本方案概述了使用非整合型mRNA生成瞬时嵌合抗原受体(CAR)T细胞以用于癌症免疫治疗的详细步骤,并提供了评估CAR-T细胞及其细胞毒功能的可靠方法。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本方案概述了使用非整合型mRNA生成瞬时嵌合抗原受体(CAR)T细胞以用于癌症免疫治疗的详细步骤,并提供了评估CAR-T细胞及其细胞毒功能的可靠方法。
嵌合抗原受体(CAR)T细胞疗法作为一种开创性的癌症治疗方法,在治疗某些血液系统恶性肿瘤(如淋巴瘤和白血病)方面取得了前所未有的成功。然而,随着越来越多的癌症患者接受CAR-T细胞治疗,与治疗相关的继发性原发性恶性肿瘤的报道也逐渐增多,部分原因在于CAR转基因的意外插入,这引发了严重的安全性担忧。为解决这一问题,本文介绍了一种非病毒、非整合的方法,通过mRNA技术生成瞬时表达的CAR-T细胞。我们采用电穿孔法将编码人表皮生长因子受体2(HER2)特异性CAR的修饰mRNA导入T细胞,从而获得瞬时靶向HER2的CAR-T细胞。电穿孔后第1天,CAR在T细胞表面高效表达,第2天表达水平升高,至第5天则显著下降。这些瞬时CAR-T细胞对HER2阳性的SKOV-3卵巢癌细胞表现出强烈的细胞毒性,并分泌高水平的干扰素-γ(IFN-ϒ)。本实验方案提供了小规模制备瞬时CAR-T细胞的逐步操作指南,详细描述了CAR mRNA的制备、T细胞的活化与转染、CAR表达水平的检测以及CAR-T细胞功能的体外分析。该方法适用于临床前研究和临床研究中瞬时CAR-T细胞的制备。
癌症正日益成为威胁人类健康的重要因素,全球每年估计有2360万例新诊断病例和1000万例死亡病例1。对于多种局部性的非侵袭性和侵袭性癌症,手术联合放疗和化疗仍是治疗的金标准2,3,4。尽管传统的系统性治疗在早期癌症管理中取得了巨大成功,但其毒性显著,且对转移性及血液系统癌症疗效有限5。患有此类癌症的患者需频繁接受治疗,承受显著的毒性反应,以期稳定病情并延缓疾病进展。嵌合抗原受体(CAR)T细胞疗法近年来作为一种革命性的靶向治疗手段崭露头角,在B细胞血液系统癌症中展现出强大疗效,为这些迫切需要治疗的患者带来了希望6。
CAR-T细胞是经过基因工程改造的T淋巴细胞,其细胞表面表达一种嵌合抗原受体(CAR),可特异性识别肿瘤相关抗原(TAAs),并在无需主要组织相容性复合物蛋白(MHC)呈递抗原的情况下激活细胞7。激活后,CAR-T细胞可分泌一系列细胞因子,并以非MHC依赖的方式裂解肿瘤细胞,从而在免疫抑制性肿瘤微环境导致MHC下调或缺失的情况下仍能增强对肿瘤的杀伤作用8,9。CAR由至少三个不同结构域组成:一个胞外单链可变区片段(scFv),包含特异性识别TAA的抗体可变区;一个跨膜结构域,用于将CAR锚定在细胞膜上;以及一个胞内结构域,负责介导接头蛋白的募集和下游信号传导10。根据胞内结构域的不同,CAR结构迄今已发展出五代,其中第一代仅包含CD3ζ激活结构域,后续各代则增加了一个或多个来自如4-1BB和CD28等分子的共刺激结构域11。这些胞内结构域影响CAR-T细胞的信号转导机制、增殖能力、存活时间及毒性,共同决定了其临床抗肿瘤疗效。CAR-T细胞治疗的临床成功主要源于第二代CAR-T细胞,其靶向特异性识别B细胞谱系标志物CD19,用于治疗B细胞白血病和淋巴瘤12,13。截至目前,美国食品药品监督管理局(FDA)已批准六种靶向CD19或B细胞成熟抗原(BCMA)的第二代CAR-T细胞疗法,用于治疗复发或难治性血液系统恶性肿瘤,包括大B细胞淋巴瘤、套细胞淋巴瘤和多发性骨髓瘤6。新一代CAR-T细胞目前正处于广泛的临床前和临床研究阶段14,15。
