该方案简化了逆转录病毒载体的制备及小鼠T细胞的转导过程,有助于高效生成小鼠CAR-T细胞。
该方案简化了逆转录病毒载体的制备及小鼠T细胞的转导过程,有助于高效生成小鼠CAR-T细胞。
利用嵌合抗原受体(CAR)-T细胞的工程化细胞疗法在血液系统恶性肿瘤患者中已展现出显著疗效,目前正被开发用于多种实体瘤的治疗。迄今为止,新型CAR-T细胞产品的初步评估主要在免疫缺陷小鼠的异种移植肿瘤模型中进行。选择该方法是为了在实验条件下促进人源CAR-T细胞的成功植入。然而,在同源小鼠模型中,肿瘤和CAR-T细胞均来源于同一种小鼠品系,可在具有完整功能的免疫系统和全面的肿瘤微环境(TME)背景下评估新的CAR技术。本文所述方案旨在通过提供逆转录病毒转导和体外 T细胞培养的标准化方法,简化小鼠CAR-T细胞的制备流程。本方案中描述的方法可应用于本研究以外的其他CAR结构,从而实现在免疫健全系统中对新型CAR技术进行常规评估。
表达嵌合抗原受体(CAR)的过继性T细胞疗法通过利用适应性免疫系统的功能,特异性地靶向并清除抗原阳性癌细胞,从而彻底改变了癌症免疫治疗领域1。尽管靶向B细胞恶性肿瘤的CAR-T细胞疗法已在临床上得到验证,但在动物模型中开展的临床前研究对于开发靶向实体瘤的新一代CAR仍至关重要。然而,迄今为止,在实体瘤适应症中该疗法的临床疗效仍有限,且日益明确的是,单一的临床前模型无法准确预测这种活体药物的药效动力学和临床疗效2,3。因此,研究人员已开始扩展CAR-T细胞产品的临床前研究,同时在人源肿瘤的异种移植模型和小鼠肿瘤的同源移植模型中进行平行评估。
与将人类肿瘤和T细胞移植到免疫缺陷小鼠体内的异种移植模型不同,同源模型能够在具有完整功能的免疫系统背景下研究CAR-T细胞的应答。具体而言,携带同源肿瘤的免疫健全小鼠为研究过继转移的T细胞与特定微环境之间的相互作用提供了体系——包括肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和调节性T细胞(Tregs),这些细胞已知可在肿瘤微环境(TME)中抑制T细胞功能4,5,6。此外,同源模型还提供了一个额外的平台,用于评估靶向肿瘤但脱靶正常组织的毒性,以及CAR-T细胞与宿主因素之间的相互作用可能引发的其他毒性,包括细胞因子释放综合征7。
尽管具有这些优势,同基因型CAR-T细胞的研究数量仍然有限。值得注意的是,同基因型模型需要从相同品系的小鼠中进行自体CAR-T细胞的基因工程改造,因此由于缺乏高效的小鼠T细胞转导和体外扩增的方法,带来了额外的挑战2,8。本方案概述了通过逆转录病毒载体的制备和优化的T细胞转导实现稳定CAR表达的方法。整个流程的示意图见图1。该方法的应用证明了小鼠CAR-T细胞中高效的逆转录病毒转导,并实现了高水平的CAR表达,且无需通过超速离心浓缩病毒。此外,还讨论了改变CAR结构抗原特异性的策略以及共表达其他转基因的方法。
所有动物实验均经机构动物护理和使用委员会(哥伦比亚大学,方案编号 AC-AABQ5551 和 AC-AAAZ4470)批准,使用6至8周龄、体重在20至25克之间的雌性BALB/c或C57BL/6小鼠。实验动物购自商业来源(见材料表)。本实验方案以小鼠T细胞激活后的“激活后天数”为时间基准,病毒生产始于第-2天。逆转录病毒在初次制备后可保存于-80 °C,若后续使用本方案,可从第0天的T细胞分离与激活步骤(即步骤2)开始操作。
1. 逆转录病毒载体的制备
注意:通过将包装基因分到两个独立的质粒中(见材料表),病毒产物已被改造为复制缺陷型,从而极大降低了发生重组事件及意外产生具有复制能力病毒的可能性。
2. 小鼠T细胞分离
3. 小鼠T细胞转导
本方案旨在标准化小鼠T细胞转导以生成小鼠CAR-T细胞的流程。 图1 详细描述了所涉及步骤。该过程始于逆转录病毒载体的制备 通过 将病毒组分共转染至Phoenix Eco细胞中。 图2 提供了转染当天Phoenix Eco细胞最佳密度的图像。随后,在转染后24小时(即本方案的“第0天”)激活分离的T细胞,为第1天的转导做准备。转导后,CAR-T细胞在重组人IL-7和IL-15存在条件下培养,以实现足够的扩增倍数,同时维持干细胞记忆样细胞群。
