Mevcut protokol, hafif sitotoksisiteye sahip CD3-/CD45+CD56+ hücrelerinin, hem 3D hem de 2D kültür koşulları altında insan genişlemiş potansiyel kök hücrelerinden (hEPSC’ler) nasıl ayırt edileceğini göstermektedir. Bu, karmaşık mikro çevrenin tahrip edilmeden rutin fenotipik doğrulamaya izin verir.
Doğal öldürücü (NK) hücrelerin insan pluripotent kök hücrelerinden farklılaşması, immünoterapi için klinik sınıf hücresel ürünlerin araştırılmasına ve üretilmesine izin verir. Burada açıklanan, insan genişlemiş potansiyel kök hücrelerini (hEPSC’ler) hem 3 boyutlu (3D) hem de 2 boyutlu (2D) kültür teknolojisi ile in vitro NK hücre özelliklerine sahip hücrelere ayırt etmek için serumsuz bir ticari ortam ve bir sitokin kokteyli (interlökin [IL]-3, IL-7, IL-15, kök hücre faktörü [SCF] ve FMS benzeri tirozin kinaz 3 ligand [Ftl3L]) kullanan iki fazlı bir protokoldür. Bu protokolü takiben, CD3-CD56+ veya CD45+CD56+ NK hücreleri sürekli olarak oluşturulur. 3 saat boyunca tümör hedefleriyle kokültürlendiğinde, farklılaşmış ürünler, IL-2’den bağımsız kalıcı hücre hattı olan NK92mi hücrelerine kıyasla hafif sitotoksisite gösterir. Protokol, 3D yapıların üretilmesiyle farklılaşma mikro ortamının karmaşıklığını korur, böylece bağışıklık hücreleri ve nişleri arasındaki mekansal ilişkilerin incelenmesini kolaylaştırır. Bu arada, 2D kültür sistemi, hassas farklılaşma nişine zarar vermeden hücre farklılaşmasının rutin fenotipik doğrulamasını sağlar.
İnsan embriyonik kök hücreleri (hESC’ler) ve insan kaynaklı pluripotent kök hücreler (hiPSC’ler) gibi geleneksel pluripotent kök hücrelerle karşılaştırıldığında, insan genişlemiş potansiyel kök hücreleri (hEPSC’ler) hem embriyonik olmayan hem de embriyonik soylara farklılaşabildikleri için totipotens durumuna daha yakındır1. Örneğin, hEPSC’ler trofoblastlar1 ve yumurta sarısı kesesi benzeri hücreler2’ye ayırt edilebilir. hEPSC’lerin benzersiz gücünü elde etmek için, bireysel bir blastomer, EPSC ortamı (EPSCM) olarak adlandırılan soy bağlılığı sinyalini 1 inhibe eden birkaç küçük molekül içeren bir ortamdakültürlenir. EPSCM’deki hESC’lerin ve hiPSC’lerin kültürlenmesi, onları trofoblast hücrelerine ayırmak için daha önce kısıtlanmış potansiyellerini genişletir1.
Pluripotent kök hücreler, yeni genetik modifikasyonlarla deney yapmak için değerli bir araştırma aracıdır. Pluripotent kök hücrelerin kendini yenileme ve farklılaşma kapasiteleri nedeniyle, pluripotent bir kök hücrenin dönüştürülmüş bir klonu, aynı lokusta aynı genetik modifikasyona sahip farklılaşmış hücresel ürünler üretebilir. Zhu ve Kaufman, geleneksel pluripotent kök hücrelerden (hESC’ler ve hiPSC’ler) NK hücre farklılaşması standardını oluşturdular3. İlk olarak, pluripotent kök hücrelerden türetilen bir embriyoid gövdeden hematopoetik kök hücreleri (HSC’ler) indüklediler. Kök hücre faktörü (SCF), FMS benzeri tirozin kinaz 3 ligand (Ftl3L), interlökin (IL)-7, IL-15 ve IL-3’ün erken bir takviyesinin eklenmesi, HSC’lerin doğal öldürücü (NK) hücrelere dönüşmesi için önyargılı hale getirdi. Daha sonra, NK hücrelerini, membrana bağlı IL-21 sunan yapay antijen sunan hücrelerle (aAPC’ler) IL-2’nin sürekli takviyesi ile genişlettiler. Araştırmacılar, kimerik antijen reseptörü (CAR-iNK)4 ile donatılmış iPSC türevi doğal öldürücü hücreler üretmek için bu yaklaşımı immünoterapiye uygulamışlardır.