CAR-T细胞的临床制备是一个复杂、昂贵且耗时的过程。目前,用于制备CAR-T细胞的白细胞来源于患者自身,以避免异体反应,尽管来源于供体的通用型(即“现成可用”)CAR-T细胞正在积极研发并处于临床评估阶段。16通过白细胞分离术从患者外周血中分离出白细胞后,采用病毒或非病毒方法将编码CAR的外源基因片段导入活化的T细胞中17,18,19逆转录病毒和慢病毒是用于CAR基因递送最常见的病毒载体,可导致编码CAR的DNA随机且永久地整合到T细胞基因组中20非病毒方法,包括mRNA-脂质纳米颗粒、转座子系统和CRISPR/Cas9基因组编辑,较为少见21随后,扩增表达CAR的T细胞 离体 大规模扩增后收集并重新回输至患者体内22,23制造符合严格药品生产质量管理规范(GMP)标准的病毒载体极为困难、复杂且成本高昂,给生产商、监管机构和患者带来重大负担,从而限制了其在临床上的广泛应用。
尽管CAR-T疗法取得了令人振奋的成功,但其安全性问题日益引起关注。由于在病毒或转座子转导过程中,CAR转基因随机整合至T细胞基因组,可能导致抑癌基因被破坏或原癌基因被激活,从而引发T细胞的恶性转化24,25。自2017年美国食品药品监督管理局(FDA)批准首个CAR-T细胞治疗产品以来,随访研究显示,接受该疗法的患者中多达15%会发展为继发性原发性恶性肿瘤(SPMs),例如T细胞淋巴瘤(TCL)、非小细胞肺癌(NSCLC)和皮肤癌26,27,28,29。值得注意的是,在部分SPMs中高频率检测到CAR转基因的存在30,31,且某些TCL病例直接由CAR-T细胞的异常扩增所致24,32,33,表明CAR-T产品在诱发某些SPMs中具有直接作用。其他研究进一步在SPMs的肿瘤细胞中鉴定出CAR转基因插入关键基因的现象,如TET234、JAK135和PBX236。鉴于越来越多的证据表明CAR-T细胞治疗后可能出现T细胞恶性肿瘤,FDA近期得出结论:所有目前获批的靶向CD19和靶向BCMA的CAR-T细胞疗法均需添加黑框警告,以强调其存在T细胞恶性肿瘤的重大风险37。然而,针对CAR-T治疗长期效应的大样本队列研究报道,接受治疗患者中SPMs的发生率介于3.8%至15%之间26,27,28,38,39,该发生率并不显著高于接受传统系统性治疗的血液系统肿瘤患者40,41,提示CAR-T细胞疗法整体具有相对良好的安全性。尽管如此,仍迫切需要通过更具成本效益的方法开发出安全且高效的CAR-T细胞,以最大限度降低SPMs的风险。
本文介绍了一种非病毒、非整合型生成CAR-T细胞的详细实验方案。该方案旨在提供一种简单、分步的操作指南,用于制备小规模、具有高效功能且CAR表达短暂的CAR-T细胞,从而避免插入突变,并最小化继发性恶性肿瘤(SPMs)的风险。我们证明,通过电穿孔将编码靶向肿瘤相关抗原HER2的修饰mRNA导入T细胞后,可在T细胞表面实现抗HER2 CAR的高效且短暂的表达。在CAR表达期间,这些T细胞能够有效杀伤HER2阳性肿瘤细胞,并分泌高水平的干扰素-γ(IFN-ϒ)。本方案分为四个独立但连续的部分,包括CAR mRNA的制备、T细胞的活化与电穿孔、CAR表达水平的检测以及CAR-T细胞功能的分析。该方法适用于学术研究和临床细胞治疗中短暂表达CAR-T细胞的开发与生产。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究所用的外周血单个核细胞(PBMC)系先前根据机构审查委员会(IRB)批准的方案(13942),采用先前所述的Ficoll-Paque密度梯度法42,从斯坦福医院血液中心提供的全血中分离获得。由于我们用于获取PBMC的血液系从斯坦福医院血液中心商业购得,因此无需获得参与者的知情同意。
1. CAR mRNA 的制备
2. T细胞的激活与电穿孔
3. CAR 表达的评估
4. CAR-T 细胞功能分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
我们构建了一种第二代靶向HER2的CAR,其包含一个源自人源化抗HER2小鼠单克隆抗体(mAb)4D5的scFv47,一个跨膜区,以及胞内4-1BB共刺激结构域,其后接CD3ζ激活结构域(图1A)。编码CAR的DNA序列包含一个5' SP6启动子,用于驱动CAR mRNA的转录 体外 (图1B)。CAR mRNA 长度约为 2 kb,通过凝胶电泳验证图1C).
