אנו מציגים שיטה לתרבית ועריכה גנטית של תאי מקוק B רזוס ראשוניים באמצעות CRISPR/Cas9 וסרוטיפ 6 הקשור לנגיף אדנו רקומביננטי לחקר טיפולים בתאי B.
תאי B וצאצאיהם הם המקורות לנוגדנים בעלי ביטוי גבוה. יכולות ביטוי החלבונים הגבוהות שלהם, יחד עם השפע שלהם, הנגישות הקלה שלהם דרך הדם ההיקפי והיכולת להעברות אימוץ פשוטות, הפכו אותם למטרה אטרקטיבית לגישות עריכת גנים לביטוי נוגדנים רקומביננטיים או חלבונים טיפוליים אחרים. העריכה הגנטית של תאי B ראשוניים של עכברים ובני אדם היא יעילה, ומודלים של עכברים למחקרי in vivo הראו הבטחה, אך היתכנות ומדרגיות עבור מודלים גדולים יותר של בעלי חיים לא הוכחו עד כה. לכן, פיתחנו פרוטוקול לעריכת תאי B ראשוניים של מקוק רזוס במבחנה כדי לאפשר מחקרים כאלה. אנו מדווחים על תנאים לתרבית חוץ גופית ולעריכה גנטית של תאי מקוק B רזוס ראשוניים מתאי דם חד-גרעיניים היקפיים או מטחול באמצעות CRISPR/Cas9. כדי להשיג אינטגרציה ממוקדת של קלטות גדולות (<4.5 קילובייט), נכלל פרוטוקול מהיר ויעיל להכנת סרוטיפ 6 וירוס הקשור באדנו רקומביננטי כתבנית תיקון מכוונת הומולוגיה באמצעות וקטור עוזר אדנו-ויראלי התומך בטטרציקלין. פרוטוקולים אלה מאפשרים לחקור טיפולים פוטנציאליים בתאי B בקופי מקוק רזוס.
תאי B הם הבסיס לחסינות הומורלית. עם הפעלתם על ידי אנטיגן קוגניטיבי ואותות משניים, תאי B נאיביים יוצרים תאי מרכז נבט B, תאי זיכרון B ותאי פלזמה1. האחרון הוא המקור לנוגדנים המופרשים המתווכים את תפקודי ההגנה של רוב החיסונים הזמינים כיום2. תאי פלזמה תוארו כמפעלי נוגדנים מכיוון שהם מפרישים כמויות עצומות של נוגדנים לסרום – בערך 2 ננוגרם/יום/תא3, בהיקף של 7-16 גרם / ליטר בסרום, מה שהופך את הנוגדנים לאחד משלושת החלבונים הנפוצים ביותר בסרום4. תאי B נמצאים בשפע בדם ולכן ניתן להשיגם בקלות ולהחדיר אותם בחזרה לאדם.
תכונות אלה הפכו את תאי B למטרה של מאמצי תרפיה תאית לעריכה גנטית של קולטן תאי B (BCR) ולבטא נוגדנים מנטרלים באופן רחב (bNAbs) לנגיף הכשל החיסוני האנושי (HIV)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 וחלבונים אחרים 16, 17,18,19,20,21. גישות כאלה הראו פוטנציאל במחקרי עכברים רבים in vivo 7,8,10,11,16,22. עם זאת, עדיין יש להתגבר על מספר משוכות עבור תרגום קליני 9,15,23, ביניהן בטיחות, משך וגודל היעילות הטיפולית, כמו גם הרחבה לבעלי חיים גדולים יותר כגון פרימטים לא אנושיים (NHPs). ואכן, NHPs, ובמיוחד קופי מקוק רזוס, שיש להם היסטוריה ארוכה במחקר נוגדנים ו- HIV24,25, הם המודל המתאים ביותר לבדיקת פרמטרים אלה.
