Presentiamo un metodo per la coltura e l’editing genetico delle cellule B primarie del macaco rhesus utilizzando CRISPR / Cas9 e il sierotipo 6 del virus adeno-associato ricombinante per lo studio delle terapie con cellule B.
Le cellule B e la loro progenie sono le fonti di anticorpi altamente espressi. Le loro elevate capacità di espressione proteica insieme alla loro abbondanza, alla facile accessibilità tramite sangue periferico e alla possibilità di semplici trasferimenti adottivi li hanno resi un bersaglio attraente per gli approcci di editing genico per esprimere anticorpi ricombinanti o altre proteine terapeutiche. L’editing genetico delle cellule B primarie di topo e umane è efficiente e i modelli murini per gli studi in vivo hanno mostrato risultati promettenti, ma la fattibilità e la scalabilità per modelli animali più grandi non sono state finora dimostrate. Pertanto, abbiamo sviluppato un protocollo per modificare le cellule B primarie del macaco rhesus in vitro per consentire tali studi. Riportiamo le condizioni per la coltura in vitro e l’editing genetico di cellule B primarie di macaco rhesus da cellule mononucleate del sangue periferico o splenociti utilizzando CRISPR / Cas9. Per ottenere l’integrazione mirata di cassette di grandi dimensioni (<4,5 kb), è stato incluso un protocollo rapido ed efficiente per la preparazione del sierotipo 6 del virus adeno-associato ricombinante come modello di riparazione diretto dall'omologia utilizzando un vettore di supporto adenovirale autosilenziante abilitato alla tetraciclina. Questi protocolli consentono lo studio di terapie prospettiche a cellule B nei macachi rhesus.
Le cellule B sono il fondamento dell’immunità umorale. Dopo l’attivazione da parte dell’antigene affine e dei segnali secondari, le cellule B naïve danno origine alle cellule B del centro germinale, alle cellule B di memoria e alle plasmacellule1. Quest’ultimo è la fonte degli anticorpi secreti che mediano le funzioni protettive della maggior parte dei vaccini attualmente disponibili2. Le plasmacellule sono state descritte come fabbriche di anticorpi in quanto secernono grandi quantità di anticorpi nel siero, circa 2 ng / giorno / cellula3, pari a 7-16 g / L siero, rendendo gli anticorpi una delle tre proteine più abbondanti nel siero4. Le cellule B sono abbondanti nel sangue e possono, quindi, essere facilmente ottenute e reinfuse in un individuo.
Questi tratti hanno reso le cellule B un bersaglio degli sforzi della terapia cellulare per modificare geneticamente il recettore delle cellule B (BCR) ed esprimere anticorpi ampiamente neutralizzanti (bNAbs) al virus dell’immunodeficienza umana (HIV)5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 e altre proteine 16, 17,18,19,20,21. Tali approcci hanno mostrato il potenziale in numerosi studi sui topi in vivo 7,8,10,11,16,22. Tuttavia, diversi ostacoli devono ancora essere superati per la traduzione clinica 9,15,23, tra cui la sicurezza, la durata e l’entità dell’efficacia terapeutica, nonché il ridimensionamento ad animali più grandi come i primati non umani (NHP). Infatti, gli NHP, e in particolare i macachi rhesus, che hanno una lunga storia nella ricerca sugli anticorpi e sull’HIV24,25, sono il modello più adatto per testare questi parametri.
