הפרוטוקול הנוכחי מראה כיצד להבדיל בין תאי CD3−/CD45+CD56+ עם ציטוטוקסיות קלה מתאי גזע פוטנציאליים מורחבים אנושיים (hEPSCs) בתנאי תרבית תלת-ממדית ודו-ממדית. זה מאפשר אימות פנוטיפי שגרתי ללא הרס של microenvironment מורכב.
התמיינות תאי הרג טבעי (NK) מתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים מאפשרת מחקר וייצור של מוצרים תאיים ברמה קלינית לאימונותרפיה. מתואר כאן פרוטוקול דו-פאזי המשתמש בתווך מסחרי ללא סרום ובקוקטייל של ציטוקינים (אינטרלוקין [IL]-3, IL-7, IL-15, גורם תאי גזע [SCF], וליגנד טירוזין קינאז 3 דמוי FMS [Ftl3L]) כדי להתמיין תאי גזע פוטנציאליים מורחבים אנושיים (hEPSCs) לתאים בעלי תכונות תאי NK במבחנה באמצעות טכנולוגיית תרבית תלת-ממדית (תלת-ממדית) ודו-ממדית (דו-ממדית). בעקבות פרוטוקול זה, CD3−CD56+ או CD45+CD56+ תאי NK נוצרים באופן עקבי. כאשר הם מתורבתים יחד עם מטרות הגידול במשך 3 שעות, המוצרים המובחנים מציגים ציטוטוקסיות קלה בהשוואה לקו תאים קבועים בלתי תלויים IL-2, תאי NK92mi. הפרוטוקול משמר את מורכבות המיקרו-סביבה המתמיינת על ידי יצירת מבנים תלת-ממדיים, ובכך מקל על חקר היחסים המרחביים בין תאי מערכת החיסון לנישות שלהם. בינתיים, מערכת התרבית הדו-ממדית מאפשרת תיקוף פנוטיפי שגרתי של התמיינות תאים מבלי לפגוע בנישת ההתמיינות העדינה.
בהשוואה לתאי גזע פלוריפוטנטיים קונבנציונליים כמו תאי גזע עובריים אנושיים (hESCs) ותאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם (hiPSCs), תאי גזע פוטנציאליים מורחבים אנושיים (hEPSCs) קרובים יותר למצב של טוטיפוטנציה, מכיוון שהם יכולים להתמיין הן לשושלות חוץ-עובריות והן לשושלות עובריות1. לדוגמה, hEPSCs יכול להיות ממוין לטרופובלסטים1 ולתאים דמויי שק חלמון2. כדי להשיג את העוצמה הייחודית של hEPSCs, בלסטומר בודד מתורבת בתווך המכיל מספר מולקולות קטנות המעכבות את איתות מחויבות השושלת1, המכונה מדיום EPSC (EPSCM). תרבית תאי גזע עובריים עובריים (תאי גזע עובריים) ו-hiPSCs ב-EPSCM מרחיבה את עוצמתם המוגבלת בעבר כדי להתמיין לתאי טרופובלסט1.
תאי גזע פלוריפוטנטיים הם כלי מחקר רב ערך לניסויים בשינויים גנטיים חדשניים. בשל יכולות ההתחדשות העצמית וההתמיינות של תאי גזע פלוריפוטנטים, שיבוט אחד שעבר טרנספורמציה של תא גזע פלוריפוטנטי יכול לייצר מוצרים תאיים ממוינים בעלי אותו שינוי גנטי באותו לוקוס. ז’ו וקאופמן קבעו את התקן להתמיינות תאי NK מתאי גזע פלוריפוטנטיים קונבנציונליים (hESCs ו-hiPSCs)3. ראשית, הם גרמו לתאי גזע המטופויטיים (HSCs) מגוף עוברי שמקורו בתאי גזע פלוריפוטנטים. התוספת של גורם תאי גזע (SCF), ליגנד טירוזין קינאז 3 דמוי FMS (Ftl3L), אינטרלוקין (IL)-7, IL-15 ותוספת מוקדמת של IL-3 הטיתה את HSCs להתפתח לתאי הרג טבעי (NK). לאחר מכן, הם הרחיבו את תאי ה- NK עם תאים מציגי אנטיגן מלאכותיים (aAPCs), המציגים IL-21 הקשור לקרום, עם תוספת מתמשכת של IL-2. חוקרים יישמו גישה זו באימונותרפיה כדי לייצר תאי הרג טבעיים שמקורם ב-iPSC וניחנו בקולטן האנטיגן הכימרי (CAR-iNK)4.