כאן, פיתחנו פרוטוקולים המאפשרים לטפל בבעיות אלה. עד כה, מחקרים מעטים ניסו לגדל תאי Rhesus macaque B ex vivo, ורק ברירה חיובית באמצעות CD20 דווחה לטיהור תאי rhesus macaque B26,27,28. קבענו פרוטוקול לבידוד תאי Rhesus macaque B שלא נגעו בהם על ידי דלדול שלילי של סוגי תאים אחרים. יתר על כן, תנאי גידול מוגדרים לעריכה גנטית ממוקדת של תאי Rhesus macaque B. פרוטוקול זה מתאר את השימוש ב-CRISPR/Cas9 ribonucleoproteins (RNPs) וב-recombinant adeno-associated virus serotype 6 (rAAV6) כתבנית תיקון מכוונת הומולוגיה (HDRT) לעריכת גנים של תאי Rhesus macaque B בתרבית. באמצעות פרוטוקול זה, יעילות עריכה של עד 40% עם תוספות גדולות (~ 1.5 kb) הושגו. אנו מציגים גם שיטה מהירה וחסכונית לייצור rAAV6 באמצעות עוזר אדנו-ויראלי29 תומך טטרציקלין ומשתיק את עצמו כדי לאפשר בדיקה מהירה של HDRT בפורמט זה. יחד, פרוטוקולים אלה מתארים זרימת עבודה יעילה לעריכה גנטית של תאי Rhesus macaque B (איור 1), המאפשרת הערכה של טיפולים בתאי B במודל NHP.
כדי להתחיל את הניסויים, חומר תורם ניתן להזמין ממקורות מסחריים או להשיג על ידי phlebotomies או כריתת טחול. במחקר זה, הפלבוטומיות ואיסוף הדם בוצעו כפי שתואר קודם30 באמצעות נוגד הקרישה EDTA. כדי להשיג תאי מקוק מסוג Rhesus מקוק B ראשוניים, בוצעו כריתות טחול חלקיות (25%-50%) או שלמות באמצעות טכניקות שדווחו קודם לכן31. החיות היו בצום לילה לפני הניתוח. בקצרה, במהלך הניתוח, הבטן נחתכה והוכן עם קרצוף לסירוגין של כלורהקסידין ו 70% אלכוהול איזופרופיל שלוש פעמים. בוצע חתך (5-10 ס”מ) בבטן כדי לזהות ולבודד את הטחול. כלי הדם של הטחול נקשרו בתפרים או במלחציים וסקולריים. החתך נסגר בשתי שכבות עם תפרים פולידיוקסאנון PDS 4-0. כריתת טחול בוצעה פעם אחת עבור חיה בודדת. מתלים חד-תאיים הוכנו מטחול מקוק על ידי השרייה באמצעות מסננות תאים. תאים חד-גרעיניים מתרחיפים של תאי דם וטחול הוכנו באמצעות צנטריפוגה הדרגתית של צפיפות ואוחסנו בחנקן נוזלי.
הפרוטוקולים המוצגים כאן מספקים שיטה מהירה ויעילה ליצירת תפוקות וטיטרים גבוהים של rAAV6s כ- HDRT ושיטות חדשניות לעריכה גנטית יעילה של תאי מקוק B ראשוניים מסוג rhesus במבחנה.
פרוטוקול הייצור של rAAV6 הוא פשוט ומהיר יחסית, ומאפשר ייצור ובדיקה של מבנים רבים ושונים בו זמנית ללא עבודה מוגזמת. אם תרצה, rAAV6 יכול להיות מטוהר עוד יותר באמצעות פרוטוקולים מבוססים כגון יודיקסנול הדרגתי ultracentrifugation34 או מימי דו פאזי חלוקה35 לפני חילופי חיץ וריכוז.
למרות שזה הפחית את התשואה הכוללת, בחרנו להשתמש רק במדיום תרבית תאים מופחת בסרום לטיהור rAAV6 במקום בטיהור מכדורית התא, מכיוון שרוב rAAV6 משתחרר למדיום36, וטיהור מכדורית התא מוסיף יותר עלות ועבודה. השימוש בעוזר אדנו-ויראלי המנטרל את עצמו הגדיל את התשואות פי 30-40 בממוצע, ואיפשר בדיקה של מבנים ארוזים לתוך AAV6 בצלחת אחת של 15 ס”מ. למרות ששיטת הטיהור שלנו היא בסיסית, באמצעות שיטה זו, אנו מקבלים שונות קטנה יחסית מאצווה לאצווה ביעילות עריכת גנים או בכדאיות התא לאחר התמרה באמצעות קווי תאים שונים או תאים ראשוניים אחרים (הנתונים אינם מוצגים).
