Productie van Adeno-geassocieerde virusvectoren in celstapels voor preklinische studies in grote diermodellen
Summary
Hier bieden we een gedetailleerde procedure voor grootschalige productie van onderzoekskwaliteit AAV-vectoren met behulp van adherente HEK 293-cellen gekweekt in celstapels en affiniteitschromatografiezuivering. Dit protocol levert consequent >1 x 1013 vectorgenomen /ml op, wat vectorhoeveelheden oplevert die geschikt zijn voor grote dierstudies.
Abstract
Adeno-geassocieerde virus (AAV) vectoren behoren tot de meest klinisch geavanceerde gentherapie vectoren, met drie AAV gentherapieën goedgekeurd voor mensen. Klinische vooruitgang van nieuwe toepassingen voor AAV omvat de overgang van kleine diermodellen, zoals muizen, naar grotere diermodellen, waaronder honden, schapen en niet-menselijke primaten. Een van de beperkingen van het toedienen van AAV aan grotere dieren is de vereiste voor grote hoeveelheden hoogtitervirus. Hoewel suspensiecelcultuur een schaalbare methode is voor de productie van AAV-vectoren, hebben maar weinig onderzoekslaboratoria de apparatuur (bijvoorbeeld bioreactoren) of weten ze hoe ze AAV op deze manier kunnen produceren. Bovendien zijn AAV-titers vaak aanzienlijk lager wanneer ze worden geproduceerd in suspensie HEK 293-cellen in vergelijking met adherente HEK293-cellen. Hier wordt een methode beschreven voor het produceren van grote hoeveelheden AAV met hoge titer met behulp van celstapels. Een gedetailleerd protocol voor het titeren van AAV en methoden voor het valideren van vectorzuiverheid worden ook beschreven. Ten slotte worden representatieve resultaten van AAV-gemedieerde transgene expressie in een schapenmodel gepresenteerd. Dit geoptimaliseerde protocol voor grootschalige productie van AAV-vectoren in adherente cellen zal moleculair biologische laboratoria in staat stellen om het testen van hun nieuwe AAV-therapieën in grotere diermodellen te bevorderen.
Introduction
Gentherapie met behulp van adeno-geassocieerde virus (AAV) vectoren heeft enorme vooruitgang geboekt in de afgelopen drie decennia1,2. Aangetoonde verbeteringen in een breed scala aan genetische ziekten, waaronder aangeboren blindheid, hemofilie en ziekten van het bewegingsapparaat en het centrale zenuwstelsel, hebben AAV-gentherapie naar de voorgrond van klinisch onderzoek gebracht3,4. In 2012 keurde het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA) Glybera goed, een AAV1-vector die lipoproteïnelipase (LPL) tot expressie brengt voor de behandeling van LPL-deficiëntie, waardoor het de eerste handelsvergunning is voor een gentherapiebehandeling in Europa of de Verenigde Staten5. Sindsdien hebben twee extra AAV-gentherapieën, Luxturna6 en Zolgensma7,fda-goedkeuring gekregen en de markt zal naar verwachting de komende 5 jaar snel groeien met maar liefst 10-20 gentherapieën verwacht tegen 20258. Beschikbare klinische gegevens geven aan dat AAV-gentherapie een veilige, goed verdragen en effectieve modaliteit is, waardoor het een van de meest veelbelovende virale vectoren is, met meer dan 244 klinische onderzoeken met AAV geregistreerd bij ClinicalTrials.gov. De toenemende interesse in klinische toepassingen met AAV-vectoren vereist robuuste en schaalbare productiemethoden om de evaluatie van AAV-therapieën in grote diermodellen te vergemakkelijken, omdat dit een cruciale stap is in de translationele pijplijn9.
Voor de productie van AAV-vectoren zijn de twee belangrijkste vereisten het AAV-genoom en de capside. Het genoom van wild-type (wt)-AAV is enkelstrengs DNA dat ongeveer 4,7 kb lang is10. Het wt-AAV-genoom bestaat uit omgekeerde terminale herhalingen (ITR’s) aan beide uiteinden van het genoom, die belangrijk zijn voor verpakking, en de rep- en capgenen 11. De rep- en capgenen, die nodig zijn voor genoomreplicatie, assemblage van de virale capsid en inkapseling van het genoom in de virale capsid, worden uit het virale genoom verwijderd en in trans geleverd voor AAV-vectorproductie12. De verwijdering van deze genen uit het virale genoom biedt ruimte voor therapeutische transgenen en alle noodzakelijke regulerende elementen, waaronder de promotor en het polyA-signaal. De ITR’s blijven in het vectorgenoom om te zorgen voor een goede genoomreplicatie en virale inkapseling13,14. Om de kinetiek van transgenexpressie te verbeteren, kunnen AAV-vectorgenomen worden ontworpen om zelfcomplementair te zijn, wat de behoefte aan conversie van enkelstrengs naar dubbelstrengs DNA-conversie tijdens AAV-genoomreplicatie vermindert, maar de codeercapaciteit vermindert tot ~ 2,4 kb15.
