El dispositivo o placa de transimmunización (TI) y los protocolos relacionados se han desarrollado para replicar las características clave de la fotoquimioterapia extracorpórea (ECP), en un entorno experimental, lo que permite la producción de células (DCs) para la inmunoterapia oncológica.
La fotoquimioterapia extracorpórea (ECP) es una inmunoterapia de cáncer ampliamente utilizada para el linfoma cutáneo de células T (CTCL), operativa en más de 350 centros universitarios en todo el mundo. Si bien la eficacia clínica y el perfil de seguridad ejemplares de la ECP han impulsado su uso generalizado, la elucidación de los mecanismos subyacentes ha seguido siendo un desafío, en parte debido a la falta de un modelo de laboratorio de ECP. Para superar este obstáculo y crear una plataforma sencilla y fácil de usar para la investigación de ECP, desarrollamos una versión reducida del dispositivo de procesamiento de leucocitos clínico ECP, adecuado para trabajar con modelos de ratón y muestras de sangre humana pequeñas. Este dispositivo se denomina cámara de Transimmunización (TI) o placa. En una serie de experimentos históricos, el dispositivo miniaturizado se usó para producir una vacuna celular que inició regularmente la inmunidad terapéutica contra el cáncer en varios modelos de tumores de ratones singénicos. Al eliminar los factores individuales del sistema experimental y determinar su contribución a la respuesta antitumoral in vivo , se aclararon los impulsores mecánicos clave del potencial de inmunización del ECP. Colectivamente, nuestros resultados revelaron que los efectos antitumorales del ECP son iniciados por las células dendríticas (DC), generadas fisiológicamente a través de la interacción de los monocitos sanguíneos con las plaquetas en la placa TI, y cargadas con antígenos de células tumorales cuya célula apopóntica la muerte se valora finamente por la exposición al agente de reticulación de ADN fotoactivable 8-methoxypsoralen y la luz UVA (8-MOPA). Cuando se devuelve al ratón, esta vacuna celular conduce a la inmunidad de linfocitos T antitumoral específica y transferible. Hemos comprobado que la cámara de TI también es adecuada para el procesamiento de sangre humana, produciendo DCs humano totalmente comparable en estado de activación y perfil a los derivados de la cámara clínica ECP. Los protocolos presentados aquí están destinados a estudios de ECP en ratones y hombres, generación controlada de células tumorales apopónticas con 8-MOPA, y producción rápida de DCS fisiológicos humanos y de ratón derivados de monocitos para una variedad de aplicaciones.
La fotoquimioterapia extracorpórea (ECP) es una inmunoterapia establecida que es ampliamente operativa en centros universitarios de todo el mundo. Su uso ha sido impulsado por la selectividad única, la seguridad y la eficacia bidireccional de la terapia ECP, rasgos que el ECP comparte con el sistema inmunológico fisiológico en sí con el que parece asociarse. El ECP se inmuniza selectivamente contra las células malignas en el linfoma cutáneo de células T (CTCL)1,2y se toleriza selectivamente para los antígenos específicos en los ajustes de trasplante, autoinmunidad y enfermedad de injerto contra huésped (EICH) 3 , 4. la inmunogenicidad del ECP se destaca por su dependencia de un compartimento de células CD8 T intacto en CTCL5, mientras que la especificidad se refleja en el perfil de reacción adversa muy favorable de la ECP, sin supresión inmune fuera de la Diana en el trasplante o La configuración de la EICH, y ninguna susceptibilidad de infección oportunista aumentada en CTCL, donde los clones de linfocitos T no patógenos potencialmente podrían perderse junto con los linfocitos T malignos.
Dada la importancia clínica del ECP, la esperanza de que una mejor comprensión de sus mecanismos podría expandir el alcance terapéutico de la ECP a un espectro más amplio de cánceres y trastornos inmunológicos ha estimulado el interés internacional. Se realizaron y informaron dos talleres sancionados nacionalmente, un Simposio de estado de la ciencia de los institutos nacionales de salud (NIH)6 y una asociación americana para la aféresis, Conferencia de consenso7, con el objetivo de acelerar la identificación de los principales contribuyentes celulares a los efectos anticancerígenos y tolerogénicos de la ECP.
