המאמר הזה מציג תמלול מרובה מבוסס חרוזי ציטומטריית זרימה להכמתת עד 12 ציטוקינים ומולקולות מבצעות מתרחיבי תאים סופרנטנטיים שנגזרו מקולטן אנטיגן כימרי (CAR)-T, ומאפשר ניתוח מהיר וניתן לשחזור של פונקציונליות תאי T מהונדסים עם נפחי דגימה קטנים.
Research Article
המאמר הזה מציג תמלול מרובה מבוסס חרוזי ציטומטריית זרימה להכמתת עד 12 ציטוקינים ומולקולות מבצעות מתרחיבי תאים סופרנטנטיים שנגזרו מקולטן אנטיגן כימרי (CAR)-T, ומאפשר ניתוח מהיר וניתן לשחזור של פונקציונליות תאי T מהונדסים עם נפחי דגימה קטנים.
פרופיל של תאי CAR T מציב אתגרים בשל ההטרוגניות שלהם, תגובות חיסוניות מורכבות וזמינות מוגבלת של דגימות. בדיקות מרובות מאפשרות הערכה פונקציונלית על ידי אפשרות לגילוי סימולטני של מגוון רחב של מולקולות אפקטור, כולל ציטוקינים, כימוקינים ומתווכים ציטוטוקסיים. כאן, אנו מתארים מבחן מרובה מבוסס חרוזים התואם לזרימת ציטופלומטרית לניתוח הפרשת מולקולות אפקטור על ידי תאים קולטני אנטיגן כימריים (CAR) אנושיים. תרכובות תאי CAR T מוחדרות בתערובת של חרוזי לכידה הכוללת מספר אוכלוסיות מקודדות בפלואורסצנציה המחוברות לנוגדנים ספציפיים לאנליט. חרוזים אלו קושרים מטרות מסיסות בדגימה, ויוצרים קומפלקסים של חרוז-אנליט אשר לאחר מכן מזוהים באמצעות נוגדנים מזוהים מסומנים. המבחן כולל פאנל של מתווכים חיסוניים כגון אינטרפרון (IFN)-γ, אינטרלוקין (IL)-2, גורם נמק גידול (TNF)-α, IL-6, IL-10, גורם גירוי מושבות גרנולוציטים-מקרופאגים (GM-CSF) וגרנזים B. השימוש בתקנים מוגדרים מאפשר מדידה כמותית של מספר אנליטים מדגימה אחת. רכישת נתונים וניתוח יכולים להתבצע באמצעות גישות שער אוטומטיות המסופקות על ידי כלי תוכנה הקשורים למכשיר או מבוססי אינטרנט, מה שמקל על עיבוד הנתונים. לסיכום, המבחן המרובה המוצג מאפשר ניתוח רב-פרמטרי של פונקציונליות תאי CAR T וניתן ליישם אותו בהקשרים כגון מחקר, בדיקת בקרת איכות, מחקרים מכניסטיים ואופיינות פונקציונלית.
אפיון פונקציונלי הוא חיוני בבדיקות תאי T קולטן אנטיגן כימרי (CAR) מכיוון שהוא מספק תובנות לגבי העוצמה, הבטיחות ומנגנוני הפעולה של טיפולים אלו. הבנת חתימות ציטוקינים ומתווכים ציטוטוקסיים מסייעת בהערכת האפקטיביות הטיפולית וההשפעות השליליות הפוטנציאליות, ומבטיחה את פיתוח טיפולים בטוחים ויעילים. בדיקות סיגל-פלקס מסורתיות כמו מבחני ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) מגבילות, כגון דרישה לנפחי דגימה גדולים, זמני עיבוד ארוכים ורצים נפרדים לכל אנליט, תוך הצעה של טווח דינמי מוגבל בתוך דגימות בודדות1,2. לעומת זאת, בדיקות סיגל-פלקס מבוססות חרוזים מאפשרות זיהוי בו-זמני של מתווכים מסיסים מרובים, תוך צמצום זמן העיבוד ודרישות הדגימות תוך הגדלת הטווח הדינמי1,2. יעילות ועומק ניתוח זה הופכים את בדיקות הסיגל-פלקס לכלים יקרי ערך לקידום מחקר ופיתוח של תאי T CAR3,4,5.
