We presenteren een methode voor het kweken en bewerken van primaire resusapen B-cellen met behulp van CRISPR / Cas9 en recombinant adeno-geassocieerd virus serotype 6 voor de studie van B-celtherapieën.
B-cellen en hun nakomelingen zijn de bronnen van sterk tot expressie gebrachte antilichamen. Hun hoge eiwitexpressiemogelijkheden samen met hun overvloed, gemakkelijke toegankelijkheid via perifeer bloed en ontvankelijkheid voor eenvoudige adoptieve overdrachten hebben hen een aantrekkelijk doelwit gemaakt voor genbewerkingsbenaderingen om recombinante antilichamen of andere therapeutische eiwitten tot expressie te brengen. De genbewerking van primaire B-cellen van muizen en mensen is efficiënt en muismodellen voor in vivo studies zijn veelbelovend gebleken, maar haalbaarheid en schaalbaarheid voor grotere diermodellen zijn tot nu toe niet aangetoond. We hebben daarom een protocol ontwikkeld om primaire B-cellen van rhesusmakaken in vitro te bewerken om dergelijke studies mogelijk te maken. We rapporteren voorwaarden voor in vitro kweek en genbewerking van primaire resusapen B-cellen uit perifere mononucleaire bloedcellen of splenocyten met behulp van CRISPR / Cas9. Om de gerichte integratie van grote (<4,5 kb) cassettes te bereiken, werd een snel en efficiënt protocol opgenomen voor het voorbereiden van recombinant adeno-geassocieerd virus serotype 6 als een homologie-gerichte reparatiesjabloon met behulp van een tetracycline-enabled self-silencing adenoviral helper vector. Deze protocollen maken de studie van prospectieve B-cel therapieën bij resusapen mogelijk.
B-cellen zijn de basis van humorale immuniteit. Na activering door cognaat antigeen en secundaire signalen geven naïeve B-cellen aanleiding tot kiemcentrum B-cellen, geheugen B-cellen en plasmacellen1. Dit laatste is de bron van de uitgescheiden antilichamen die de beschermende functies van de meeste momenteel beschikbare vaccins bemiddelen2. Plasmacellen zijn beschreven als antilichaamfabrieken omdat ze enorme hoeveelheden antilichamen afscheiden in het serum – ongeveer 2 ng / dag / cel3, wat neerkomt op 7-16 g / L serum, waardoor antilichamen een van de drie meest voorkomende eiwitten in serum4 zijn. B-cellen zijn rijk aan bloed en kunnen dus gemakkelijk worden verkregen en teruggegeven aan een individu.
Deze eigenschappen hebben B-cellen tot een doelwit gemaakt van celtherapie-inspanningen om de B-celreceptor (BCR) te gen-bewerken en breed neutraliserende antilichamen (bNAbs) tot expressie te brengen tegen het humaan immunodeficiëntievirus (HIV)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 en andere eiwitten 16, 17,18,19,20,21. Dergelijke benaderingen hebben potentieel aangetoond in talrijke muisstudies in vivo 7,8,10,11,16,22. Er moeten echter nog verschillende hindernissen worden overwonnen voor klinische vertaling 9,15,23, waaronder veiligheid, duur en omvang van de therapeutische werkzaamheid, evenals schaalvergroting naar grotere dieren zoals niet-menselijke primaten (NHP’s). NHP’s, en in het bijzonder resusapen, die een lange geschiedenis hebben in antilichaam- en HIV-onderzoek24,25, zijn inderdaad het meest geschikte model om deze parameters te testen.