Hasta la fecha, a pesar de los numerosos informes publicados que intentan abordar el mecanismo de la ECP, dos obstáculos primarios han impedido avances científicos. En primer lugar, la investigación de los mecanismos del ECP en el entorno del laboratorio experimental se ha limitado por la falta de un dispositivo ECP en miniatura que refleje plenamente los efectos celulares e in vivo de ECP, y se aplique a los modelos animales. En segundo lugar, el análisis exhaustivo de las muestras de ECP en el entorno clínico ha sido restringido por la disponibilidad limitada de células inmunitarias procesadas por el ECP, que requieren acceso a los centros de tratamiento, y están sujetas además al momento de la infusiones del paciente, y la necesidad ética de conjuntos no comprometidos de leucocitos reinfundidos por el paciente.
Para resolver los obstáculos que impiden el avance de la investigación del ECP, nos hemos establecido para desarrollar un aparato de ECP en miniatura que imitaría más estrechamente los elementos clave de la terapia. El tratamiento estándar del ECP involucra el paso de leucocitos enriquecidos con leucoaféresis de un paciente a través de una lámina de plástico de 1 mm de espesor, ULTRAVIOLETA a luz (uva),6,8. En la placa, los leucocitos están expuestos a 8-methoxypsoralen (8-MOP), un agente fotoactivable que sobre la exposición a la UVA se convierte transientemente a una forma reactiva (8-MOP a), capaz de reticulación de ADN a través de su unión bivalente a bases de pirimidina en hermana DNA hebras9,10. Los leucocitos tratados con8 trapos procesados se recogen y se devuelven por vía intravenosa al paciente.
Dado que el ECP en sí es una terapia bidireccional, inmunizando en el cáncer y tolerizing en los ajustes de trasplante, autoinmunidad y Eich, para aclarar hemos nombrado el modo de inmunización del modelo ECP “transimmunization”, y el modo tolerogénico “transtolerización”. Primero nos centramos en la modalidad de transimmunización. Nuestro dispositivo de ratón a hombre escalable miniaturizado recientemente reportado, la cámara o placa de transimmunización (TI), y el protocolo correspondiente, reproducen los efectos celulares e in vivo del dispositivo ECP humano en un entorno de cáncer11.
Con el fin de hacer que el modelo in vivo de transimmunización sea lo más clínicamente relevante posible, iniciamos la inmunoterapia después de que los tumores singénicos inyectados por vía subcutánea se hicieran palpables, probando así la eficacia del protocolo en el cáncer establecido. Del mismo modo que el ECP en CTCL, el protocolo de transsimmunización de prueba de principio en el modelo YUMM 1.7 de melanoma utiliza células mononucleares de sangre periférica (PBMC) de animales portadores de tumores. Las células se pasan a través de la placa de TI bajo flujo. Mientras que 8-MOPun tratamiento de las células en la cámara en miniatura es posible, es preferible conducirse por separado, para asegurarse de que sólo el tipo de célula deseada se exponea 8-MOP a. Estudios anteriores indican que el efecto tolerogénico de la ECP está mediado por las células de 8-MOP-que presentanunantígeno lesionado12, mientras que el efecto de inmunización requiere 8-MOPuna lesión de las células del tumor objetivo11. En el protocolo de transimmunización, las células tumorales, o las células inmunitarias, pueden exponerse selectivamente a 8-MOP a según sea necesario. Ya que la maximización del tiempo de contacto entrelas células tumorales de 8-MOP y las células dendríticas inducidas por ECP (DC) ha demostrado mejorar significativamente la capacidad inmunotherapéutica de la clínica ECP13, incorporamos una noche paso de la coincubación a nuestro protocolo. Después de la incubación durante la noche, las células tratadas se devuelven al animal que lleva el tumor.
Este sistema redujo de forma fiable el crecimiento tumoral e inició una inmunidad antitumoral específica en ratones con tumores singénicos establecidos11, y nos permitió diseccionar el mecanismo de la eficacia antitumoral clínica de la ECP. En varios estudios hemos demostrado que la inmunidad a ECP se inicia a través de la activación plaquetaria ex vivo en la placa ti14,15. Las plaquetas activadas posteriormente señalan la maduración14de células monocitos a dendríticas, lo que lleva a la producción de DCS fisiológicas. Los controladores de dominio derivados de monocitos recién formados son capaces de interpresentar antígenos internalizados de células tumorales dañadas por 8-MOP para activar las respuestas de células T de antígeno específicas16. Como se sugirió anteriormente12,17, sin embargo, 8-MOPA-inducida por daño de los propios DCS naciente pueden contrarrestar o incluso revertir el efecto antitumoral11, proporcionando un enlace mecanicista a la tolerancia de la ECP.