Qui, abbiamo sviluppato protocolli che consentono di affrontare questi problemi. Ad oggi, pochi studi hanno tentato di coltivare cellule B di macaco rhesus ex vivo, e solo una selezione positiva utilizzando CD20 è stata riportata per la purificazione delle cellule B del macaco rhesus26,27,28. Abbiamo stabilito un protocollo per l’isolamento delle cellule B del macaco rhesus intatte mediante deplezione negativa di altri tipi di cellule. Inoltre, sono definite condizioni di coltura per l’editing genetico mirato delle cellule B del macaco rhesus. Questo protocollo delinea l’uso delle ribonucleoproteine (RNP) CRISPR / Cas9 e del sierotipo 6 del virus adeno-associato ricombinante (rAAV6) come modello di riparazione diretto dall’omologia (HDRT) per modificare le cellule B del macaco rhesus in coltura di genetica. Utilizzando questo protocollo, sono state raggiunte efficienze di editing fino al 40% con inserti di grandi dimensioni (~ 1,5 kb). Presentiamo anche un metodo rapido ed economico per produrre rAAV6 utilizzando un helper adenovirale29 abilitato alla tetraciclina e autosilenziante per consentire il test rapido degli HDRT in questo formato. Combinati, questi protocolli descrivono un flusso di lavoro efficiente per l’editing genetico delle cellule B del macaco rhesus (Figura 1), consentendo la valutazione delle terapie con cellule B in un modello NHP.
Per iniziare gli esperimenti, il materiale donatore può essere ordinato da fonti commerciali o ottenuto mediante flebotomie o splenectomia. In questo studio, le flebotomie e le raccolte di sangue sono state eseguite come descritto in precedenza30 utilizzando l’anticoagulante EDTA. Per ottenere cellule B di macaco rhesus primitivo splenico, sono state eseguite splenectomie parziali (25% -50%) o totali utilizzando tecniche riportate in precedenza31. Gli animali sono stati sottoposti a digiuno durante la notte prima dell’intervento. In breve, durante l’intervento, l’addome è stato tagliato e preparato con scrub alternati di clorexidina e alcool isopropilico al 70% tre volte. Un’incisione (5-10 cm) è stata fatta nell’addome per identificare e isolare la milza. La vascolarizzazione della milza era legata con punti di sutura o morsetti vascolari. L’incisione è stata chiusa in due strati con suture di polidiossanone 4-0 PDS. La splenectomia è stata eseguita una sola volta per un singolo animale. Le sospensioni monocellulari sono state preparate dalla milza del macaco mediante macerazione attraverso filtri cellulari. Le cellule mononucleate del sangue e delle sospensioni di cellule spleniche sono state preparate utilizzando la centrifugazione a gradiente di densità e conservate in azoto liquido.
I protocolli qui presentati forniscono un metodo rapido ed efficiente per generare alti rendimenti e titoli di rAAV6 come HDRT e nuovi metodi per modificare in modo efficiente le cellule B del macaco rhesus primario in vitro.
Il protocollo di produzione rAAV6 è relativamente semplice e veloce, consentendo la produzione e il collaudo di molti costrutti diversi contemporaneamente senza lavoro eccessivo. Se lo si desidera, rAAV6 può essere ulteriormente purificato utilizzando protocolli consolidati come l’ultracentrifugazione a gradiente di iodixanolo34 o il partizionamento acquoso a due fasi35 prima dello scambio tampone e della concentrazione.
Sebbene abbia ridotto la resa complessiva, abbiamo optato per utilizzare solo il terreno di coltura cellulare ridotto dal siero per la purificazione di rAAV6 invece della purificazione dal pellet cellulare, poiché la maggior parte di rAAV6 viene rilasciata nel mezzo36 e la purificazione dal pellet cellulare aggiunge più costi e manodopera. L’uso dell’helper adenovirale autoinattivante ha aumentato le rese in media di 30-40 volte, consentendo di testare costrutti confezionati in AAV6 in un unico piatto da 15 cm. Sebbene il nostro metodo di purificazione sia di base, utilizzando questo metodo, otteniamo relativamente poca variazione da lotto a lotto nell’efficienza di editing genico o nella vitalità cellulare dopo la trasduzione utilizzando varie linee cellulari o altre cellule primarie (dati non mostrati).
