДМСО может быть полностью опущен.
Культивирование клеток в небольшом объеме после электропорации в течение нескольких часов вместе с rAAV6 приводит к более высокой эффективности редактирования, вероятно, из-за лучшей трансдукции HDRT rAAV6 и, таким образом, более высокой внутриклеточной концентрации HDRT в соответствующее время, когда Cas9 активен. Мы обнаружили, что культивирование клеток таким образом в течение 8 часов не влияло на жизнеспособность клеток, но эффективность редактирования не увеличивалась резко после 5 часов (рис. 6). Если требуется только нокаут, а не нокаут, этот шаг можно пропустить.
В заключение мы представляем комплексные протоколы редактирования генов В-клеток макак-резуса in vitro и производства rAAV6 HDRT, необходимого для эффективного нокаутирования желаемых конструкций. Эти протоколы позволяют быстро и экономически эффективно тестировать многие конструкции, упакованные как rAAV6, и позволяют проводить доклинические испытания осуществимости и масштабируемости терапии В-клетками в более релевантной модели приматов.
The authors have nothing to disclose.
Мы хотели бы поблагодарить Гарри Б. Гристика и Памелу Бьоркман за предоставление антигена RC1, а также все лаборатории Нуссенцвейга и Мартина за критическое обсуждение. Эта работа была поддержана грантом Фонда Билла и Мелинды Гейтс INV-002777 (M.C.N.) и Программой внутренних исследований Национального института аллергии и инфекционных заболеваний Национальных институтов здравоохранения. (Р.Г. и М.А.М.). M.C.N. является следователем HHMI.
1.5 mL tube sterile, Dnase, Rnase and purogen free | Stellar Scientific | T17-125 | or similar |
10 mL serological pipette, polystyrene, sterile, nonpyrogenic, DNase-/RNase-free, and Human DNA-free | Corning | 4488 | or similar |
15 cm tissue culture dish | Falcon | 353025 | or similar |
15 mL polypropylene conical tybe | Falcon | 352097 | or similar |
25 mL serological pipette, polystyrene, sterile, nonpyrogenic, DNase-/RNase-free, and Human DNA-free | Corning | 4489 | or similar |
250 mL polypropylene conical tybe | Corning | 430776 | or similar |
293AAV cell line | Cell Biolabs | AAV-100 | |
2-B-mercapto-ethanol, 55mM (1000x) | Gibco | 21985-023 | |
48-well tissue culture plate | Corning | 3548 | or similar |
5 mL serological pipette, polystyrene, sterile, nonpyrogenic, DNase-/RNase-free, and Human DNA-free | Corning | 4487 | or similar |
5 mL syringes with Luer-Lok Tip | BD | 309646 | or similar |
50 mL polypropylene conical tybe | Falcon | 352070 | or similar |
50 mL serological pipette, polystyrene, sterile, nonpyrogenic, DNase-/RNase-free, and Human DNA-free | Corning | 4490 | or similar |
6-well tissue culture plate | Falcon | 353046 | or similar |
AAV-6 Packaging System (plasmids) | Cell Biolabs | VPK-406 | |
AAV6 Reference Materials (full capsids) | Charles River | RS-AAV6-FL | |
Accu-jet S Pipette Controller | Brand | 26350 | or similar pipette controller |
Antibiotic/Antimycotic 100x | Gibco | 15260-062 | |
anti-human CD14 AlexaFluor647 | Biolegend | 301812 | |
anti-human CD14 biotin | BioLegend | 301826 | |
anti-human CD16 AlexaFluor700 | BD Biosciences | 557920 | |
anti-human CD16 biotin | BioLegend | 302004 | |
anti-human CD20 PECy7 | Biolegend | 302312 | |
anti-human CD3 biotin | Thermo Fisher | APS0309 | |
anti-human CD3 PE | BD Biosciences | 552127 | |
anti-human CD33 biotin | Miltenyi | 130-113-347 | |
anti-human CD64 biotin | BioLegend | 305004 | |
anti-human CD66 biotin | Miltenyi | 130-100-143 | |
anti-human CD89 biotin | BioLegend | 354112 | |
anti-human CD8a biotin | BioLegend | 301004 | |
anti-human HLA-DR BV605 | Biolegend | 307640 | |
anti-human Ig light chain lambda APC | Biolegend | 316610 | |
anti-human IgM BV421 | Biolegend | 314516 | |
anti-Human Kappa Light Chain FITC | Fisher Scientific | A18854 | |
Autoclave | Steris | Amsco Lab 250 | or similar |
Cell culture CO2 incubator | Fisher Scientific | 51026331 | or similar |
Centrifugal Filter Unit (Amicon Ultra – 4, 100 kDa) | Millipore | UFC810024 | |
Centrifuge 5920 R | Eppendorf | EP022628188 | or any other, coolable swinging bucket centrifuge with inserts for 96-well plates, 15, 50 and 250 mL size tubes |
Chloroform | Fisher Scientific | C298SK-4 | |
Cpg ODN | Invivogen | tlrl-2395 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 34869-500ML | |
