Presentamos un método para el cultivo y edición génica de células B primarias de macaco rhesus utilizando CRISPR/Cas9 y virus adenoasociados recombinantes serotipo 6 para el estudio de terapias de células B.
Las células B y su progenie son las fuentes de anticuerpos altamente expresados. Sus altas capacidades de expresión de proteínas junto con su abundancia, fácil acceso a través de sangre periférica y facilidad para transferencias adoptivas simples los han convertido en un objetivo atractivo para los enfoques de edición de genes para expresar anticuerpos recombinantes u otras proteínas terapéuticas. La edición de genes de células B primarias de ratón y humano es eficiente, y los modelos de ratón para estudios in vivo han demostrado ser prometedores, pero hasta ahora no se ha demostrado la viabilidad y escalabilidad para modelos animales más grandes. Por lo tanto, desarrollamos un protocolo para editar las células B primarias del macaco rhesus in vitro para permitir tales estudios. Informamos las condiciones para el cultivo in vitro y la edición génica de células B primarias de macaco rhesus a partir de células mononucleares de sangre periférica o esplenocitos utilizando CRISPR / Cas9. Para lograr la integración específica de casetes grandes (<4,5 kb), se incluyó un protocolo rápido y eficiente para preparar el serotipo 6 del virus adenoasociado recombinante como plantilla de reparación dirigida por homología utilizando un vector auxiliar adenoviral autosilenciador habilitado para tetraciclina. Estos protocolos permiten el estudio de posibles terapias de células B en macacos rhesus.
Las células B son la base de la inmunidad humoral. Tras la activación por antígeno afín y señales secundarias, las células B ingenuas dan lugar a células B del centro germinal, células B de memoria y células plasmáticas1. Este último es la fuente de los anticuerpos secretados que median las funciones protectoras de la mayoría de las vacunas actualmente disponibles2. Las células plasmáticas se han descrito como fábricas de anticuerpos, ya que secretan grandes cantidades de anticuerpos en el suero, aproximadamente 2 ng / día / célula3, que ascienden a 7-16 g / L de suero, lo que hace que los anticuerpos sean una de las tres proteínas más abundantes en el suero4. Las células B son abundantes en la sangre y, por lo tanto, pueden obtenerse fácilmente e infundirse de nuevo en un individuo.
Estos rasgos han hecho de las células B un objetivo de los esfuerzos de terapia celular para editar genéticamente el receptor de células B (BCR) y expresar anticuerpos ampliamente neutralizantes (bNAbs) contra el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 y otras proteínas 16, 17,18,19,20,21. Tales enfoques han mostrado potencial en numerosos estudios con ratones in vivo 7,8,10,11,16,22. Sin embargo, aún deben superarse varios obstáculos para la traducción clínica 9,15,23, entre ellos la seguridad, la duración y la magnitud de la eficacia terapéutica, así como la escala a animales más grandes, como los primates no humanos (NHP). De hecho, los PNH, y en particular los macacos rhesus, que tienen una larga historia en la investigación de anticuerpos y VIH24,25, son el modelo más adecuado para probar estos parámetros.
Aquí, desarrollamos protocolos que permiten abordar estos problemas. Hasta la fecha, pocos estudios han intentado cultivar células B de macaco rhesus ex vivo, y solo se ha reportado una selección positiva usando CD20 para la purificación de células B de macaco rhesus26,27,28. Hemos establecido un protocolo para el aislamiento de células B de macaco rhesus intactas por el agotamiento negativo de otros tipos de células. Además, se definen las condiciones de cultivo para la edición génica dirigida de las células B del macaco rhesus. Este protocolo describe el uso de ribonucleoproteínas (RNP) CRISPR / Cas9 y virus adenoasociado recombinante serotipo 6 (rAAV6) como plantilla de reparación dirigida por homología (HDRT) para editar genes cultivados de células B de macaco rhesus. Usando este protocolo, se lograron eficiencias de edición de hasta el 40% con inserciones grandes (~ 1.5 kb). También presentamos un método rápido y rentable para producir rAAV6 utilizando un ayudante adenoviral autosilenciante habilitado para tetraciclina29 para permitir la prueba rápida de HDRT en este formato. Combinados, estos protocolos describen un flujo de trabajo eficiente para la edición génica de células B de macaco rhesus (Figura 1), lo que permite la evaluación de terapias de células B en un modelo NHP.
Para comenzar los experimentos, el material del donante puede solicitarse de fuentes comerciales u obtenerse mediante flebotomías o esplenectomías. En este estudio, las flebotomías y las colecciones de sangre se realizaron como se describió anteriormente30 utilizando el anticoagulante EDTA. Para obtener células B esplénicas, primarias de macaco rhesus, se realizaron esplenectomias parciales (25%-50%) o totales, utilizando técnicas reportadas anteriormente31. Los animales fueron ayunados durante la noche antes de la cirugía. Brevemente, durante la cirugía, el abdomen fue recortado y preparado con exfoliantes alternos de clorhexidina y alcohol isopropílico al 70% tres veces. Se realizó una incisión (5-10 cm) en el abdomen para identificar y aislar el bazo. La vasculatura del bazo se ligó con suturas o pinzas vasculares. La incisión se cerró en dos capas con 4-0 suturas de polidioxanona PDS. La esplenectomía se realizó una sola vez para un animal individual. Las suspensiones unicelulares se prepararon a partir de bazos de macaco por maceración a través de filtros celulares. Las células mononucleares de la sangre y las suspensiones de células esplénicas se prepararon mediante centrifugación por gradiente de densidad y se almacenaron en nitrógeno líquido.