Naast het ontwerp van het AAV-genoom bepaalt capsid serotypeselectie het weefsel- en celtropisme van de AAV-vector in vivo2. Naast weefseltropisme is aangetoond dat verschillende AAV-serotypen verschillende genexpressiekinetiek vertonen16. Zincarelli et al.17 classificeerden bijvoorbeeld verschillende AAV-serotypen in serotypen met lage expressie (AAV2, 3, 4, 5), matige expressieserotypen (AAV1, 6, 8) en serotypen met hoge expressie (AAV7 en 9). Ze categoriseerden ook AAV-serotypen in langzaam optredende expressie (AAV2, 3, 4, 5) of snel optredende expressie (AAV1, 6, 7, 8 en 9). Deze divergente tropismen en genexpressiekinetiek zijn te wijten aan aminozuurvariaties in de capside-eiwitten, capside-eiwitformaties en interacties met gastheercelreceptoren / co-receptoren18. Sommige AAV-capsiden hebben extra gunstige eigenschappen, zoals het vermogen om de bloed-hersenbarrière te passeren na intravasculaire toediening (AAV9) of verblijven in langlevende spiercellen voor duurzame transgenexpressie (AAV6, 6.2FF, 8 en 9)19,20.
Dit artikel is bedoeld om een kosteneffectieve methode te beschrijven voor het produceren van zeer zuivere, hoogtiterige, onderzoekskwaliteit AAV-vectoren voor gebruik in preklinische grote diermodellen. Productie van AAV met behulp van dit protocol wordt bereikt met behulp van dual-plasmid transfectie in adheren human embryonic kidney (HEK)293 cellen gekweekt in celstapels. Verder beschrijft de studie een protocol voor heparinesulfaataffiniteitschromatografiezuivering, dat kan worden gebruikt voor AAV-serotypen die heparinebindende domeinen bevatten, waaronder AAV2, 3, 6, 6.2FF, 13 en DJ21,22.
Er zijn een aantal verpakkingssystemen beschikbaar voor de productie van AAV-vectoren. Onder deze, het gebruik van een twee-plasmide co-transfectie systemen, waarin de Rep en Cap genen en Ad helper genen (E1A, E1B55K, E2A, E4orf6, en VA RNA) zijn opgenomen in één plasmide (pHelper), heeft een aantal praktische voordelen ten opzichte van de gemeenschappelijke drie-plasmide (triple) transfectie methode, waaronder lagere kosten voor plasmide productie23,24 . Het AAV-genoomplasmide dat de transgenexpressiecassette (pTransgene) bevat, moet worden geflankeerd door ITR’s en mag niet langer zijn dan ~ 4,7 kb. Vectortiter en zuiverheid kunnen worden beïnvloed door het transgen als gevolg van mogelijke cytotoxische effecten tijdens transfectie. Beoordeling van vectorzuiverheid wordt hierin beschreven. Vectoren geproduceerd met behulp van deze methode, die een 1 x 1013 vg / ml voor elk opleveren, werden geëvalueerd in muizen, hamsters en schapen diermodellen.
Tabel 1: Samenstelling van de vereiste oplossingen. Noodzakelijke informatie, inclusief percentages en volumes, van componenten die nodig zijn voor verschillende oplossingen in het protocol. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Protocol
Representative Results
Discussion
De productie van recombinante AAV (rAAV) vectoren beschreven in dit artikel maakt gebruik van gemeenschappelijke materialen, reagentia en apparatuur gevonden in de meerderheid van de moleculair biologische onderzoekslaboratoria en faciliteiten. Dit papier maakt het mogelijk om hoogwaardige in vitro en in vivo kwaliteit rAAV te produceren door de lezer. Bovenal is dit protocol voor rAAV-productie, vergeleken met meer vervelende protocollen met cesiumchloridezuivering, efficiënt en vermijdt het gebruik v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Amira D. Rghei, Brenna A. Y. Stevens, Sylvia P. Thomas en Jacob G. E. Yates ontvingen Ontario Veterinary College Student Stipendommen en Ontario Graduate Scholarships. Amira D. Rghei ontving een Mitacs Accelerate Studentship. Dit werk werd gefinancierd door de Canadian Institutes for Health Research (CIHR) Project Grant (# 66009) en een Collaborative Health Research Projects (NSERC partnered) grant (# 433339) aan SKW.