הבדיקה הרב-פלקסית המוצגת במחקר זה משתמשת בחרוזי לכידה, אשר מציגים פרופילי פלואורסצנטיות מוגדרים בערוצי הפלואורוסצין איזותיוציאנט (FITC) והפיקואריטין (PE) ומצופים בנוגדנים ספציפיים כנגד אנליטים מסיסים. במהלך הדגירה עם דגימה, חרוזים אלו קושרים באופן סלקטיבי את האנליטים היעד מהתמיסה. לאחר לכידת האנליט, מוסיפים נוגדני גילוי כדי ליצור קומפלקסים ספציפיים לחומר. נוגדנים אלו מצומדים ישירות לאלואפיקוציאנין (APC) (גילוי ישיר) או לביוטין (גילוי עקיף). לגילוי עקיף נדרשת הדגירה עוקבת עם נוגדן אנטי-ביוטין המשובץ ב-APC (איור 1). הקומפלקסים המתקבלים – הכוללים חרוזי לכידה, אנליטים ונוגדני גילוי – ניתחים על ידי ציטומטריית זרימה כדי לכמת את ריכוזי האנליטים. הבדיקה הרב-פלקסית היא טכנולוגיה מבוססת צלחת, הכוללת תקנים מוגדרים מראש המשמשים ליצירת עקומות תקן ספציפיות לאנליטים1,2.

איור 1: עקרון טכנולוגיית הציטוקינים ותהליך הבדיקה. הבדיקה מבוססת על 12 אוכלוסיות חרוזי לכידה מקודדי פלואורסצנציה המשובצות בנוגדנים ספציפיים לאנליטים. לאחר הדגירה של הדגימה, נוצרים קומפלקסים של חרוז-אנליט שניתן לזהות באמצעות ציטומטריית זרימה באמצעות נוגדני גילוי ספציפיים. תהליך הבדיקה כולל 1) הכנת תקנים של אנליטים ודגימות מעניינות על צלחת מסננת, 2) הדגירה עם חרוזי לכידה, 3) הדגירה עם נוגדני אנטי-אנליטים מסומנים בביוטין כדי ליצור קומפלקסים סנדוויץ', 4) הדגירה עם נוגדני אנטי-ביוטין מסומנים ב-APC, 5) השעיה מחדש במאגר למדידה, ו-6) רכישת דגימה. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.
הבדיקה הרב-פלקסית המתוארת במחקר זה תואמת לציטומטרי זרימה סטנדרטיים המצוידים בלייזר כחול (למשל, 488 ננומטר; ערוצי FITC ו-PE) ובלייזר אדום (למשל, 635 ננומטר; ערוץ APC). מכיוון שציטומטרי זרימה זמינים באופן נרחב במעבדות מחקר, בסביבות קליניות ובסביבות בקרת איכות, תאימות זו מאפשרת יישום ללא צורך בציוד מיוחד נוסף5. בהקשר של בדיקות פונקציונליות של תאי T CAR, גישה זו מאפשרת הערכה רב-פרמטרית של תגובות פונקציונליות בתוך תהליכי ניתוח זמינים באופן נרחב6. הבדיקה מציעה יתרונו
כל הדגימות האנושיות נלקחו ממתנדבים אנונימיים בריאים לאחר שהתקבלה הסכמה מדעת בכתב. כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של Ärztekammer Nordrhein (#2020272) ונעשו בהתאם לתקנות האתיות והבטיחות הביולוגית הנדרשות.
1. תרבות משותפת של תאי CAR T
2. הכנת תקן ודגימה
3. זרימת העבודה של הבדיקה
4. השגת נתונים וניתוח נתונים
זיהוי אוכלוסיות גביעי לכידה מייצגות המקודדות עבור 12 אנליטים מסיסים
אוכלוסיות גביעי לכידה זוהו באמצעות ערוצי FITC ו-PE של ציטומטר הזרימה. אשכולות גביעים מובחנים המייצגים אנליטים בודדים נפתרו בבירור על גבי חפיפת הדו-צירית, כולל IL-10, Granzyme B, MCP-1, IL-17A, Perforin, IL-2, IL-6, IFN-α, TNF-α, IL-21, IL-4 ו-GM-CSF (איור 2). לכל אוכלוסייה הייתה חתימת זריחה ייחודית, מה שמאשר זיהוי מרובה מוצלח והבחנה ברורה של הציטוקינים והמולקולות האפקטורים שנמדדו.

איור 2: זיהוי אוכלוסיות גביעי לכידה מרובות מייצגות. גביעי לכידה מכילים עוצמת זריחה טבועה שניתן להשתמש בה כדי להבדיל בין האוכלוסיות השונות הספציפיות לאנליטים. גרף הפיזור מציג את הפרדת האותות הספציפיים לאנליטים על פי עוצמת הזריחה בערוצי FITC (B1) ו-PE (B2). התמונה מציגה פרופיל מייצג של 12 אוכלוסיות גביעי לכידה המקודדות עבור GM-CSF, Granzyme B, IFN-α, IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-17A, IL-21, MCP-1 (CCL2), Perforin ו-TNF-α. נא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של האיור.