推荐使用小鼠T细胞分离试剂盒(参见 材料表) 采用本方案可获得T细胞纯度达 <转导前经流式细胞术测定,纯度达98%图 3A此外,使用本方案及经改造后由PGK启动子驱动CAR结构表达的pMSCV逆转录病毒载体,可实现65%–75%的可重复CAR表达率。图3B, C)。逆转录病毒滴度的测定结果显示,滴度可达约 2 x 10²⁰7 TU/mL,CAR 表达率为 74%,比例为 1/3rd pMSCV 与 pCL-Eco 共转染后收集的病毒上清补充图1).
最后,在激活后第10天,使用10 ng/mL IL-7和IL-15进行ex vivo培养可实现约15倍的扩增,从单个脾脏获得约150 × 106个T细胞(图3D)。使用IL-7和IL-15培养后,CD8+和CD4+ T细胞频率相当(图3E),并且在ex vivo培养10天后,通过CD62L+CD44-表达鉴定的干细胞记忆样细胞群得以维持(图3F)。

图1:实验方案概览。 上图:方案时间线的示意图。下图:逆转录病毒载体生产及小鼠T细胞转导的逐步操作说明。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:转染的最佳细胞密度。 转染pMSCV和pCL-Eco前,Phoenix Eco细胞在最佳密度下的明场显微镜图像。使用10倍物镜拍摄。比例尺 = 200 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:小鼠CAR-T细胞制备与 离体 培养。 (A流式细胞术图显示 BALB/c CD3 细胞的频率+ 小鼠T细胞分离后的细胞。B) 用于小鼠T细胞中GFP-CAR表达的pMSCV逆转录病毒载体的示意图。C流式细胞术直方图显示小鼠T细胞在与纯化的sfGFP孵育后CAR的表面表达。UT,未转导。D) CAR-T细胞在激活后第10天,经重组人IL-17和IL-15培养条件下的扩增倍数。约8 x 106 小鼠T细胞在转导前被激活,数量达到约1.28 x 108 激活后第10天。 (E流式细胞术图显示 CD8 阳性细胞的频率+ 和 CD4+ 激活后第10天的CAR-T细胞。F流式细胞术图显示 CD8 阳性细胞的频率+ 根据CD62L和CD44表面表达确定的T细胞记忆亚群。干细胞样记忆T细胞(TSCM)的特征为CD62L+CD44-,中央记忆性(TCM)通过CD62L+CD44+,以及通过CD62L鉴定效应记忆细胞(TEM)-CD44+. 请点击此处以查看此图的放大版本。
表1:细胞培养基配方。 本方案中所用细胞培养基的配方详情。请点击此处下载该表格。
补充图1:CAR表面表达及逆转录病毒滴度。(A)流式细胞术直方图显示BALB/c T细胞在与纯化的sfGFP孵育后CAR的表面表达情况。逆转录病毒通过将pMSCV_PGK_mGFP28z质粒与pCL-Eco和pMD2.G(I)、仅pCL-Eco(II)或单独pMSCV_PGK_mGFP28z(III)共转染Phoenix Eco细胞而产生。T细胞按所示稀释度的逆转录病毒感染。(B)通过检测转导T细胞表面CAR表达水平测定逆转录病毒滴度。转导单位(TU)/mL按公式(N∙F∙D)/V计算,其中N为转导细胞数(1 × 105),F为CAR+细胞频率,D为稀释倍数,V为转导体积(mL)(0.2 mL)。请点击此处下载该文件。
补充文件1:pMSCV表达载体序列。 pMSCV表达载体中GFP28z CAR及其侧翼序列(斜体)的序列,其中NotI和BamHI酶切位点以蓝色标出。请点击此处下载该文件。
本方案描述了逆转录病毒转导小鼠T细胞以生成用于体内研究的CAR-T细胞所需的步骤和试剂。in vivo 研究中,优化逆转录病毒转导条件可实现稳定的CAR表达,无需通过超速离心或添加其他试剂对病毒进行浓缩。然而,该方法还可进行多种改进。