Materials
| 0.22 μm filter | Millipore Sigma | S2GPU05RE | |
| 0.25% Trypsin | Fisher Scientific | SM2001C | |
| 1-Butanol | Thermo Fisher Scientific | A399-4 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| 10 chamber cellstack | Corning | 3271 | |
| 1L PETG bottle | Thermo Fisher Scientific | 2019-1000 | |
| 30% Acrylamide/Bis Solution | Bio-Rad | 1610158 | |
| 96-well skirted plate | FroggaBio | FS-96 | |
| Adhesive plate seals | Thermo Fisher Scientific | 08-408-240 | |
| Ammonium persulfate (APS) | Bio-Rad | 161-0700 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| Blood and Tissue Clean up Kit | Qiagen | 69506 | Use for DNA clean up in section 4.6 of protocol |
| Bromophenol blue | Fisher Scientific | B392-5 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| Cell Culture Dishes | Greiner bio-one | 7000232 | 15 cm plates |
| Culture Conical Tube | Thermo Fisher Scientific | 339650 | 15 mL conical tube |
| Culture Conical Tube | Fisher Scientific | 14955240 | 50 mL conical tube |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) with 1000 mg/L D-glucose, L-glutamine | Cytiva Life Sciences | SH30022.01 | |
| ECL Western Blotting Substrate | Thermo Fisher Scientific | 32209 | |
| Ethanol | Greenfield | P016EA95 | Dilute ethyl alcohol(95% vol) to 20% for section 3.7.4 and 70% for section 6.1.1.1 |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific | SH30396.03 | |
| Glacial acetic acid | Fisher Scientific | A38-500 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| Glycerol | Fisher Scientific | BP229-1 | |
| Glycine | Fisher Scientific | BP381-500 | |
| HBSS with Mg2+ and Ca2+ | Thermo Fisher Scientific | SH302268.02 | |
| HBSS without Mg2+ and Ca2+ | Thermo Fisher Scientific | SH30588.02 | |
| HEK293 cells | American Tissue Culture Collection | CRL-1573 | Upon receipt, thaw the cells and culture as described in manufacturer’s protocol. Once cells have been minimally passaged and are growing well, freeze a subfraction for future in aliquots and store in liquid nitrogen. Always use cells below passage number 30. Once cultured cells have been passaged more than 30 times, it is recommended to restart a culture from the stored aliquots |
| HEK293 host cell protein ELISA kit | Cygnus Technologies | F650S | Follow manufacturer’s instructions |
| Heparin sulfate column | Cytiva Life Sciences | 17040703 | |
| Kimwipe | Thermo Fisher Scientific | KC34120 | |
| L-glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific | SH30034.02 | |
| Large Volume Centrifuge Tube Support Cushion | Corning | CLS431124 | Support cushion must be used with large volume centrifuge tubes uless the centrifuge rotor has the approriate V-bottom cushions |
| Large Volume Centrifuge Tubes | Corning | CLS431123-6EA | 500 mL centrifuge tubes |
| MgCl2 | Thermo Fisher Scientific | 7791-18-6 | |
| Microcentrifuge tube | Fisher Scientific | 05-408-129 | 1.5 mL microcentrifuge tube, sterilize prior to use |
| Molecular Grade Water | Cytiva Life Sciences | SH30538.03 | |
| N-Lauroylsarcosine sodium salt | Sigma Aldrich | L5125 | CAUTION. Wear gloves |
| NaCl | Thermo Fisher Scientific | BP35810 | |
| Optimem, reduced serum medium | Thermo Fisher Scientific | 31985070 | |
| Pasteur pipets | Fisher Scientific | 13-678-20D | Sterilize prior to use |
| PBS (10x) | Thermo Fisher Scientific | 70011044 | Dilute to 1x for use on cells |
| Penicillin-Streptomycin Solution | Cytiva Life Sciences | SV30010 | |
| pHelper plasmid | De novo design or obtained from plasmid repository | NA | |
| Pipet basin | Thermo Fisher Scientific | 13-681-502 | Purchase sterile pipet basins |
| Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether (Triton X-100) | Thermo Fisher Scientific | 9002-93-1 | CAUTION. Wear gloves |
| Polyethylenimine (PEI) | Polyscience | 24765-1 | Follow manufacturer’s instructions to produce a 1L solution. 0.22μm filter and store at 4°C |
| Polypropylene semi-skirted PCR Plate | FroggaBio | WS-96 | |
| Polysorbate 20 (Tween 20) | Thermo Fisher Scientific | BP337-100 | CAUTION. Wear gloves |
| polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane | Cytiva Life Sciences | 10600023 | Use forceps to manipulate. Wear gloves. |
| Primary antibody | Progen | 65158 | |
| Protein Ladder | FroggaBio | PM008-0500 | |
| Proteinase K | Thermo Fisher Scientific | AM2546 | |
| pTrangene plasmid | De novo design or obtained from plasmid repository | NA | Must contain SV40 polyA in genome to be compatible with AAV titration in section 5.0 |
| Pump tubing | Cole-Parmer | RK-96440-14 | Optimize length of tubing and containment of virus in fractions E1-E5 |
| RQ1 Dnase 10 Reaction Buffer | Promega | M6101 | Use at 10x concentration in protocol from section 4.0 |
| RQ1 Rnase-free Dnase | Promega | M6101 | |
| Sample dilutent | Cygnus Technologies | I700 | Must be purchased separately for use with HEK293 host cell protein ELISA kit |
| Secondary antibody, HRP | Thermo Fisher Scientific | G-21040 | |
| Skim milk powder | Oxoid | LP0033B | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Thermo Fisher Scientific | 28312 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Thermo Fisher Scientific | SS266-4 | |
| SV40 polyA primer probe | IDT | Use sequence in Table X for quote from IDT for synthesis | |
| Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Thermo Fisher Scientific | 15524010 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-5 | |
| Trypan blue | Bio-Rad | 1450021 | |
| Ultra-Filter | Millipore Sigma | UFC810024 | Ultra-4 Centrifugal 10K device must be used, as it has a 10000 molecular weight cutoff |
| Universal Nuclease for cell lysis | Thermo Fisher Scientific | 88702 | |
| Universal qPCR master mix | NEB | M3003L | |
| Whatman Paper | Millipore Sigma | WHA1001325 | |
| β-mercaptoethanol | Fisher Scientific | 21985023 | CAUTION. Use under a laminar flow hood. Wear gloves |
| CAUTION: Refer to the Materials Table for guidelines on the use of dangerous chemicals. |
References
- Hastie, E., Samulski, R. J. Adeno-associated virus at 50: A golden anniversary of discovery, research, and gene therapy success-a personal perspective. Human Gene Therapy. 26 (5), 257-265 (2015).
- Wang, D., Tai, P. W. L., Gao, G. Adeno-associated virus vector as a platform for gene therapy delivery. Nature Reviews Drug Discovery. 18 (5), 358-378 (2019).
- Nathwani, A. C., et al. Long-term safety and efficacy of factor IX gene therapy in hemophilia B. The New England Journal of Medicine. 371 (21), 1994-2004 (2014).
- Kuzmin, D. A., et al. The clinical landscape for AAV gene therapies. Nature Reviews Drug Discovery. 20 (3), 173-174 (2021).
- Ylä-Herttuala, S. Endgame: glybera finally recommended for approval as the first gene therapy drug in the European union. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 20 (10), 1831-1832 (2012).
- FDA approves novel gene therapy to treat patients with a rare form of inherited vision loss. FDA News Release. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-novel-gene-therapy-treat-patients-rare-form-inherited-vision-loss (2020)
- FDA approves innovative gene therapy to treat pediatric patients with spinal muscular atrophy, a rare disease and leading genetic cause of infant mortality. FDA News Release. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-innovative-gene-therapy-treat-pediatric-patients-spinal-muscular-atrophy-rare-disease (2020)
- Statement from FDA Commissioner Scott Gottlieb, MD and Peter Marks, MD Ph.D., Director of the Center for Biologics Evaluation and Research on new policies to advance development of safe and effective cell and gene therapies. FDA Available from: https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/statement-fda-commissioner-scott-gottlieb-md-and-peter-marks-md-phd-director-center-biologics (2020)
- Asokan, A., Schaffer, D. V., Samulski, R. J. The AAV vector toolkit: poised at the clinical crossroads. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 20 (4), 699-708 (2012).
- Rose, J. A., Hoggan, M. D., Shatkin, A. J. Nucleic acid from an adeno-associated virus: chemical and physical studies. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 56 (1), 86-92 (1966).