Los protocolos presentados aquí proporcionan un método rápido y eficiente para generar altos rendimientos y títulos de rAAV6 como HDRT y métodos novedosos para editar genéticamente de manera eficiente las células B primarias del macaco rhesus in vitro.
El protocolo de producción rAAV6 es comparativamente simple y rápido, permitiendo la producción y prueba de muchas construcciones diferentes simultáneamente sin mano de obra excesiva. Si se desea, rAAV6 se puede purificar aún más utilizando protocolos establecidos como la ultracentrifugación de gradiente de iodixanol34 o la partición acuosa de dos fases35 antes del intercambio y concentración de tampón.
Aunque redujo el rendimiento general, optamos por usar solo medio de cultivo celular reducido en suero para la purificación de rAAV6 en lugar de purificación del pellet celular, ya que la mayoría de rAAV6 se libera en el medio36, y la purificación del pellet celular agrega más costo y mano de obra. El uso del ayudante adenoviral autoinactivador aumentó los rendimientos 30-40 veces en promedio, permitiendo la prueba de construcciones empaquetadas en AAV6 en un solo plato de 15 cm. Aunque nuestro método de purificación es básico, usando este método, obtenemos relativamente poca variación de lote a lote en la eficiencia de edición de genes o la viabilidad celular después de la transducción utilizando varias líneas celulares u otras células primarias (datos no mostrados).
Desarrollamos un protocolo de purificación de células B de macaco rhesus para obtener células B primarias intactas utilizando el agotamiento negativo de poblaciones no deseadas. Aunque no es necesario para la edición de genes de estas células, proporciona una forma de obtener una población relativamente pura de células B de macaco rhesus primario para esta u otras aplicaciones en caso de que otros tipos de células interfieran con los objetivos experimentales. Sin embargo, la pureza tiene el costo de reducir los rendimientos generales de células B. En particular, tanto para los cultivos de células B enriquecidos como para los no enriquecidos, la fracción de células B en las preparaciones iniciales de PBMC o esplenocitos es crucial. Para las PBMC en particular, recomendamos el cribado de diferentes macacos para individuos con un alto porcentaje de células B en sangre periférica para obtener un alto número de células B para experimentos, ya que este valor puede diferir dramáticamente entre individuos27. Las PBMC pueden obtenerse por sangrado regular o leucoféresis42.
El protocolo de edición de genes conduce a una edición genética eficiente, típicamente entre el 60% -80% de knock-out y el 5% -20% de las células B knock-in, aunque hemos logrado hasta un 90% de BCR knock-out y 40% de BCR knock-in B (Figura 5 y Figura 6).
Los principales parámetros para la edición eficiente de las células B de macaco rhesus son la eficiencia de corte del sgRNA, los parámetros de electroporación, el MOI y la calidad de la preparación rAAV6. Las eficiencias de corte de los sgRNAs candidatos deben determinarse empíricamente para permitir una edición y diseño óptimos del HDRT. Los parámetros de electroporación presentados aquí equilibran la eficiencia con la viabilidad para obtener el número total máximo de células B editadas en lugar del porcentaje más alto de células B editadas. Si se requiere un mayor porcentaje de celdas editadas, se recomiendan mayores voltajes (hasta 1.750 V) o longitudes de pulso alteradas (10-30 ms), aunque se puede observar más muerte celular. También observamos eficiencias de edición ligeramente más altas en las células B esplénicas en comparación con las células B de PBMC del mismo individuo (Figura 5); Sin embargo, la razón subyacente de esto es actualmente desconocida.
Encontramos que la adición de DMSO al 1% después de la electroporación aumentó significativamente la eficiencia de edición de genes en ~ 40% en células B de macaco rhesus sin afectar la viabilidad celular (Figura 6A-C), en línea con los informes en otras células43. Sin embargo, se debe evitar el cultivo prolongado en DMSO al 1% y puede afectar la viabilidad celular. DMSO puede omitirse por completo si se desea.
El cultivo de las células en un pequeño volumen después de la electroporación durante varias horas junto con el rAAV6 conduce a mayores eficiencias de edición, probablemente debido a la mejor transducción de HDRT por el rAAV6 y, por lo tanto, la mayor concentración intracelular de HDRT en el momento relevante cuando Cas9 está activo. Encontramos que cultivar las células de esta manera hasta 8 h no afectó la viabilidad celular, pero las eficiencias de edición no aumentaron dramáticamente más allá de 5 h (Figura 6). Si solo se requiere knock-out en lugar de knock-in, este paso puede omitirse.
En conclusión, presentamos protocolos integrales para la edición génica de células B de macaco rhesus in vitro y la producción de rAAV6 HDRT necesaria para el knock-in eficiente de las construcciones deseadas. Estos protocolos permiten la prueba rápida y rentable de muchas construcciones empaquetadas como rAAV6 y permiten la prueba preclínica de la viabilidad y escalabilidad de las terapias de células B en un modelo de primates no humanos más relevante.
The authors have nothing to disclose.
Nos gustaría agradecer a Harry B. Gristick y Pamela Bjorkman por proporcionar el antígeno RC1 y a todos los laboratorios de Nussenzweig y Martin para una discusión crítica. Este trabajo fue apoyado por la subvención INV-002777 de la Fundación Bill y Melinda Gates (a M.C.N.) y el Programa de Investigación Intramuros del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas, Institutos Nacionales de Salud. (R.G. y M.A.M). M.C.N. es un investigador del 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 |