La placa TI también se ha utilizado para producir controladores de dominio fisiológicamente activados de PBMC humano. De manera similar a los estudios de ratón, los DCs humanos derivados de TI dependen de la placa-pasaje en presencia de plaquetas para su generación, aparecen fenotípicamente idénticos a estos producidos en la placa clínica ECP, y son capaces de procesar eficientemente y antígenos del tumor humano de presentación cruzada para la activación de células T humanas11,16.
Al descubrir el mecanismo de la inmunoterapia de ECP, por lo tanto hemos descubierto un método para la generación rápida de ratones fisiológicos y células dendríticas humanas de especificidad de antígeno deseada, que pueden ser funcionalmente modulada. El innovador dispositivo y Protocolo de TI tiene una importante importancia potencial en los campos de la investigación y la terapia de ECP y la inmunoterapia del cáncer de manera más amplia, y en cualquier otro campo con interés en las células dendríticas funcionales y fisiológicas, ya sea en la inmunización o la modalidad de tolerizing. Esperamos que esta publicación proporcione las herramientas necesarias a quienes tengan interés en dichas áreas de investigación.
El dispositivo miniaturizado y el protocolo descrito anteriormente por primera vez permiten una investigación de laboratorio eficiente de los mecanismos de ECP en sistemas experimentales de ratón, y en muestras de sangre humana pequeñas. Este es un gran avance; por ejemplo, nos permitió demostrar por primera vez la eficacia de la transimmunización contra tumores sólidos en un modelo de ratón 11, abriendo la posibilidad futura de una aplicación similar en oncología humana.
Antes del desarrollo del dispositivo de transimmunización y el método descrito aquí, era imposible investigar completamente todos los aspectos del ECP. En los modelos de ratón, aunque el 8-MOP un aspecto de la terapia podría ser replicadoun poco por el tratamiento de las células en una placa de Petri12,20, no había capacidad para integrar en el método el pasaje de la plancha, que se ha demostrado que proporcionar interacciones plaquetarias dinámicas que son críticamente importantes para la activación de DC fisiológica de ECP14. En estudios en humanos, alternativamente, el componente de flujo estaba completamente presente, pero la capacidad de exponer selectivamente componentes celulares específicos a 8-MOP a, o para protegerlos de él, faltaba21,22. Esto impidió la comprensión completa del mecanismo de ECP, y su optimización para la inmunidad o tolerancia. Además, la cantidad de sangre necesaria para trabajar con el aparato clínico del ECP es grande, dificultando la investigación científica. El dispositivo y el protocolo ECP miniaturizado descritos aquí por primera vez permiten un modelado ECP de laboratorio eficiente, totalmente flexible y ajustable. Además, la placa TI permite la visualización y monitorización en tiempo real de las interacciones celulares dentro de la placa mediante microscopía.
Para el éxito del protocolo utilizando tanto sistemas in vivo como ex vivo, es fundamental que el PBMC tratado contenga monocitos que puedan activarse en controladores de dominio funcionales. Para que esta activación continúe, también es necesario asegurarse de que la fracción PBMC contiene un número fisiológico de plaquetas sanas y activables, y que el protocolo de pasaje de la placa TI se sigue estrechamente. Con el fin de dirigir los controladores de dominio recién activados hacia una reactividad específica, deben proporcionarse con antígeno. Hemos encontrado que el método más eficiente de la entrega de antígeno para la inmunidad contra el cáncer es la coincubación durante la noche de los controladores de dominio recién activados concélulas tumorales de 8-MOP que contienen antígeno. Esto tiene la ventaja añadida de ser capaz de crear una respuesta contra el cáncer inmunogénica sin necesidad de conocimiento previo de los antígenos del tumor, permitiendo que los DCs seleccionarlos. Sin embargo, en los casos en que se conoce el antígeno, tuvimos cierto éxito en los sistemas ex vivo cuando se utilizan péptidos libres como antígenos en la co-incubación. Para aplicaciones inmunogénicas, los controladores de dominio propios deben protegerse de 8-MOPuna exposición. Por último, en experimentos in vivo, es importante trabajar con un modelo animal que sea capaz de inmunidad antitumoral. La transimmunización funciona mediante la creación de controladores de dominio activados, específicos del antígeno, que trabajan en el cuerpo para iniciar respuestas inmunes innatas y adaptativas. La alteración de la actividad o la falta de las células NK, CD4 o CD8 en el ratón tratado afectará la eficacia del protocolo5,11.