- Lusby, E., Fife, K. H., Berns, K. I. Nucleotide sequence of the inverted terminal repetition in adeno-associated virus DNA. Journal of Virology. 34 (2), 402-409 (1980).
- Masat, E., Pavani, G., Mingozzi, F. Humoral immunity to AAV vectors in gene therapy: challenges and potential solutions. Discovery Medicine. 15 (85), 379-389 (2013).
- Ling, C. Enhanced Transgene Expression from Recombinant Single-Stranded D-Sequence-Substituted Adeno-Associated Virus Vectors in Human Cell Lines In Vitro and in Murine Hepatocytes In Vivo. Journal of Virology. 89 (2), 952-961 (2014).
- Cathomen, T., Stracker, T. H., Gilbert, L. B., Weitzman, M. D. A genetic screen identifies a cellular regulator of adeno-associated virus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (26), 14991-14996 (2001).
- McCarty, D. M. Self-complementary AAV vectors; advances and applications. Molecular Therapy. 16 (10), 1648-1656 (2008).
- Aschauer, D. F., Kreuz, S., Rumpel, S. Analysis of transduction efficiency, tropism and axonal transport of aav serotypes 1, 2, 5, 6, 8 and 9 in the mouse brain. PLOS One. 8 (9), 76310 (2013).
- Zincarelli, C., Soltys, S., Rengo, G., Rabinowitz, J. E. Analysis of AAV serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection. Molecular Therapy. 16 (6), 1073-1080 (2008).
- Pillay, S., et al. Adeno-associated virus (AAV) serotypes have distinctive interactions with domains of the cellular AAV receptor. Journal of Virology. 91 (18), (2017).
- Merkel, S. F. Trafficking of adeno-associated virus vectors across a model of the blood-brain barrier; a comparative study of transcytosis and transduction using primary human brain endothelial cells. Journal of Neurochemistry. 140 (2), 216-230 (2017).
- van Lieshout, L. P., et al. A novel triple-mutant AAV6 capsid induces rapid and potent transgene expression in the muscle and respiratory tract of mice. Molecular Therapy. Methods & Clinical Development. 9, 323-329 (2018).
- Wu, Z., Asokan, A., Grieger, J. C., Govindasamy, L., Agbandje-McKenna, M., Samulski, R. J. single amino acid changes can influence titer, heparin binding, and tissue tropism in different adeno-associated virus serotypes. Journal of Virology. 80 (22), 11393-11397 (2006).
- Liu, J., Moon, Y. -. A. Simple purification of adeno-associated virus-DJ for liver-specific gene expression. Yonsei Medical Journal. 57 (3), 790-794 (2016).
- Grimm, D., Kern, A., Rittner, K., Kleinschmidt, J. A. Novel tools for production and purification of recombinant adeno-associated virus vectors. Human Gene Therapy. 9 (18), 2745-2760 (1998).
- Kimura, T., et al. Production of adeno-associated virus vectors for in vitro and in vivo applications. Scientific Reports. 9 (1), 13601 (2019).
- Aurnhammer, C., et al. Universal real-time PCR for the detection and quantification of adeno-associated virus serotype 2-derived inverted terminal repeat sequences. Human Gene Therapy Methods. 23 (1), 18-28 (2012).
- . Paramyxoviridae: The viruses and their replication. Fields Virology Available from: https://www.scholars.northwestern.edu/en/publications/paramyxoviridae-the-viruses-and-their-replication (1996)
- Boussif, O., et al. A versatile vector for gene and oligonucleotide transfer into cells in culture and in vivo: polyethylenimine. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (16), 7297-7301 (1995).
- Kaludov, N., Brown, K. E., Walters, R. W., Zabner, J., Chiorini, J. A. Adeno-associated virus serotype 4 (AAV4) and AAV5 Both require sialic acid binding for hemagglutination and efficient transduction but differ in sialic acid linkage specificity. Journal of Virology. 75 (15), 6884-6893 (2001).
- Burnham, B., et al. Analytical ultracentrifugation as an approach to characterize recombinant adeno-associated viral vectors. Human Gene Therapy Methods. 26 (6), 228-242 (2015).
- Dobnik, D., et al. Accurate quantification and characterization of adeno-associated viral vectors. Frontiers in Microbiology. 10, 1570 (2019).
- Backovic, A., et al. Capsid protein expression and adeno-associated virus like particles assembly in Saccharomyces cerevisiae. Microbial Cell Factories. 11, 124 (2012).