尽管本方案描述了生成靶向GFP的CAR的示例,但这些方法可进行调整,以生成靶向任何感兴趣细胞外抗原的小鼠CAR-T细胞。本研究中使用的pMSCV_PGK逆转录病毒载体可通过NotI和BamHI酶切高效释放GFP特异性纳米抗体序列,也可替换为用户自定义的抗原识别结构域,例如scFv、纳米抗体或配体结合结构域(补充文件1)。为了便于评估不同CAR的表达情况,建议设计带有N端表位标签的CAR,如Myc(EQKLISEEDL)或Flag(DYKDDDDK)标签,这些标签可利用荧光标记的抗体进行检测12。此外,本研究展示了单个转基因的生产;然而,通过引入自剪切肽(2A序列)或内部核糖体进入位点(IRES),可实现多个转基因的共表达,包括用于增强T细胞在体内的功能的其他技术in vivo8,13,14。
尽管本方案通过省略超速离心(24,000 × g,2 小时,4 °C)步骤以消除对专用设备的需求,但值得注意的是,浓缩病毒上清液可获得更高的病毒滴度,并减少实现高CAR表达所需的病毒体积8。本方案还通过实现可重复的高病毒滴度(约 2 × 107 TU/mL)和稳定的CAR表达,简化了逆转录病毒载体的制备流程,且在使用前无需测定病毒滴度。然而,除了有助于标准化之外,在T细胞转导前测定病毒滴度还可能通过降低因病毒浓度过高而引起的潜在毒性,从而提高T细胞的存活率10,15。
建议补充 IL-7 和 IL-15 以促进 T 细胞扩增并维持 T 细胞记忆群体;然而,重组人 IL-2 可作为替代方案,以减少所需试剂的种类 离体 培养16,17,18,19然而,本文所述的CAR-T细胞制备方法仍受限于小鼠T细胞相对较低的扩增能力。不过,在整个转导过程中,通过在mTCM培养基中添加额外的补充成分和2-ME,可进一步改善上述提高T细胞存活率的措施。20尽管这些修饰可能使T细胞扩增倍数从15倍提高至最高20倍20可能导致转导效率降低和CAR表达减少。
最终,小鼠CAR-T细胞的制备使得能够建立同源模型,以在完整的免疫系统中评估CAR-T细胞的功能——从而对这些细胞的效力、持久性和安全性进行特定环境下的评估。而免疫缺陷小鼠模型则可用于针对人肿瘤抗原的人源T细胞产品的关键性临床前研究。这些互补模型系统的结合,对于理解CAR-T细胞生物学的复杂性、优化新型CAR结构设计,以及最终将临床前研究成果转化为有效的临床治疗手段,将是不可或缺的。
感谢 L. Brockmann 对手稿的审阅。本工作由 NIH 1R01EB030352 和 UL1 TR001873 资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.45 μm 滤膜 | MilliporeSigma | SLHVR33RS | |
| 1 mL 注射器 | Fisher Scientific | 14-955-450 | |
| 1.5 mL 微量离心管 | Fisher Scientific | 05-408-135 | |
| 10 mL 注射器 | BD | 14-823-16E | |
| 100 μm 细胞筛 | Corning | 07-201-432 | |
| 15 cm 组织培养处理细胞培养皿 | ThermoFisher Scientific | 130183 | |
| 15 mL 锥形管 | Falcon | 14-959-70C | |
| 40 μm 细胞筛 | Corning | 07-201-430 | |
| 50 mL 锥形管 | Falcon | 14-959-49A | |
| 70 μm 细胞筛 | Corning | 07-201-431 | |
| Attune NxT 流式细胞仪 | ThermoFisher Scientific | ||
| BALB/C,6-8 周龄 | Jackson Laboratory | 651 | |