תאי NK אנושיים מוגדרים כלויקוציטים CD3-CD56+ בדם ההיקפי. הם משפיעים נגד תאים נגועים בנגיף ותאי גידול5. חלק מהקולטנים המעכבים בתאי NK מזהים מולקולות המתבטאות בכל מקום בתאים נורמליים. לדוגמה, הטרודימר NKG2A/CD94 המתבטא בתאי NK מזהה מולקולות MHC Class I5. בינתיים, הקולטנים המפעילים על תאי NK מזהים ליגנדות המושרות על ידי לחץ, כמו האופן שבו NKG2D מזהה רצף A (MICA/MICB) הקשור לפוליפפטיד מסוג MHC המושרה על ידי טרנספורמציה6. חלק מהתאים שעברו טרנספורמציה מווסתים את “הליגנדות העצמיות” שלהם כדי לחמוק ממעקב חיסוני ומווסתים ליגנדות חריגות, מה שמפעיל את תאי ה-NK להפעיל את המנגנון הליטי שלהם. היכולות האנטי-סרטניות המהותיות של תאי NK הפנו את תשומת הלב לסוג תא חיסוני זה.
היכולת להצמיח בו זמנית שושלות עובריות וחוץ-עובריות עשויה להפוך את hEPSCs לשחזור נאמן יותר של נישת ההתפתחות העוברית מאשר תאי גזע פלוריפוטנטיים קונבנציונליים. מניסיון, קל יותר לשמור על העוצמה של hEPSCs מאשר hiPSCs. במחקר הנוכחי פותח פרוטוקול (איור 1) להטיית hEPSCs להתפתח לשושלות המטופויטיות ומאוחר יותר להתמיין תאי אב לתאי הרג טבעי (NK) במבחנה. בפרוטוקול, נעשה שימוש במדיה מסחרית כדי למנוע חוסר עקביות בסרום, ולאחר מכן הוספה הדרגתית של ציטוקינים להתמיינות הטיה לשושלות לימפה. פרוטוקול זה כולל שתי מערכות לשימור המיקרו-סביבה התלת-ממדית המורכבת תוך הפקת תאי CD3-CD56+/CD45+CD56+ הדומים פנוטיפית ותפקודית לתאי NK אנושיים.
פרוטוקול זה עשוי להיות שימושי בחקר האינטראקציה של תאי מערכת החיסון עם נישות ההתמיינות שלהם, וייתכן שיש לו פוטנציאל לטהר מוצרים תאיים לשימושים אימונותרפיים.
ישנם מספר שלבים מרכזיים כדי להבטיח את ההבחנה המוצלחת של תאי CD45+CD56+ מתאי hEPSC. ההבחנה המוקדמת (שלב 1.2) היא קריטית מכיוון שמדיום EPSC מכיל מעכבי מחויבות לשושלת1. לאחר התמיינות מוקדמת, המושבות בצורת כיפה של hEPSCs משוטחות (איור 2B). התוספת של Y27632, מעכב רו-קינאז (ROCKi), במהלך היווצרות EBs מ-hEPSCs (שלב 1.3) היא הכרחית להישרדותם של hEPSCs לאחר דיסוציאציה. שיקול חשוב נוסף הוא מספר ה- EBs שנשתלו על כל טרנסוול. מכיוון שמדובר במערכת בקנה מידה קטן, שניים עד שלושה EBs לכל טרנסוול היא הצפיפות האופטימלית למניעת צריכת יתר של התקשורת. ממשק אוויר-נוזל נשמר במהלך כל מהלך התמיינות תאי NK עבור המערכת התלת-ממדית, אשר מאמינים כי היא שומרת על הקוטביות של תאי הסטרומה ותומכת בהרחבת האבות ההמטופויטיים שמקורם ב-AGM14,15.
כפי שהוזכר קודם, צפיפות EBs על transwell הוא גורם מכריע עבור בידול מוצלח. סימן המפתח לכך הוא צבע המדיום 1 יום לאחר השתלת EBs על transwell. אם הצבע הופך צהוב במהירות, זה מצביע על זיהום או צפיפות. כדי לפתור את הבעיה, פיפטה 1 מ”ל יש להשתמש כדי להרים באופן ידני EBs נוספים ולהעביר אותם לתוך transwell אחר.