Si bien el protocolo descrito aquí es una prueba de principio que se ha optimizado para un modelo de tumor singénico sólido de ratón, sin embargo, revela muchas oportunidades. Los mecanismos de ECP en oncología sólo están siendo elucidados, y todavía hay mucho espacio para una mejor comprensión. En términos más generales, la capacidad de generar un ratón y un DCs humano activados fisiológicamente, y de dirigirlos selectivamente hacia la inmunidad específica de antígeno, tiene muchas aplicaciones potenciales más allá del cáncer. La capacidad de hacer lo mismo, pero en su lugar dirigir los controladores de dominio hacia la tolerancia antígeno-específica, como se sugiere por la eficacia tolerizante de la propia ECP, también tiene implicaciones médicas de amplio alcance. Con este método, esperamos proporcionar las herramientas y abrir una avenida productiva de la investigación para cualquier persona con un interés en las terapias fisiológicas de DC.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por NIH-NCI Spore Grant 1 P50 CA121974 (R. Edelson, M. Girardi); Centro Oncológico NIH support Grant 3 P30 CA16359-28S1 (R. Edelson, M. Girardi); la beca de capacitación del Howard Hughes Medical Institute (A. Vassall); y la Fundación del corazón de Nueva York (R. Edelson, A. Ventura, A. Vassall, H. Ezaldein). El apoyo parcial fue proporcionado por r01 CA196660-01 a M. Bosenberg.
Los autores están agradecidos al Dr. Robert Tigelaar por su tutoría, orientación y perspicacia experimental. Agradecemos a nuestros colegas de Fraunhofer IBMT, especialmente al Dr. Thorsten Knoll, por el desarrollo y la prestación de la cámara de TI equivalente al ECP. Nicholas Theodosakis amablemente ayudó con las etapas iniciales de los experimentos de YUMM. Agradecemos a nuestros donantes voluntarios de sangre, Inger Christensen y su personal profesional en el centro de tratamiento de la ECP de Yale por ayuda con la adquisición de sangre voluntaria. El Dr. Wendell Yarbrough y la Dra. Natalia Issaeva amablemente compartieron con nosotros las líneas celulares SCC61 y SCC61-E6/7. Para obtener asistencia técnica sobre el proyecto, agradecemos al Dr. Julia Lewis por el Consejo del protocolo FACS, y a E. Menet, G. Tokmoulina, C. Cote en Yale FACS Core. Las imágenes cinematográficas de las células dentro de la placa TI fueron adquiridas con la ayuda de Felix Rivera-Molina, PhD, Dept de biología celular y Yale CINEMA Imaging Center, escuela de medicina de Yale. La producción cinematográfica fue supervisada por Andrew Osborne, Senior video Producer, oficina de comunicaciones, escuela de medicina de Yale.
