在本方案中,通过将Spodoptera frugiperda(Sf9)昆虫细胞与携带AAV2-绿色荧光蛋白(GFP)或治疗基因的杆状病毒(BV)-AAV2-GFP(或治疗基因)以及携带BV-AAV2-rep-cap的Sf9细胞在悬浮培养中共培养,以产生AAV2载体。随后使用去污剂从细胞中释放AAV颗粒,经澄清后,通过亲和柱色谱法纯化,并采用切向流过滤进行浓缩。
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在本方案中,通过将Spodoptera frugiperda(Sf9)昆虫细胞与携带AAV2-绿色荧光蛋白(GFP)或治疗基因的杆状病毒(BV)-AAV2-GFP(或治疗基因)以及携带BV-AAV2-rep-cap的Sf9细胞在悬浮培养中共培养,以产生AAV2载体。随后使用去污剂从细胞中释放AAV颗粒,经澄清后,通过亲和柱色谱法纯化,并采用切向流过滤进行浓缩。
腺相关病毒(AAV)是基因治疗应用中有前景的载体。本文中,通过将Spodoptera frugiperda(Sf9)细胞与感染了携带GFP(或治疗基因)的杆状病毒(BV)-AAV2-GFP以及BV-AAV2-rep-cap的Sf9细胞在无血清悬浮培养条件下共培养,来生产AAV2载体。细胞可在摇床或Wave生物反应器中的培养瓶中进行培养。为释放AAV颗粒,使用含去垢剂的缓冲液裂解生产细胞,随后通过低速离心和过滤澄清裂解液。利用AVB Sepharose柱层析从细胞裂解物中纯化AAV颗粒,该介质可特异性结合AAV颗粒。结合的颗粒用PBS洗涤以去除杂质,并使用pH为3.0的柠檬酸钠缓冲液从树脂上洗脱。酸性洗脱液用碱性Tris-HCl缓冲液(pH 8.0)中和后,用磷酸盐缓冲液(PBS)稀释,并通过切向流过滤(TFF)进一步浓缩。本方案描述了一种适用于临床前小规模AAV载体生产的流程,且可扩展至用于人类基因治疗的大规模临床级AAV生产。
腺相关病毒(AAV)是一类无包膜的人类细小病毒,含有约4.6 kb的单链DNA。在基因治疗应用中,AAV载体相较于其他病毒载体具有多种优势1,2,3,4。AAV在自然界中不具备复制能力,因此需要辅助病毒和宿主细胞机制才能完成复制。AAV不会引起任何疾病,并且在感染宿主中具有较低的免疫原性3,5。AAV能够感染静止期和活跃分裂的细胞,并可在宿主细胞中以附加体形式长期存在,而无需整合到宿主基因组中(AAV极少整合至宿主基因组)1,3。这些特性使AAV成为基因治疗应用中理想的工具。
为了构建AAV基因转移载体,需将包含治疗性基因的转基因表达盒克隆至两个内部末端重复序列(ITRs)之间,这些ITRs通常来源于AAV2血清型。从5' ITR到3' ITR的总长度(包括转基因序列)最大为4.6 kb6。不同的衣壳蛋白可能具有不同的细胞或组织嗜性,因此应根据AAV载体拟靶向的组织或细胞类型来选择合适的衣壳7。
重组腺相关病毒(AAV)载体通常在哺乳动物细胞系中生产,例如通过瞬时转染人胚胎肾细胞HEK293,共转染AAV基因转移载体、AAV rep-cap 载体以及辅助病毒质粒2,3。然而,使用贴壁生长的HEK293细胞进行瞬时转染在大规模AAV生产中存在若干局限性。首先,需要大量细胞堆栈或滚瓶;其次,需要高质量的质粒DNA和转染试剂,这会增加生产成本;最后,在使用贴壁HEK293细胞时,通常需要添加血清以实现最佳产量,从而增加了下游纯化的复杂性1,2,3。另一种AAV生产方法是利用昆虫细胞系——草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)Sf9细胞,并结合一种名为重组苜蓿银纹夜蛾核多角体病毒(recombinant Autographa californica multicapsid nuclear polyhedrosis virus,AcMNPV 或杆状病毒)的昆虫病毒8,9,10。Sf9细胞可在无血清悬浮培养体系中生长,易于放大,且适用于大规模符合现行药品生产质量管理规范(cGMP)的生产流程,该体系无需使用质粒或转染试剂。此外,采用Sf9-杆状病毒系统生产AAV的成本低于在HEK293细胞中通过质粒瞬时转染的方法11。