Hier hebben we protocollen ontwikkeld waarmee deze problemen kunnen worden aangepakt. Tot op heden hebben weinig studies geprobeerd om resusapen B-cellen ex vivo te kweken, en alleen positieve selectie met behulp van CD20 is gemeld voor de zuivering van resusapen B-cellen26,27,28. We hebben een protocol opgesteld voor de isolatie van onaangeroerde resusapen B-cellen door de negatieve uitputting van andere celtypen. Verder worden kweekcondities gedefinieerd voor de gerichte genbewerking van resusapen B-cellen. Dit protocol schetst het gebruik van CRISPR/Cas9 ribonucleoproteïnen (RNP’s) en recombinant adeno-geassocieerd virus serotype 6 (rAAV6) als homologie-gerichte reparatiesjabloon (HDRT) om gekweekte resusaken B-cellen te bewerken voor genbewerking. Met behulp van dit protocol werden bewerkingsefficiënties tot 40% bereikt met grote (~ 1,5 kb) inserts. We presenteren ook een snelle en kosteneffectieve methode om rAAV6 te produceren met behulp van een tetracycline-enabled, zelf-uitschakelende adenovirale helper29 om het snel testen van HDRT’s in dit formaat mogelijk te maken. Gecombineerd beschrijven deze protocollen een efficiënte workflow voor de genbewerking van resusapen B-cellen (figuur 1), waardoor de evaluatie van B-celtherapieën in een NHP-model mogelijk wordt.
Om de experimenten te starten, kan donormateriaal worden besteld bij commerciële bronnen of worden verkregen door flebotomieën of splenectomie. In deze studie werden de flebotomieën en bloedafnames uitgevoerd zoals eerder beschreven30 met behulp van het antistollingsmiddel EDTA. Om milt, primaire resusapen B-cellen, werden gedeeltelijke (25% -50%) of totale splenectomieën te verkrijgen met behulp van eerder gerapporteerde technieken31. De dieren werden een nacht voor de operatie gevast. Kortom, tijdens de operatie werd de buik geknipt en drie keer bereid met afwisselend scrubs van chloorhexidine en 70% isopropylalcohol. Een incisie (5-10 cm) werd gemaakt in de buik om de milt te identificeren en te isoleren. De vasculatuur van de milt werd geligeerd met hechtingen of vaatklemmen. De incisie werd in twee lagen gesloten met 4-0 PDS polydioxanon-hechtingen. Splenectomie werd een enkele keer uitgevoerd voor een individueel dier. Eencellige suspensies werden bereid uit makakenmilten door maceratie door celzeven. Mononucleaire cellen uit bloed en miltcelsuspensies werden bereid met behulp van dichtheidsgradiëntcentrifugatie en opgeslagen in vloeibare stikstof.
De hier gepresenteerde protocollen bieden een snelle en efficiënte methode om hoge opbrengsten en titers van rAAV6’s als HDRT’s te genereren en nieuwe methoden om primaire resusaken B-cellen in vitro efficiënt te bewerken.
Het rAAV6-productieprotocol is relatief eenvoudig en snel, waardoor de productie en het testen van veel verschillende constructies tegelijkertijd zonder overmatige arbeid mogelijk is. Indien gewenst kan rAAV6 verder worden gezuiverd met behulp van gevestigde protocollen zoals iodixanol gradiënt ultracentrifugatie34 of waterige tweefasige partitionering35 vóór bufferuitwisseling en concentratie.
Hoewel het de totale opbrengst verminderde, kozen we ervoor om alleen serumgereduceerd celkweekmedium te gebruiken voor de rAAV6-zuivering in plaats van zuivering uit de celpellet, omdat het grootste deel van rAAV6 wordt vrijgegeven in het medium36, en zuivering van de celpellet voegt meer kosten en arbeid toe. Het gebruik van de zelfinactiverende adenovirale helper verhoogde de opbrengsten gemiddeld 30-40-voudig, waardoor het testen van constructies verpakt in AAV6 in een enkele schaal van 15 cm mogelijk was. Hoewel onze zuiveringsmethode eenvoudig is, verkrijgen we met deze methode relatief weinig batch-to-batch variatie in genbewerkingsefficiëntie of levensvatbaarheid van cellen na transductie met behulp van verschillende cellijnen of andere primaire cellen (gegevens niet getoond).