8-MOP (UVADEX 20ug/mL, 10 mL) | Therakos, Inc | Rx only, NDC No. 64067-0216-01 | Protocol steps 3 and 8 – mouse and human 8-MOP/UVA treatment of cells |
AB serum | Lonza BioWhittaker | 14-498E | Protocol step 8.5 – overnight culture of human PBMC |
ACK red cell lysis buffer | Lonza BioWhittaker | 10-548E | Protocol step 2 – mouse PBMC preparation |
Anesthesia Tabletop V1 system with active scavenging | VetEquip | 901820 | Protocol steps 1 and 7 – mouse sc tumor introduction and TI administration |
Autologous mouse plasma | prepare in lab | n/a | Prepare per protocol step 2.4, use in 7.1 – mouse TI treatment administration |
Autologous mouse serum | prepare in lab | n/a | Prepare per protocol step 5, use in step 6.1 – overnight culture of mouse PBMC |
C57Bl/6J mice | Jackson labs | 0000664 | Protocol steps 1, 2, 5 and 7 – mouse tumor injection, blood/serum collection, and therapy return |
Cheek bleed GoldenRod lancet, 5 um | Medipoint | 9891620 | Protocol step 2 – mouse PBMC preparation |
Clear RPMI | Gibco by LifeTech | 11835-030 | Protocol steps 6 and 8 – overnight culture of mouse/human PBMC |
DMEM/F12 | Gibco by LifeTech | 11330-032 | Protocol steps 1 and 2 – YUMM1.7 cell culture |
EasyGrip Petri Dishes, 35mm | Falcon | 351008 | Protocol steps 5 and 8 – overnight culture of mouse/human PBMC |
Eppendorf 1.5mL conical tubes | DOT scientific | 1700-GMT | Protocol steps 1-8 |
FBS (fetal bovine serum, heat-inactivated) | SAFC Biosciences | 12306C-500mL | Protocol steps 1-4 – YUMM1.7 cell culture, 8-MOP/UVA treatment of cells, TI plate |
Hemavet 950FS hematology counter | Drew Scientific | HV950FS | Protocol step 8.2 – monitoring human platelet numbers |
Heparin 5,000U/mL | McKesson Packaging services | 949512 | Protocol steps 2 and 8 – mouse and human PBMC preparation |
Isoflurane | Abbott Laboratories | 5260-04-05 | Protocol steps 1 and 7 – mouse sc tumor introduction and TI administration |
Lympholyte M lymphocyte isolation medium | Cedarlane Labs | CL5035 | Protocol step 2 – mouse PBMC preparation |
Non-essential amino acids | Gibco by LifeTech | 11140-050 | Protocol steps 1 and 2 – YUMM1.7 cell culture |
PBS (1x DPBS, (-) Ca+2, (-) Mg+2) | Gibco by LifeTech | 14190-144 | Protocol steps 1-7 |
Pen/strep | Gibco by LifeTech | 15140-122 | Protocol steps 1 and 2 – YUMM1.7 cell culture |
Polypropylene 15mL conical tubes | Falcon | 352097 | Protocol steps 1-8 |
Programmable 2-channel syringe pump | New Era Pump Systems Inc | model NE-4000 | Protocol steps 4 and 8 – running the TI plate |
Retro-orbital injection needles, 27G x 1/2 | BD Biosciences | 305109 | Protocol step 7 – mouse TI treatment administration |
Syringes, 10mL (LUER-LokTip) | BD Biosciences | 309604 | Protocol steps 4, 8 – running the TI plate |
Syringes, 1mL (Slip tip) | BD Biosciences | 309659 | Protocol steps 1, 4, 7, 8 |
TI plate and tubing set | Transimmune AG | not commercially available | Please contact Prof. R. Edelson or Transimmune in order to obtain the device on a collaborative basis. |
TI plate running platform | Transimmune AG | not commercially available | Please contact Prof. R. Edelson or Transimmune in order to obtain the device on a collaborative basis. |
Tissue culture flasks, T75 (75 cm2) | Falcon | 353136 | Protocol steps 1, 2, 6 and 8 – mouse and human cell culture |
Tissue culture plates, 12-well | Falcon | 353043 | Protocol steps 3 and 8 – mouse and human 8-MOP/UVA treatment of cells |
Tissue culture scrapers | Falcon | 353085 | Protocol steps 6 and 8 – overnight culture of mouse/human PBMC |
Trypsin-EDTA 0.25% (1x) | Gibco by LifeTech | 25200-056 | Protocol steps 1 and 2 – YUMM1.7 cell culture |
Tumor injection needles, 25G x 5/8 | BD Biosciences | 305122 | Protocol step 1 – mouse subcutaneous tumor introduction |
UVA irradiator | Johnson and Johnson | not commercially available | The apparatus was specifically developed by J&J for Prof. R. Edelson's laboratory. Several machines are available in the laboratory on a collaborative basis; please contact Prof. R. Edelson for use of one. Alternative UVA irradiators are commercially available but have not been tested by us. |
Invitrogen EVOS FL Auto 2 Imaging System | Invitrogen | fluorescence imaging instrument |