随后通过电穿孔将CAR mRNA转染至活化的T细胞中,操作步骤如上所述。电穿孔后一天,超过50%的细胞表达CAR,而未转染mRNA的对照T细胞则不表达CAR(图2A)。CAR-T细胞的比例在第2天上升至超过70%(图2B),随后在第5天下降至10%(
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
本研究中,我们描述了一种详细的非病毒、非整合性方法,用于生成瞬时表达的CAR-T细胞,并提供了评估CAR-T细胞功能的技术操作流程。该方法避免使用传统的逆转录病毒和慢病毒载体进行永久性且随机的CAR转基因递送,而是利用电穿孔技术高效导入 体外 将修饰后的CAR mRNA导入T细胞。该方法可实现T细胞表面高水平、瞬时的CAR表达,显著降低与插入突变相关的继发性恶性肿瘤风险。
为了优化CAR mRNA的翻译,mRNA结构的精心设计至关重要。5'非翻译区(5'UTR)、编码序列、3'非翻译区(3'UTR)以及poly(A)尾均会影响mRNA的稳定性或翻译效率42。在设计mRNA的5'UTR时,通常采用来源于细胞内丰度较高的蛋白质对应mRNA的短5'UTR,例如肌动蛋白(actin)、β-微管蛋白(beta-tubulin)或胶原蛋白(collagen)的5'UTR50。在我们的CAR mRNA构建体中,选用了人β-珠蛋白(human beta-globin)的5'UTR,因其...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者Liang Hu、Robert Berahovich、Yanwei Huang、Shiming Zhang、Jinying Sun、Xianghong Liu、Hua Zhou、Shirley Xu、Haoqi Li和Vita Golubovskaya为ProMab Biotechnologies公司员工。Lijun Wu为ProMab Biotechnologies公司员工及股东。
本工作由 ProMab Biotechnologies 资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 7-AAD 活性染料 | Biolegend | 420404 | |
| ACEA Novocyte 流式细胞仪 | Agilent | NovoCyte 3000 | |
| AIM-V 培养基 | Gibco | 12055083 | |
| APC 标记的山羊抗人 IgG F(ab')2 抗体 | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 109-136-097 | |
| BglII 限制性内切酶 | New England BioLabs (NEB) | R0144L | |
| 3´-O-甲基-m7G(5')ppp(5')G RNA 帽结构类似物 | NEB | S1411S | |
| DMEM,高糖 | Gibco | 11965092 | |
| Dynabeads 人 T 细胞激活剂 CD3/CD28 磁珠 | Gibco | 11131D | |
| E-Plate 96 | Agilent | 5232376001 | |
| 乙醇 | Sigma | 459844-4L | |
| FBS | Lonza.com | 14-503F | |
| HiScribe SP6 RNA 合成试剂盒 | New England BioLabs (NEB) | E2070S | |
| 人 IL-2 重组蛋白 | Gibco | 15140122 | |
| Millennium RNA 标记物 | Invitrogen | AM7150 | |
| Monarch RNA 纯化试剂盒 (500 μg) | NEB | T2050L | |
| N1-甲基假尿苷三磷酸 (N1-Methylpseudo-UTP) | Trilink | N-1081-10 | |
| Neon 转染仪 | Invitrogen | MPK5000 | |
| Neon 转染系统 100-μL 试剂盒 | Invitrogen | MPK10096 | |
| 青霉素-链霉素 (10000 U/mL) | Gibco | 14-503F | |
| RPMI 1640 培养基 | Gibco | 11875135 | |
| 胰蛋白酶-EDTA (0.05%),含酚红 | Gibco | 25300120 | |
| UltraPure 苯酚:氯仿:异戊醇 (25:24:1, v/v) | Invitrogen | 15593049 | |
| xCELLigence 实时细胞分析 (RTCA) 仪器 | Agilent | RTCA MP | |
| ZymoPURE II 质粒中量提取试剂盒 | Zymo Research | D4201 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。