We ontwikkelden een resusapen B-celzuiveringsprotocol om onaangeroerde primaire B-cellen te verkrijgen met behulp van de negatieve uitputting van ongewenste populaties. Hoewel het niet nodig is voor het bewerken van deze cellen, biedt het een manier om een relatief zuivere populatie van primaire resusapen B-cellen te verkrijgen voor deze of andere toepassingen als andere celtypen de experimentele doelen verstoren. Zuiverheid gaat echter ten koste van verminderde totale B-celopbrengsten. Met name voor zowel de verrijkte als de niet-verrijkte B-celculturen is de fractie van B-cellen in de initiële PBMC- of splenocytenpreparaten cruciaal. Voor PBMC’s in het bijzonder raden we aan om verschillende makaken te screenen op personen met een hoog percentage B-cellen in perifeer bloed om hoge aantallen B-cellen te verkrijgen voor experimenten, omdat deze waarde dramatisch kan verschillen tussen personen27. PBMC’s kunnen worden verkregen door regelmatige bloedingen of leukaferese42.
Het genbewerkingsprotocol leidt tot efficiënte genbewerking, meestal tussen 60% -80% van de knock-out en 5% -20% van de knock-in B-cellen, hoewel we tot 90% BCR knock-out en 40% BCR knock-in B-cellen hebben bereikt (figuur 5 en figuur 6).
De belangrijkste parameters voor de efficiënte bewerking van resusapen B-cellen zijn de snij-efficiëntie van het sgRNA, de elektroporatieparameters, de MOI en de kwaliteit van het rAAV6-preparaat. De snij-efficiëntie van kandidaat-sgRNA’s moet empirisch worden bepaald om optimale bewerking en ontwerp van de HDRT mogelijk te maken. De hier gepresenteerde elektroporatieparameters balanceren efficiëntie met levensvatbaarheid om het maximale totale aantal bewerkte B-cellen te verkrijgen in plaats van het hoogste percentage bewerkte B-cellen. Als een hoger percentage bewerkte cellen nodig is, worden verhoogde spanningen (tot 1.750 V) of veranderde pulslengtes (10-30 ms) aanbevolen, hoewel meer celdood kan worden waargenomen. We merkten ook iets hogere bewerkingsefficiënties op in milt B-cellen in vergelijking met B-cellen van PBMC’s van dezelfde persoon (figuur 5); De onderliggende reden hiervoor is echter momenteel onbekend.
We ontdekten dat de toevoeging van 1% DMSO na elektroporatie de genbewerkingsefficiëntie aanzienlijk verhoogde met ~ 40% in resusapen B-cellen zonder de levensvatbaarheid van de cel te beïnvloeden (figuur 6A-C), in overeenstemming met rapporten in andere cellen43. Uitgebreide kweek in 1% DMSO moet echter worden vermeden en kan de levensvatbaarheid van cellen beïnvloeden. DMSO kan desgewenst volledig worden weggelaten.
De kweek van de cellen in een klein volume na elektroporatie gedurende enkele uren samen met de rAAV6 leidt tot hogere bewerkingsefficiënties, waarschijnlijk als gevolg van de betere transductie van HDRT door de rAAV6 en dus de hogere intracellulaire concentratie van HDRT op het relevante moment waarop Cas9 actief is. We ontdekten dat het op deze manier kweken van de cellen gedurende maximaal 8 uur de levensvatbaarheid van de cel niet beïnvloedde, maar de bewerkingsefficiëntie nam niet dramatisch toe na 5 uur (figuur 6). Als alleen knock-out in plaats van knock-in vereist is, kan deze stap worden weggelaten.
Tot slot presenteren we uitgebreide protocollen voor de genbewerking van resusapen B-cellen in vitro en de productie van rAAV6 HDRT die nodig is voor de efficiënte knock-in van gewenste constructies. Deze protocollen maken het snel, kosteneffectief testen van vele constructies verpakt als rAAV6 mogelijk en maken het preklinisch testen van de haalbaarheid en schaalbaarheid van B-celtherapieën mogelijk in een relevanter niet-menselijk primatenmodel.
The authors have nothing to disclose.
We willen Harry B. Gristick en Pamela Bjorkman bedanken voor het leveren van het RC1-antigeen en de hele Nussenzweig- en Martin-laboratoria voor kritische discussie. Dit werk werd ondersteund door de Bill and Melinda Gates Foundation-subsidie INV-002777 (aan M.C.N.) en het Intramurale Onderzoeksprogramma van het National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health. (R.G. en M.A.M). M.C.N. is een HHMI-onderzoeker.
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 |