Apresentamos um método de cultura e edição gênica de células B primárias de macaco rhesus usando CRISPR/Cas9 e vírus adenoassociado recombinante sorotipo 6 para o estudo de terapias com células B.
As células B e sua progênie são as fontes de anticorpos altamente expressos. Suas capacidades de alta expressão de proteínas, juntamente com sua abundância, fácil acesso via sangue periférico e facilidade para transferências adotivas simples, tornaram-nas um alvo atraente para abordagens de edição genética para expressar anticorpos recombinantes ou outras proteínas terapêuticas. A edição genética de células B primárias humanas e de camundongos é eficiente, e modelos de camundongos para estudos in vivo têm se mostrado promissores, mas a viabilidade e escalabilidade para modelos animais maiores até agora não foram demonstradas. Por isso, desenvolvemos um protocolo de edição in vitro de células B primárias de macaco rhesus para viabilizar tais estudos. Relatamos condições para cultura in vitro e edição gênica de células B primárias de macaco rhesus a partir de células mononucleares ou esplenócitos do sangue periférico usando CRISPR/Cas9. Para alcançar a integração direcionada de grandes (<4,5 kb), um protocolo rápido e eficiente foi incluído para preparar o sorotipo 6 do vírus adenoassociado recombinante como um modelo de reparo dirigido por homologia usando um vetor auxiliar adenoviral autosilenciador habilitado para tetraciclina. Estes protocolos possibilitam o estudo da terapêutica prospectiva de células B em macacos rhesus.
As células B são a base da imunidade humoral. Após ativação por antígeno cognato e sinais secundários, as células B virgens dão origem às células B do centro germinativo, às células B de memória e aos plasmócitos1. Esta última é a fonte dos anticorpos secretados que medeiam as funções protetoras da maioria das vacinas atualmente disponíveis2. Os plasmócitos têm sido descritos como fábricas de anticorpos, pois secretam grandes quantidades de anticorpos no soro – cerca de 2 ng/dia/célula3, totalizando 7-16 g/L de soro, tornando os anticorpos uma das três proteínas mais abundantes no soro4. As células B são abundantes no sangue e podem, portanto, ser facilmente obtidas e infundidas de volta em um indivíduo.
Essas características tornaram as células B um alvo dos esforços de terapia celular para editar genes o receptor de células B (BCR) e expressar anticorpos amplamente neutralizantes (bNAbs) contra o vírus da imunodeficiência humana (HIV)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 e outras proteínas 16, 17,18,19,20,21. Tais abordagens têm mostrado potencial em inúmeros estudos in vivo em camundongos7,8,10,11,16,22. No entanto, vários obstáculos ainda precisam ser superados para a tradução clínica9,15,23, entre eles a segurança, a duração e a magnitude da eficácia terapêutica, bem como a escalonamento para animais maiores, como primatas não humanos (NHPs). De fato, os NHPs, e em particular os macacos rhesus, que têm uma longa história na pesquisa de anticorpos e HIV24,25, são o modelo mais adequado para testar esses parâmetros.
Aqui, desenvolvemos protocolos que permitem que essas questões sejam abordadas. Até o momento, poucos estudos tentaram cultivar células B de macaco rhesus ex vivo, e apenas a seleção positiva usando CD20 foi relatada para a purificação de células B de macaco rhesus26,27,28. Estabelecemos um protocolo para o isolamento de células B de macaco rhesus intocadas pela depleção negativa de outros tipos celulares. Além disso, condições de cultivo são definidas para a edição gênica direcionada de células B de macaco rhesus. Este protocolo descreve o uso de ribonucleoproteínas CRISPR/Cas9 (RNPs) e vírus adenoassociado recombinante sorotipo 6 (rAAV6) como modelo de reparo dirigido por homologia (HDRT) para editar genes de células B de macaco rhesus cultivadas. Usando este protocolo, eficiências de edição de até 40% com insertos grandes (~1,5 kb) foram alcançadas. Também apresentamos um método rápido e econômico para produzir rAAV6 usando um auxiliar adenoviral autosilenciante habilitado para tetraciclina29 para permitir o teste rápido de HDRTs nesse formato. Combinados, esses protocolos descrevem um fluxo de trabalho eficiente para a edição gênica de células B de macaco rhesus (Figura 1), permitindo a avaliação de terapias com células B em um modelo de NHP.
Para iniciar os experimentos, o material doador pode ser encomendado de fontes comerciais ou obtido por flebotomias ou esplenectomia. Neste estudo, as flebotomias e coletas de sangue foram realizadas conforme descritoanteriormente30 utilizando o anticoagulante EDTA. Para a obtenção de células B esplênicas, primárias de macaco rhesus, foram realizadas esplenectomias parciais (25%-50%) ou totais, utilizando técnicas relatadasanteriormente31. Os animais permaneceram em jejum durante a noite antes da cirurgia. Resumidamente, durante a cirurgia, o abdome foi clipado e preparado com esfoliação alternada de clorexidina e álcool isopropílico a 70% três vezes. Uma incisão (5-10 cm) foi feita no abdome para identificar e isolar o baço. A vasculatura do baço foi ligada com suturas ou pinças vasculares. A incisão foi fechada em duas camadas com pontos de polidioxanona PDS 4-0. A esplenectomia foi realizada uma única vez para um animal individual. Suspensões unicelulares foram preparadas a partir de baços de macacos por maceração através de filtros celulares. Células mononucleares de suspensões de sangue e células esplênicas foram preparadas por centrifugação por gradiente de densidade e armazenadas em nitrogênio líquido.