פיתחנו פרוטוקול טיהור תאי Rhesus macaque B כדי להשיג תאי B ראשוניים שלא נגעו בהם תוך שימוש בדלדול שלילי של אוכלוסיות לא רצויות. למרות שאינו הכרחי לעריכת גנים של תאים אלה, הוא מספק דרך להשיג אוכלוסייה טהורה יחסית של תאי מקוק מקוק B ראשוניים עבור יישום זה או יישומים אחרים אם סוגי תאים אחרים יפריעו למטרות הניסוי. עם זאת, טוהר מגיע במחיר של תפוקה כוללת מופחתת של תאי B. יש לציין כי הן עבור תרביות תאי B המועשרות והן עבור תרביות תאי B שאינן מועשרות, החלק של תאי B בתכשירי PBMC או הטחול הראשוניים הוא קריטי. עבור PBMCs בפרט, אנו ממליצים לסנן קופי מקוק שונים עבור אנשים עם אחוז גבוה של תאי B בדם היקפי כדי לקבל מספר גבוה של תאי B לניסויים, שכן ערך זה יכול להיות שונה באופן דרמטי בין אנשים27. PBMCs ניתן להשיג על ידי דימום רגיל או leukapheresis42.
פרוטוקול עריכת הגנים מוביל לעריכה גנטית יעילה, בדרך כלל בין 60%-80% מתאי הנוק-אאוט ל-5%-20% מתאי B הנוק-אין, אף על פי שהשגנו עד 90% נוק-אאוט BCR ו-40% BCR נוק-אין תאי B (איור 5 ואיור 6).
הפרמטרים העיקריים לעריכה יעילה של תאי Rhesus macaque B הם יעילות החיתוך של sgRNA, פרמטרי האלקטרופורציה, MOI ואיכות הכנת rAAV6. יעילות החיתוך של sgRNA מועמדים צריכה להיקבע אמפירית כדי לאפשר עריכה ועיצוב אופטימליים של HDRT. פרמטרי האלקטרופורציה המוצגים כאן מאזנים יעילות עם כדאיות להשגת המספר הכולל המרבי של תאי B ערוכים ולא האחוז הגבוה ביותר של תאי B ערוכים. אם נדרש אחוז גבוה יותר של תאים ערוכים, מומלץ להשתמש במתח מוגבר (עד 1,750 וולט) או באורכי פולס משתנים (10-30 מילישניות), אם כי ניתן לראות יותר מוות תאי. הבחנו גם ביעילות עריכה מעט גבוהה יותר בתאי B ספלניים בהשוואה לתאי B מ-PBMCs מאותו אדם (איור 5); עם זאת, הסיבה הבסיסית לכך אינה ידועה כרגע.
מצאנו שתוספת של 1% DMSO לאחר אלקטרופורציה הגדילה באופן משמעותי את יעילות עריכת הגנים ב~40% בתאי Rhesus macaque B מבלי להשפיע על יכולת הקיום של התא (איור 6A-C), בהתאם לדיווחים בתאים אחרים43. עם זאת, יש להימנע מתרבית מורחבת ב-1% DMSO ועלולה להשפיע על כדאיות התא. DMSO עשוי להיות מושמט לחלוטין אם תרצה.
תרבית התאים בנפח קטן לאחר אלקטרופורציה במשך מספר שעות יחד עם rAAV6 מובילה ליעילות עריכה גבוהה יותר, כנראה בשל העברה טובה יותר של HDRT על ידי rAAV6, ומכאן, ריכוז תוך תאי גבוה יותר של HDRT בזמן הרלוונטי כאשר Cas9 פעיל. מצאנו שגידול התאים בדרך זו במשך עד 8 שעות לא השפיע על יכולת הקיום של התא, אולם יעילות העריכה לא עלתה באופן דרמטי מעבר ל-5 שעות (איור 6). אם נדרש רק הסתרה במקום נוק-אין, שלב זה עשוי להיות מושמט.
לסיכום, אנו מציגים פרוטוקולים מקיפים לעריכה גנטית של תאי מקוק B רזוס במבחנה ולייצור rAAV6 HDRT הדרוש להזנה יעילה של מבנים רצויים. פרוטוקולים אלה מאפשרים בדיקה מהירה וחסכונית של מבנים רבים ארוזים כ-rAAV6 ומאפשרים בדיקה פרה-קלינית של ההיתכנות והמדרגיות של טיפולים בתאי B במודל פרימטים לא אנושי רלוונטי יותר.
The authors have nothing to disclose.
ברצוננו להודות להארי ב. גריסטיק ופמלה ביורקמן על אספקת האנטיגן RC1 ולכל מעבדות נוסנצווייג ומרטין על דיון ביקורתי. עבודה זו נתמכה על ידי מענק קרן ביל ומלינדה גייטס INV-002777 (ל- M.C.N.) ותוכנית המחקר האינטרמורלית של המכון הלאומי לאלרגיה ומחלות זיהומיות, המכונים הלאומיים לבריאות. (ר”ג ומ.א.מ). M.C.N. הוא חוקר 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 |