İnsan NK hücreleri, periferik kanda CD3-CD56+ lökositler olarak tanımlanır. Virüs bulaşmış hücrelere ve tümör hücrelerine karşı efektörlerdir5. NK hücreleri üzerindeki bazı inhibitör reseptörler, normal hücrelerde her yerde eksprese edilen molekülleri tanır. Örnek olarak, NK hücrelerinde eksprese edilen NKG2A / CD94 heterodimer, MHC sınıf I molekülleri5’i tanır. Bu arada, NK hücreleri üzerindeki aktive edici reseptörler, NKG2D’nin dönüşüme bağlı MHC sınıf I polipeptit ile ilgili dizi A (MICA / MICB)6’yı nasıl tanıdığı gibi, strese bağlı ligandları tanır. Bazı dönüştürülmüş hücreler, bağışıklık gözetiminden kaçmak ve NK hücrelerini litik makinelerini yürütmek için tetikleyen anormal ligandları yukarı regüle etmek için “kendi ligandlarını” aşağı regüle eder. NK hücrelerinin içsel anti-tümör yetenekleri bu bağışıklık hücresi tipine dikkat çekmiştir.
Aynı anda hem embriyonik hem de embriyonik olmayan soylara yol açma yeteneği, hEPSC’leri embriyonik gelişim nişinin geleneksel pluripotent kök hücrelerden daha sadık bir özeti haline getirebilir. Deneyimlere göre, hEPSC’lerin gücünü korumak hiPSC’lerden daha kolaydır. Bu çalışmada, hEPSC’lerin hematopoetik soylara dönüşmesi için önyargılı hale getirmek ve daha sonra progenitör hücreleri in vitro olarak doğal öldürücü (NK) hücrelere ayırmak için bir protokol geliştirilmiştir (Şekil 1). Protokolde, serum tutarsızlıklarını önlemek için ticari ortamlar kullanılmakta, bunu lenfoid soylara farklılaşmayı önyargılı hale getirmek için kademeli olarak sitokinler eklenmektedir. Bu protokol, fenotipik ve işlevsel olarak insan NK hücrelerine benzeyen CD3-CD56 + / CD45 + CD56 + hücrelerini türetirken karmaşık 3D mikro çevreyi korumak için iki sisteme sahiptir.
Bu protokol, bağışıklık hücrelerinin farklılaşma nişleri ile etkileşimini incelemede yararlı olabilir ve immünoterapötik kullanımlar için hücresel ürünleri saflaştırma potansiyeline sahip olabilir.
CD45 + CD56 + hücrelerinin hEPSC’lerden başarılı bir şekilde ayırt edilmesini sağlamak için birkaç önemli adım vardır. Ön farklılaşma (adım 1.2) çok önemlidir, çünkü EPSC ortamı soy taahhüdü1 inhibitörleri içerir. Ön farklılaşmadan sonra, hEPSC’lerin kubbe şeklindeki kolonileri düzleştirilir (Şekil 2B). HEPSC’lerden EB oluşumu sırasında bir Rho-kinaz inhibitörü (ROCKi) olan Y27632’nin eklenmesi (adım 1.3), ayrışmadan sonra hEPSC’lerin hayatta kalması için vazgeçilmezdir. Bir diğer önemli husus, her bir transwell’e ekilen EB’lerin sayısıdır. Küçük ölçekli bir sistem olduğundan, transwell başına iki ila üç EB, ortamın aşırı tüketimini önlemek için en uygun yoğunluktur. Hava-sıvı arayüzü, stromal hücrelerin polaritesini koruduğuna ve AGM türevi hematopoetik progenitörlerin genişlemesini desteklediğine inanılan 3D sistemi için NK hücre farklılaşmasının tüm seyri boyunca korunur14,15.