Os protocolos aqui apresentados fornecem um método rápido e eficiente para gerar altos rendimentos e títulos de rAAV6s como HDRTs e novos métodos para editar eficientemente células B primárias de macaco rhesus in vitro.
O protocolo de produção do rAAV6 é comparativamente simples e rápido, permitindo a produção e teste de muitas construções diferentes simultaneamente sem trabalho excessivo. Se desejado, o rAAV6 pode ser purificado usando protocolos estabelecidos, como ultracentrifugação com gradiente de iodixanol34 ou partição bifásica aquosa35 antes da troca e concentração do tampão.
Embora tenha reduzido o rendimento global, optou-se por usar apenas meio de cultura celular com soro reduzido para a purificação do rAAV6 em vez da purificação do pellet celular, uma vez que a maioria do rAAV6 é liberada no meio36, e a purificação do pellet celular adiciona mais custo e mão de obra. O uso do auxiliar adenoviral auto-inativador aumentou os rendimentos em média de 30 a 40 vezes, permitindo o teste de construtos embalados em AAV6 em um único prato de 15 cm. Embora nosso método de purificação seja básico, usando este método, obtemos relativamente pouca variação lote a lote na eficiência de edição de genes ou viabilidade celular após transdução usando várias linhagens celulares ou outras células primárias (dados não mostrados).
Desenvolvemos um protocolo de purificação de células B de macaco rhesus para obter células B primárias intocadas usando a depleção negativa de populações indesejadas. Embora não seja necessário para a edição gênica dessas células, ele fornece uma maneira de obter uma população relativamente pura de células B primárias de macaco rhesus para esta ou outras aplicações, caso outros tipos celulares interfiram nos objetivos experimentais. No entanto, a pureza vem ao custo de rendimentos globais reduzidos de células B. Notavelmente, para as culturas de células B enriquecidas e não enriquecidas, a fração de células B nas PBMC iniciais ou preparações de espleócitos é crucial. Para PBMCs em particular, recomendamos a triagem de diferentes macacos para indivíduos com uma alta porcentagem de células B no sangue periférico para obter um alto número de células B para experimentos, pois esse valor pode diferir dramaticamente entre os indivíduos27. As CMSP podem ser obtidas por sangramento regular ou leucaferese42.
O protocolo de edição gênica leva à edição gênica eficiente, tipicamente entre 60%-80% de knock-out e 5%-20% de knock-in de células B, embora tenhamos alcançado até 90% de knock-out de BCR e 40% de células B de knock-in de BCR (Figura 5 e Figura 6).
Os principais parâmetros para a edição eficiente de células B de macaco rhesus são a eficiência de corte do sgRNA, os parâmetros de eletroporação, o MOI e a qualidade da preparação de rAAV6. As eficiências de corte dos sgRNAs candidatos devem ser determinadas empiricamente para permitir a edição e o design ideais da HDRT. Os parâmetros de eletroporação aqui apresentados equilibram a eficiência com a viabilidade de obter o número total máximo de células B editadas em vez da maior porcentagem de células B editadas. Se uma porcentagem maior de células editadas for necessária, tensões aumentadas (até 1.750 V) ou comprimentos de pulso alterados (10-30 ms) são recomendados, embora mais morte celular possa ser observada. Também observamos eficiências de edição ligeiramente maiores em células B esplênicas em comparação com células B de PBMCs do mesmo indivíduo (Figura 5); no entanto, a razão subjacente para isso é atualmente desconhecida.
Observamos que a adição de DMSO a 1% após eletroporação aumentou significativamente a eficiência de edição gênica em ~40% em células B de macaco rhesus, sem afetar a viabilidade celular (Figura 6A-C), em concordância com relatos em outras células43. No entanto, a cultura prolongada em DMSO a 1% deve ser evitada e pode afetar a viabilidade celular. O DMSO pode ser completamente omitido, se desejado.
O cultivo das células em pequeno volume após eletroporação por várias horas em conjunto com o rAAV6 leva a maiores eficiências de edição, provavelmente devido à melhor transdução da HDRT pelo rAAV6 e, portanto, à maior concentração intracelular de HDRT no momento relevante em que Cas9 está ativo. Descobrimos que cultivar as células dessa forma por até 8 h não afetou a viabilidade celular, mas as eficiências de edição não aumentaram dramaticamente além de 5 h (Figura 6). Se apenas knock-out em vez de knock-in for necessário, esta etapa pode ser omitida.
Em conclusão, apresentamos protocolos abrangentes para a edição gênica de células B de macaco rhesus in vitro e a produção de rAAV6 HDRT necessária para o knock-in eficiente de construtos desejados. Esses protocolos permitem o teste rápido e custo-efetivo de muitos construtos empacotados como rAAV6 e permitem o teste pré-clínico da viabilidade e escalabilidade de terapias com células B em um modelo de primata não humano mais relevante.
The authors have nothing to disclose.
Gostaríamos de agradecer a Harry B. Gristick e Pamela Bjorkman por fornecerem o antígeno RC1 e a todos os laboratórios Nussenzweig e Martin para discussão crítica. Este trabalho foi apoiado pela bolsa INV-002777 da Fundação Bill e Melinda Gates (para M.C.N.) e pelo Programa de Pesquisa Intramuros do Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas, Institutos Nacionais de Saúde. (R.G. e M.A.M). M.C.N. é Investigador do 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 |