最初使用杆状病毒-Sf9细胞的rAAV生产系统需要三种杆状病毒:一种含有基因转移盒的杆状病毒,第二种含有rep基因的杆状病毒,第三种含有血清型特异性衣壳基因的杆状病毒12,13。然而,含有rep构建体的杆状病毒在多次传代过程中遗传不稳定,这阻碍了杆状病毒的大规模扩增,从而限制了AAV的大规模生产。为解决这一问题,开发了一种新型rAAV载体系统,该系统仅包含两种杆状病毒(TwoBac):一种杆状病毒携带AAV基因转移盒,另一种杆状病毒同时携带AAV的rep和cap基因。该系统比原始系统遗传更稳定,且因使用TwoBac而非三种杆状病毒,使rAAV的生产更为便捷14,15。OneBac系统则将AAV基因转移盒和rep-cap基因整合于单一杆状病毒中,仅需一种杆状病毒即可生产rAAV,相比TwoBac或ThreeBac系统更加简便2,16,17。在本研究中,采用TwoBac系统进行优化。
杆状病毒系统在AAV生产中也存在局限性:杆状病毒颗粒在无血清培养基中长期储存时不稳定11,且若杆状病毒滴度较低,则需要使用大量上清液,这可能在AAV生产过程中对Sf9细胞的生长产生毒性(个人观察)。采用无需滴定的感染细胞保存与扩增(TIPS)细胞,即杆状病毒感染的昆虫细胞(BIIC),为AAV生产提供了良好选择,该方法预先制备并冻存杆状病毒感染的Sf9细胞,随后用于感染新鲜的Sf9细胞。另一优势在于,杆状病毒(BV)在Sf9细胞中经冷冻保存后稳定性提高10,11。
为实现AAV的生产,需制备两种类型的TIPS细胞:第一种通过用BV-AAV2-GFP或治疗性基因感染Sf9细胞获得,第二种通过用BV-AAV2-rep-cap感染Sf9细胞获得。TIPS细胞以小份、即用型分装形式进行冷冻保存。AAV载体在无血清悬浮培养体系中生产,将可产生杆状病毒的TIPS细胞与新鲜的Sf9细胞共同培养,培养容器为置于轨道摇床或Wave生物反应器中的培养瓶。Sf9细胞被携带AAV2-GFP载体和rep-cap序列的杆状病毒感染,从而生成AAV。感染后四至五天,当AAV产量达到最高时,使用去垢剂裂解生产细胞以释放AAV颗粒。细胞裂解液随后通过低速离心和过滤进行澄清。AAV颗粒通过AVB Sepharose柱层析从裂解液中纯化。最后,采用切向流过滤(TFF)对AAV载体进行浓缩。本方案描述了小规模AAV的生产流程,适用于科研及临床前研究。然而,该方法具有可扩展性,且适用于基因治疗应用中临床级AAV载体的生产。
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有关该方案的示意图总结,请参见图1。
1. 杆状病毒感染的TIPS细胞的制备
2. AAV 载体的制备
3. 细胞裂解及AAV释放
4. 使用亲和柱层析系统纯化 AAV 载体
5. 使用切向流过滤(TFF)对 AAV 载体进行浓缩和透析过滤
6. 将 AAV 样品感染靶细胞以评估纯化步骤中 AAV 的存在
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此处展示了利用Sf9昆虫细胞系统进行AAV载体生产和纯化工艺开发的代表性结果。该方法包括将Sf9细胞与杆状病毒感染的TIPS细胞共培养,用生长培养基对细胞进行补料,收获并裂解生产细胞以释放AAV颗粒,通过核酸酶处理、离心和过滤对细胞裂解液进行澄清,采用AVB Sepharose亲和层析纯化AAV,以及通过TFF进行浓缩(图1)。
TIPS 细胞通过分别感染 BV-AAV2-GFP 或治疗基因以及 BV-AAV2-rep-cap 到 Sf9 细胞中而生成。由于多轮感染,大多数 Sf9 细胞在 3–4 天内被感染,这可通过杆状病毒糖蛋白 gp64 的表达来证实图2)且细胞直径增大(图3). TIPS 细胞在感染后 3–4 天收获并进行冻存。将 Sf9 细胞与 TIPS 细胞共培养,后者向培养基中分泌杆状病毒颗粒,从而感染未接触过病毒的 Sf9 细胞。杆状病毒具有复制能力,因此随着新产生的杆状病毒颗粒不断分泌至...