Abbiamo sviluppato un protocollo di purificazione delle cellule B del macaco rhesus per ottenere cellule B primarie intatte utilizzando l’esaurimento negativo delle popolazioni indesiderate. Sebbene non sia necessario per l’editing genetico di queste cellule, fornisce un modo per ottenere una popolazione relativamente pura di cellule B primarie di macaco rhesus per questa o altre applicazioni nel caso in cui altri tipi di cellule interferiscano con gli obiettivi sperimentali. Tuttavia, la purezza arriva al costo di una riduzione delle rese complessive delle cellule B. In particolare, sia per le colture di cellule B arricchite che non arricchite, la frazione di cellule B nelle preparazioni iniziali di PBMC o splenociti è cruciale. Per le PBMC in particolare, raccomandiamo lo screening di diversi macachi per individui con un’alta percentuale di cellule B nel sangue periferico per ottenere un numero elevato di cellule B per gli esperimenti, poiché questo valore può differire notevolmente tra gli individui27. Le PBMC possono essere ottenute mediante sanguinamento regolare o leucaferesi42.
Il protocollo di editing genetico porta a un editing genetico efficiente, in genere tra il 60% -80% delle cellule knock-out e il 5% -20% delle cellule B knock-in, sebbene abbiamo raggiunto fino al 90% di knock-out BCR e il 40% di cellule B knock-in BCR (Figura 5 e Figura 6).
I parametri principali per l’editing efficiente delle cellule B del macaco rhesus sono l’efficienza di taglio dell’sgRNA, i parametri di elettroporazione, il MOI e la qualità della preparazione di rAAV6. Le efficienze di taglio degli sgRNA candidati dovrebbero essere determinate empiricamente per consentire l’editing e la progettazione ottimali dell’HDRT. I parametri di elettroporazione qui presentati bilanciano l’efficienza con la fattibilità per ottenere il numero totale massimo di cellule B modificate piuttosto che la più alta percentuale di cellule B modificate. Se è necessaria una percentuale maggiore di celle modificate, si raccomanda un aumento delle tensioni (fino a 1.750 V) o lunghezze di impulso alterate (10-30 ms), sebbene si possa osservare una maggiore morte cellulare. Abbiamo anche notato efficienze di editing leggermente superiori nelle cellule B spleniche rispetto alle cellule B delle PBMC dello stesso individuo (Figura 5); Tuttavia, la ragione di fondo di ciò è attualmente sconosciuta.
Abbiamo scoperto che l’aggiunta dell’1% di DMSO dopo l’elettroporazione ha aumentato significativamente l’efficienza di editing genico di ~ 40% nelle cellule B del macaco rhesus senza influenzare la vitalità cellulare (Figura 6A-C), in linea con i rapporti in altre cellule43. Tuttavia, la coltura estesa in DMSO all’1% deve essere evitata e può influire sulla vitalità cellulare. DMSO può essere completamente omesso se lo si desidera.
La coltura delle cellule in un piccolo volume dopo l’elettroporazione per diverse ore insieme a rAAV6 porta a maggiori efficienze di editing, probabilmente a causa della migliore trasduzione dell’HDRT da parte dell’rAAV6 e, quindi, della maggiore concentrazione intracellulare di HDRT nel momento in cui Cas9 è attivo. Abbiamo scoperto che coltivare le cellule in questo modo per un massimo di 8 ore non ha influenzato la vitalità cellulare, ma l’efficienza di editing non è aumentata drasticamente oltre le 5 ore (Figura 6). Se è necessario solo foratura anziché knock-in, questo passaggio può essere omesso.
In conclusione, presentiamo protocolli completi per l’editing genetico delle cellule B del macaco rhesus in vitro e la produzione di rAAV6 HDRT necessari per l’efficiente knock-in dei costrutti desiderati. Questi protocolli consentono la sperimentazione rapida ed economica di molti costrutti confezionati come rAAV6 e consentono la sperimentazione preclinica della fattibilità e della scalabilità delle terapie con cellule B in un modello di primate non umano più rilevante.
The authors have nothing to disclose.
Vorremmo ringraziare Harry B. Gristick e Pamela Bjorkman per aver fornito l’antigene RC1 e tutti i laboratori Nussenzweig e Martin per una discussione critica. Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione della Fondazione Bill e Melinda Gates INV-002777 (a MCN) e dal Programma di ricerca intramurale del National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health. (R.G. e M.A.M). M.C.N. è un investigatore HHMI.
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 |