Daha önce de belirtildiği gibi, transwell üzerindeki EB’lerin yoğunluğu, başarılı farklılaşma için belirleyici bir faktördür. Bunun anahtar işareti, EB’lerin transwell üzerine implantasyonundan 1 gün sonra ortamın rengidir. Renk hızla sararırsa, bu ya kirlenmeyi ya da aşırı kalabalıklaşmayı gösterir. Sorunu çözmek için, fazladan EB’leri manuel olarak almak ve bunları başka bir transwell’e aktarmak için 1 mL’lik bir pipet kullanılmalıdır.
Bu protokolün önemli bir sınırlaması, IVD ürünlerindeki CD3 – / CD45 + CD56 + hücrelerinin saflığıdır ve saf NK92mi hücrelerine kıyasla inferior sitotoksisiteden kısmen sorumlu olduğuna inanılmaktadır. Üç embriyonik germ tabakasına benzeyen bir EB üretimi yoluyla hematopoetik progenitörleri indüklemek için bir 3D kültür sistemi kullanılmıştır. Bu strateji, kemik iliği mikro ortamında kan hücrelerinin gelişimini taklit eder, böylece farklılaşmayı desteklemek için stromal hücrelere olan ihtiyacı ortadan kaldırır3. Hematopoetik progenitörleri saflaştırmak için bir ayıklama adımı olmadan, IVD ürünlerinin saflığının azaltılması beklenmektedir. Son nokta ürününün saflığını arttırırken karmaşık farklılaşma nişini korumaya yönelik bir strateji, sıralanmış CD3-CD56 + IVD ürünleri için bir genişletme yöntemi geliştirmektir. Örneğin, sıralanmış CD3-CD56+ IVD ürünleri, membrana bağlı IL-21 ile tasarlanmış ışınlanmış K562 hücreleri gibi yapay antijen sunan hücreler (aAPC’ler) üzerinde kültürlenebilir. Kültürde IL-2 arzı ile bu yöntem NK hücre sayılarında 1.000 kat artışsağlayabilir 3.
Diğer bir sınırlama, olumlu bir referans olarak iyi niyetli insan NK hücrelerine sınırlı erişimdir. NK92mi, kokültür testinde kullanılan olumlu referanstır, ancak yeterince doğru değildir. NK92mi hücreleri, kültür gereksinimlerini karşılamak için IL-2’yi otonom olarak üretmek için aktive edilmiş NK hücre fenotipleri16’yı eksprese eden kalıcı bir hücre hattı olan NK92 hücrelerinden tasarlanmıştır. NK92 hücreleri, in vitro K562 hücrelerine karşı, insan birincil NK hücrelerinden17 daha üstün öldürme aktivitesi göstermektedir. IVD ürünlerinin tümör öldürme kapasitesinin daha adil bir karşılaştırması, periferik kan NK hücrelerinin sitotoksisitesini paralel olarak test ederek elde edilebilir, ancak ne yazık ki, kan bankalarına erişim yoktur.
Bu iki sistemli kültür protokolü, hEPSC’lerden CD3−/CD45+CD56+ hücreleri üretmeyi amaçlamaktadır. FACS ile yüzey belirteçlerinin ve sitotoksisitenin değerlendirilmesi, farklılaşma nişini bozmadan 2D sistemlerden hücreler üzerinde rutin olarak gerçekleştirilebilir. CD3-CD56 + hücrelerinin yüzdelerindeki farklılıklara rağmen, 3D ve 2D sistemler CD56 ekspresyonunda benzer varyasyonlara sahip CD3-CD56 + hücrelerini türetebilir (Şekil 3) ve 2D sistem 3D kültür durumundan lenfoid progenitörlerin varlığını yansıtır.
3D kültür sistemini kullanmanın önemi, karmaşık farklılaşma nişi içindeki mekansal ilişkileri ve hücre-hücre etkileşimlerini araştırmak için mekansal transkriptomik veya görüntüleme kütle spektrometrisi gibi yüksek çözünürlüklü profil oluşturma testlerinin kullanılmasına izin vermesidir.
The authors have nothing to disclose.
Dr. Handi Cao, Sanxing GAO, David Xiang, Yiming Chao, Ritika Jogani, Owen Chan, Stephanie Cheung ve Celine Chan’a teknik yardımları ve faydalı tartışmaları için teşekkür ederiz. Bu çalışma Platform Teknoloji Fonu tarafından desteklenmiştir. Şekil 1 , BioRender.com ile oluşturulmuştur.
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 |