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本方案中用于腺相关病毒(AAV)载体生产、纯化和浓缩工艺开发的参数,可适用于基因治疗应用中AAV载体的小规模和大规模生产。整个上游和下游工艺均可在符合现行药品生产质量管理规范(cGMP)的封闭系统中进行。Sf9-杆状病毒系统的主要优势在于能够以较低成本实现大规模GMP级AAV的可扩展生产。该系统无需使用HEK293细胞生产AAV时所需的昂贵质粒和转染试剂。已有报道显示,HEK293细胞和Sf9细胞产生的AAV载体质量相似(Eric D. Horowitz,ASGCT 2018,摘要号#100)。该系统面临的主要挑战是需要构建杆状病毒和TIPS细胞,耗时较长且工作量较大。
在本实验方案中,使用了两种类型的 TIPS 细胞(TwoBac 系统):一种 TIPS 细胞含有携带 AAV 基因转移盒的杆状病毒,另一种 TIPS 细胞含有 AAV 的 rep-cap 基因。OneBac 系统2,16,17 可...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢美国国立卫生研究院国家心肺血液研究所的 Robert M. Kotin 博士慷慨提供 AAV 质粒,感谢辛辛那提儿童医院的 Danielle Steele 和 Rebecca Ernst 提供的技术支持。本研究由辛辛那提儿童研究基金会为 M.N. 提供的启动资金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 N 氢氧化钠 | Sigma-Aldrich | 1.09137 | 用于 Akta Avant 清洗 |
| 2 L 锥形瓶 | ThermoFisher Scientific | 431281 | 悬浮培养用锥形瓶 |
| 50 ml 离心管 | ThermoFisher Scientific | 14-959-49A | 用于收集上清液 |
| 24 孔板 | ThermoFisher Scientific | 07-200-80 | 贴壁细胞培养板 |
| 250 mL 锥形瓶 | ThermoFisher Scientific | 238071 | 悬浮培养用锥形瓶 |
| Akta Avant 150 配 Unicorn 软件 | Cytiva | 28976337 | 层析系统 |
| AVB Sepharose High Performance | Cytiva | 28411210 | 层析介质 |
| Baculovirus-AAV-2 GFP | 本实验室制备 | 非目录产品 | AAV 转移载体 |
| Baculovirus-AAV-2 rep-cap | 本实验室制备 | 非目录产品 | AAV 包装载体 |
| 核酸酶 | Sigma-Aldrich | E1014 | 降解 DNA 和 RNA 的酶 |
| 封闭缓冲液 | Santa Cruz Biotechnologies | 516214 | 封闭以防止抗体非特异性结合细胞 |
| 细胞裂解缓冲液 | 本实验室制备 | 非目录产品 | 20 mM Tris-HCl (pH 8.0), 150 mM NaCl, 0.5 % Triton X-100 |
| Cellbag,2 L 和 10 L | Cytiva | 28937662 | 生物反应器袋 |
| 清洗缓冲液 | 本实验室制备 | 非目录产品 | 100 mM 柠檬酸 (pH 2.1) |
| 冻存管 | Thomas Scientific | 1222C24 | 用于冷冻保存 |
| DMEM | Sigma-Aldrich | D6429 | 细胞系生长培养基 |
| 洗脱缓冲液 | 本实验室制备 | 非目录产品 | 50 mM 柠檬酸钠缓冲液 (pH 3.0) |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | E7073 | 用于层析柱的消毒和保存 |
| 过滤装置 | Pall Corporation | 12941 | 膜过滤器 |
| HT1080 细胞系 | ATCC | CCL-121 | 成纤维细胞系 |
| HyClone™ SFX-Insect 培养基 | Cytiva | SH30278.02 | 无血清昆虫细胞生长培养基 |
| 蠕动泵 | Pall Corporation | 非目录产品 | TFF 泵 |
| MaxQ 8000 摇床培养箱 | ThermoFisher Scientific | 非目录产品 | 用于悬浮培养的摇床 |
| 显微镜 | Nikon | 非目录产品 | 细胞监测与计数 |
| 小鼠抗杆状病毒 gp64 PE 抗体 | Santa Cruz Biotechnologies | 65498 PE | 监测 Sf9 细胞中的杆状病毒感染 |
| 氧气瓶 | Praxair | 非目录产品 | Sf9 细胞生长需要 40% 氧气供应 |
| PBS | ThermoFisher Scientific | 20012027 | 洗涤缓冲液 |
| 银染试剂盒 | ThermoFisher Scientific | LC6100 | 染色 AAV 衣壳蛋白 |
| Sf9 细胞 | ThermoFisher Scientific | 11496-015 | 昆虫细胞 |
| 去离子水 | 本实验室制备 | 非目录产品 | 用于 Akta Avant 清洗 |
| 台式离心机 | ThermoFisher Scientific | 75253839/433607 | 用于澄清杆状病毒上清液 |
| 切向流过滤 (TFF) 滤芯 | Pall Corporation | OA100C12 | 用于浓缩 AAV 的 TFF 滤芯 |
| Tris-HCl, pH 8.0 | ThermoFisher | 15568025 | 碱性缓冲液,用于中和洗脱的 AAV |
| WAVE 生物反应器系统 20/50 | Cytiva | 28-9378-00 | 生物反应器 |
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