מגבלה עיקרית של פרוטוקול זה היא טוהר תאי CD3−/CD45+ CD56+ במוצרי IVD, אשר מאמינים כי הם אחראים חלקית לציטוטוקסיות הנחותה בהשוואה לתאי NK92mi טהורים. מערכת תרבית תלת-ממדית שימשה להשראת אבות המטופויטיים באמצעות יצירת EB הדומה לשלוש שכבות הנבט העוברי. אסטרטגיה זו מחקה את התפתחות תאי הדם במיקרו-סביבה של מח העצם, ובכך מבטלת את הצורך בתאי סטרומה לתמיכה בהתמיינות3. ללא שלב מיון לטיהור האבות ההמטופויטיים, טוהר מוצרי IVD צפוי להיות מופחת. אסטרטגיה לשמירה על נישת הבידול המורכבת תוך הגדלת טוהר מוצר נקודת הקצה היא פיתוח שיטת הרחבה למוצרי CD3-CD56+ IVD ממוינים. לדוגמה, מוצרי CD3-CD56+ IVD ממוינים יכולים להיות בתרבית על תאים מציגי אנטיגן מלאכותיים (aAPCs), כגון תאי K562 מחוסנים שהונדסו עם IL-21 הקשור לקרום. עם אספקת IL-2 בתרבית, שיטה זו יכולה להשיג גידול של פי 1,000 במספר תאי NK3.
מגבלה נוספת היא הגישה המוגבלת לתאי NK אנושיים בתום לב כהתייחסות חיובית. NK92mi הוא הייחוס החיובי שנעשה בו שימוש במבחן הקוקולטור, אך הוא אינו מדויק מספיק. תאי NK92mi מהונדסים מתאי NK92, קו תאים קבוע המבטא פנוטיפים מופעלים של תאי NK16, כדי לייצר IL-2 באופן אוטונומי כדי לעמוד בדרישות התרבית. תאי NK92 מפגינים פעילות הרג טובה יותר נגד תאי K562 במבחנה מאשר תאי NK ראשוניים אנושיים17. השוואה הוגנת יותר של יכולת הריגת הגידול של מוצרי IVD יכולה להיות מושגת על ידי קביעת ציטוטוקסיות של תאי NK היקפיים בדם במקביל, אך למרבה הצער, גישה לבנקי דם חסרה.
פרוטוקול תרבית דו-מערכתי זה נועד ליצור תאי CD3−/CD45+CD56+ מתאי hEPSC. הערכה של סמני פני השטח וציטוטוקסיות עם FACS יכולה להתבצע באופן שגרתי על תאים ממערכות דו-ממדיות מבלי לשבש את נישת ההתמיינות. למרות ההבדלים באחוזים של תאי CD3-CD56+, מערכות תלת-ממד ודו-ממד יכולות להפיק תאי CD3-CD56+ עם וריאציות דומות בביטוי CD56 (איור 3), והמערכת הדו-ממדית משקפת את קיומם של אבות לימפה ממצב התרבית התלת-ממדית.
משמעות השימוש במערכת התרביות התלת-ממדית היא בכך שהיא מאפשרת שימוש במבחני פרופיל ברזולוציה גבוהה, כגון תעתיק מרחבי או ספקטרומטריית מסות הדמיה, כדי לחקור את היחסים המרחביים ואת האינטראקציות בין תאים בתוך נישת ההתמיינות המורכבת.
The authors have nothing to disclose.
ברצוננו להודות לד”ר הנדי קאו, Sanxing GAO, דיוויד שיאנג, יימינג צ’או, ריטיקה ג’וגאני, אוון צ’אן, סטפני צ’אונג וסלין צ’אן על עזרתם הטכנית ועל הדיונים המועילים. עבודה זו נתמכה על ידי הקרן לטכנולוגיית פלטפורמה. איור 1 נוצר באמצעות BioRender.com.