| β-巯基乙醇 | Gibco | 21985023 | |
| 牛血清白蛋白 | GOLDBIO | A-420-500 | |
| DMEM 培养基 | Gibco | 11965092 | |
| 不含钙和镁的杜氏磷酸盐缓冲液 (PBS) | Gibco | 14-190-250 | |
| DynaMag-2 磁力架 | Invitrogen | 12-321-D | |
| EasySep 磁力架 | Stemcell Technologies | 18000 | |
| EasySep 小鼠 T 细胞分离试剂盒 | Stemcell Technologies | 19851 | |
| FACS 缓冲液 | BD | BDB554657 | |
| 胎牛血清 (FBS) | Corning | MT35011CV | |
| GlutaMAX | Gibco | 35-050-061 | |
| G-Rex6 | Wilson Wolf | 80240M | |
| HEPES 缓冲液 | Gibco | 15-630-080 | |
| 人重组 IL-15 | Miltenyi Biotec | 130-095-765 | |
| 人重组 IL-2 | Miltenyi Biotec | 130-097-748 | |
| 人重组 IL-7 | Miltenyi Biotec | 130-095-363 | |
| Lipofectamine 3000 | Invitrogen | L3000008 | |
| MEM 非必需氨基酸溶液 | Gibco | 11140-050 | |
| 小鼠抗 CD3 BV421 | Biolegend | 100228 | |
| 小鼠抗 CD3/CD28 Dynabeads | Gibco | 11-453-D | |
| 小鼠抗 CD4 BV605 | BD | 563151 | |
| 小鼠抗 CD44 APC | Biolegend | 103011 | |
| 小鼠抗 CD62L PE-Cy7 | Tonbo | SKU 60-0621-U025 | |
| 小鼠抗 CD8 APC-Cy7 | Tonbo | SKU 25-0081-U025 | |
| 配备 Prime 95B 相机的 Nikon Ti2 显微镜 | Nikon | ||
| 未经处理的 24 孔板 | CytoOne | CC7672-7524 | |
| Opti-MEM | Gibco | 31-985-062 | |
| pCL-Eco | Addgene | #12371 | |
| 青霉素/链霉素溶液 | Gibco | 15-070-063 | |
| Phoenix Eco 细胞 | ATCC | CRL-3214 | |
| pMDG.2 | Addgene | #12259 | |
| pMSCV_PGK_GFP28z | N/A | 由 R.LV. 制备 | |
| 纯化的 sfGFP | N/A | 由 R.LV. 制备 | |
| RetroNectin(“转导试剂”) | Takara Bio | T100B | |
| RPMI 1640 | Gibco | 21875 | |
| 10 mL 血清移液管 | Fisher Scientific | 13-678-11E | |
| 25 mL 血清移液管 | Fisher Scientific | 13-678-11 | |
| 5 mL 血清移液管 | Fisher Scientific | 13-678-11D | |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11-360-070 | |
| 组织培养处理的 24 孔板 | Corning | 08-772-1 | |
| 台盼蓝 | Gibco | 15-250-061 |