DMEM, High Glucose | Gibco | 11965092 | |
DNaseI (RNase-free) | New England Biolabs | M0303L | |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | |
Electroporation kit (Neon Transfection System 10 µL) | Fisher Scientific | MPK1096 | or other sizes or 100 uL transfection kit MPK 10096 |
Electroporation system (Neon Transfection System) | Fisher Scientific | MPK5000 | |
FCS | Hyclone | SH30910.03* | |
Ficoll-PM400 (Ficoll-Paque PLUS) | Cytiva | 17144002 | or similar |
Fume Hood | Fisher Scientific | FH3943810244 | or similar |
Glutamine 200 mM | Gibco | 25030-081 | |
Graduated Cylinder 1L | Corning | 3022-1L | or similar |
Hemocytometer | Sigma-Aldrich | Z375357-1EA | or similar |
HEPES 1M | Gibco | 15630-080 | |
HEPES 1M | Gibco | 15630-080 | |
Hot Plate Magnetic Stirrer | Fisher Scientific | SP88857200 | or similar |
Human BAFF | Peprotech | 310-13 | |
Human BD Fc Block | BD | 564220 | |
Human IL-10 | Peprotech | 200-10 | |
Human IL-2 | Peprotech | 200-02 | |
Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144S-500 | |
Hydrophilic Polyethersulfone Syringe Filters, (Supor membrane), Sterile – 0.2 µm, 25 mm | Pall | 4612 | |
Insulin-Transferin-Selenium, 100x | Gibco | 41400-045 | |
ITR primer forward: GGAACCCCTAGTGATGGAGTT | Integrated DNA Technologies | custom | |
ITR primer reverse: CGGCCTCAGTGAGCGA | Integrated DNA Technologies | custom | |
Laminar flow biosafety cabinet | The Baker Company | SG403A | or similar |
Large magnetic depletion (LD) Column | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | |
Magentic seperator (MidiMACS separator and multistand) | Miltenyi Biotec | 130-090-329 | |
Magnetic stir bar | Fisher Scientific | 14-512-127 | or similar |
Magnetic streptavidin beads (Streptavidin MicroBeads) | Miltenyi Biotec | 130-048-101 | |
Maxiprep kit | Machery-Nagel | 740414.5 | or similar |
Media Bottles 2L with cap | Cole-Parmer | UX-34514-26 | or similar |
MegaCD40L | Enzo | ALX-522-110-C010 | |
MicroAmp Optical 384-well Reaction Plate | Fisher Scientific | 4309849 | |
MicroAmp Optical Adhesive Film | Fisher Scientific | 4311971 | |
Microcentrifuge 5424 R | Eppendorf | 5404000014 | or any other table top centrifuge for 1.5 mL tubes |
Microwave oven | Panasonic | NN-SD987SA | or similar |
Nikon TMS Inverted Phase Contrast Microscope | Nikon | TMS | or any other Inverted phase-contrast microscope for cell culture |
Non-essential amino acids, 100x | Gibco | 11140-050 | |
Nuclease-free Duplex buffer | Integrated DNA Technologies | 11-01-03-01 | |
Nuclease-free Water | Qiagen | 129115 | |
pH meter | Mettler Toledo | 30019028 | or similar |
Pipetman Classic Starter Kit, 4 Pipette Kit, P2, P20, P200, P1000 and tips | Gilson | F167380 | or similar set of pipettes and tips |
Pluronic F-68 10 % | Gibco | 24040-032 | |
Polyethylene Glycol 8000 | Fisher Scientific | BP233-1 | |
Polyethylenimine, Linear, MW 25000, Transfection Grade (PEI 25K | Polysciences | 23966-100 | |
Precision Balance | Mettler Toledo | ME4001TE | or similar |
Pre-Separation Filters (30 µm) | Miltenyi Biotec | 130-041-407 | |
Pyrex glass beaker 2 L | Cole-Parmer | UX-34502-13 | or similar |
Pyrex glass beaker 250 mL | Millipore Sigma | CLS1000250 | or similar |
qPCR Instrument | Fisher Scientific | 4485691 | or similar |
RC1 antigen randomly biotinylated | Bjorkman lab, CalTech | in house | |
RPMI-1640 | Gibco | 11875-093 | |
S.p. Cas9 Nuclease | Integrated DNA Technologies | 1081059 | |
Scientific 1203 Water Bath | VWR | 24118 | or any water bath set to 37 °C |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S7653-5KG | |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | S8045-500G | |
Sodium Pyruvate 100 mM | Gibco | 11360-070 | |
Sterile Disposable Filter Units with PES Membranes | Thermo Scientific Nalgene | 567-0020 | |
Streptavidin-PE | BD Biosciences | 554061 | |
SYBR Green Master Mix | Fisher Scientific | A25742 | |
Tetracycline-enabled, self-silencing adenoviral vector RepCap6 | Oxgene | TESSA-RepCap6 | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco | 15250061 | |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Gibco | 25300054 | |
Water Purification System | Millipore Sigma | ZEQ7000TR | or similar |
Zombie-NIR | Biolegend | 423106 |