30 w/v% Albumin Solution, from Bovine Serum(BSA), Fatty Acid Free | Wako Chemicals | 017-22231 | For resuspending cytokines. |
ACCUMAX | STEMCELL Technologies | 07921 | |
Anti-human-CD159a-PE | BD | 375104 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 5% FBS) |
Anti-human-CD3-APC antibodies | BD | 555355 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 2% FBS) |
Anti-human-CD45-APC antibodies | BD | 555485 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 3% FBS) |
Anti-human-CD56-PE antibodies | BD | 555516 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 4% FBS) |
Anti-human-CD56-PEcy7 antibodies | BD | 335826 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 5% FBS) |
Anti-human-CD94-APC | BD | 559876 | During antibody staining, 0.5 µL of antibodies is added into the staining buffer (PBS + 5% FBS) |
Bemis Parafilm M Laboratory Wrapping Film | Thermo Scientific | 11772644 | |
Cd244 Monoclonal Antibody (eBioC1.7 (C1.7)), Functional Grade, eBioscience | Thermo Scientific | 16-5838-85 | |
Costar 6.5 mm Transwell, 0.4 µm Pore Polyester Membrane Inserts | STEMCELL Technologies | 3470 | |
Dapi Solution, 1 mg/mL | BD | 564907 | It is resuspended with ddH2O so the concentration is 10 µM/mL. Add 1 µL of the aliquot in 300 µL of FACS buffer (PBS + 2% FBS) |
DMEM | CPOS-Bioreagent core | 11965092 | |
DMEM/F12 | Thermo Scientific | 11320033 | |
FcX, human | Biolengend | 422302 | |
Fetal Bovine Serum(FBS) qualified E.U.-approved South America | CPOS-Bioreagent core | 10270106 | |
FlowJo v10.8.0 | BD | ||
Gibco PBS (10x) pH 7.4 | CPOS-Bioreagent core | 70011044 | 10x concentrated PBS is manufactured as follows: without calcium, magnesium or phenol red |
K562 cells | ATCC | CCL-243 | |
Knockout Serum Replacement | Thermo Scientific | 10828-028 | |
MyeloCult H5100 medium | STEMCELL Technologies | 5150 | |
NK92mi cells | ATCC | CRL-2408 | Lot: 70045208. Once thawed, they are cultured in MyeloCult H5100 medium, and maintained the density between 2 x 105 to 1 x 106 cell/mL. |
Nunc Cell-Culture Treated Multidishes 12 well plate | Thermo Scientific | 150628 | flat bottom |
Nunc Cell-Culture Treated Multidishes 24 well plate | Thermo Scientific | 142475 | |
Nunc EasYDish Dishes | Thermo Scientific | 150460 | |
pLenti-GFP Lentiviral Control Vector | CELL BIOLABS | LTV-400 | It is packaged as the manufactuer suggested (https://www.cellbiolabs.com/sites/default/files/LTV-400-gfp- lentiviral-plasmid.pdf). 40 μL of 50x lentivirus is added with 1 μL 10 mg/mL polybrene per 1 mL of cell suspension. Complete medium change is performed 24 h after the addition of lentivirus. Cells are incubated undisputedly for 3 days at 37 °C, 5% CO2. |
Polybrene | EMD Millipore | TR-1003-G | |
Recombinant Human Flt-3 Ligand/FLT3L Protein | R&D Systems | 308-FK-005 | It is resuspend with PBS + 0.2% BSA. Thr working concentration is 10 ng/mL or 12 IU/mL. |
Recombinant Human IL-15 Protein | R&D Systems | 247-ILB-005 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 10 ng/mL or 4500 IU/mL. |
Recombinant Human IL-18/IL-1F4 Protein | R&D Systems | 9124-IL-010 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 50 ng/mL. The IU is not provided by the company. |
Recombinant Human IL-2 Protein | R&D Systems | 202-IL-010 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 50 ng/mL or 455 IU/mL. |
Recombinant Human IL-3 Protein, 50ug | PeproTech | 200-03 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 5 ng/mL or 14 IU/mL. |
Recombinant Human IL-7 Protein | R&D Systems | 207-IL-010 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 20 ng/mL or 8800 IU/mL. |
Recombinant Human SCF Protein | R&D Systems | 255-SC-010 | It is resuspended with PBS + 0.2% BSA. The working concentration is 20 ng/mL or 26 IU/mL. |
STEMdiff Hematopoietic Kit | STEMCELL Technologies | 5310 | Medium A: 45 mL STEMdiff Hematopoietic Basal Medium + STEMdiff Hematopoietic Supplement A ; Medium B: 75 STEMdiff Hematopoietic Basal Medium + STEMdiff Hematopoietic Supplement B |
StemSpan lymphoid differentiation coating material | STEMCELL Technologies | 9950 | It is resuspended in PBS (100x) |
StemSpan NK cell differentiation medium | STEMCELL Technologies | 9960 | It is prepared by adding 500 µL StemSpan NK Cell Differentiation Supplement (100x) into 49.5 mL of SFEM II. Both are provided in StemSpan NK Cell Generation Kit. |
StemSpan lymphoid expansion medium | STEMCELL Technologies | 9960 | It is prepared by adding 5 mL StemSpan Lymphoid Progenitor Expansion Supplement (10x) into 45 mL of StemSpan SFEM II. Both are provided in StemSpan NK Cell Generation Kit. |
StemSpan NK Cell Generation Kit | STEMCELL Technologies | 9960 | Thaw the medium and materials in room temperature and the medium is stored in 4 °C once thawed. |
The BD LSRFortessa cell analyzer | BD | ||
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Thermo Scientific | 25300054 | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | working concentration: 10 µM |