פרופיל ריכוז ציטוקין מייצג של תאי T CAR לאחר תרבית משותפת עם תאי גידול
לאחר תרבית משותפת של תאי T CAR עם תאי מטרה של גידול, ריכוזי הציטוקינים חושבו באמצעות פנל הציטוטוקסיות האנושי של מבחן המולטיפלקס (איור 3). תאי T CAR הפרישים רמות גבוהות של Granzyme B (49,950.2 pg/mL), IFN-α (48,367.8 pg/mL), TNF-α (7,055.2 pg/mL) ו-GM-CSF (6,653.5 pg/mL), דבר המעיד על הפעלה חזקה ופונקציית אפקטור ציטוטוקסי בתגובה לעיסוק בגידול. רמות IL-2 חרגו מגבול הזיהוי העליון (>10,000 pg/mL), בהתאם לאיתות פרוליפרטיבי חזק. הדגימה לא הדללה נוספת או נמדדה שוב. לעומת זאת, ציטוקינים הקשורים לתגובות תאי T עוזרים רגולטוריים או חלופיים, כולל IL-6, IL-10, IL-17A, IL-21 ו-MCP-1, נמצאו ברמות נמוכות או ברמות שקשה לזהותן. תוצאות אלו מצביעות על כך שתאי T CAR הפעילו בעיקר תגובה חיסונית מסוג 1 (Th1/ציטוטוקסי) המאופיינת בפעילות אפקטורית גבוהה ובייצור ציטוקינים דיכאוניים מוגבלים.

איור 3: פרופיל ציטוקין מייצג של תאי T CAR לאחר תרבית משותפת עם תאי גידול. תאי T מהונדסים עם קולטן אנטיגן כימרי (CAR) הוחזקו בתרבית משותפת בן לילה עם תאי גידול JeKo-1. על-תרביות תרביות תאים נקטפו לאחר 16 שעות דגירה וצנטריפוגה כדי להסיר חלקיקים. דגימות מדוללות נותחו באמצעות פנל הציטוטוקסיות האנושי של מבחן המולטיפלקס. שתי עקומות סטנדרטיות בוצעו והריכוזים של כל 12 האנליטים נקבעו. פלט נתונים מייצג להפעלה וחישוב ריכוזים ספציפיים לאנליטים באמצעות מצב ה-Express של ציטומטר הזרימה מוצג. גרף העמודים והטבלה הנלווית מציגים את הרמות המחושבות (פיקוגרם/מיליליטר) של 12 המולקולות האפקטורות. נא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של האיור.
קינטיקה של הפרשת ציטוקינים של תאי T CAR בעקבות גירוי ספציפי לאנטיגן
לאחר תרבית משותפת של תאי T CAR עם תאי מטרה המבטאים (Antigen⁺) או חסרים (Antigen⁻) את האנטיגן הקשור, הפרשת ה
המבחן המשולב שימש לתיאור תגובות מתווכים חיסוניים מסיסים בתרבית משותפת של תאי CAR T. תאי CAR T שגודלו בתרבית משותפת עם תאים מטרה חיוביים לאנטיגן הראו הפרשה מוגברת של IFN-γ, TNF-α, GM-CSF, Granzyme B ו-IL-2, באופן עקבי עם הפעלה של תאים מתווכים ופונקציה ציטוטוקסית4,5,8. לעומת זאת, בקרות חיוביות לאנטיגן הראו ייצור נמוך של ציטוקינים, מה שמוכיח את יכולת המבחן להבחין בין תגובות ספציפיות לאנטיגן בתנאים שנבדקו5,8. תוצאות אלו תומכות ביכולת המבחן להעריך את הפונקציונליות של תאי CAR T, כולל שימוש בניתוחים הקשורים לעצמה, פרופילים הקשורים לבטיחות וחקירות מכניסטיות.
למרות שפאנל 12 האנליטים הקבוע מספק סקירה רחבה של פעילות החיסון של CAR T, יתכן שאינו מעשי ללכוד את מלוא הטווח של האנליטים בכל היישומים. עבור זרימות עבודה ממוקדות כגון אימות מבחן או בדיקת בקרת איכות (QC) של מוצרי תאי CAR T, הפאנל יכול להיות מצומצם לתת-קבוצה מצומצמת (למשל, IL-2, IFN-γ ו-TNF-α) כדי לייעל את הניתוח תוך שמירה על רגישות פונקציונלית1,2.
שלבים קריטיים בפרוטוקול כוללים את עיצוב התרבית המשותפת של תאי CAR T ובחירה מתאימה של תנאי דגימה. בפרט, משך התרבית המשותפת ומספר תאי האפקטור (יחס E:T) קובעים ישירות את גודל הציטוקינים ויש להגדירם במהלך הגדרת המבחן5,6. בנוסף, יש להתאים את דילול הדגימה כדי להבטיח שריכוזי האנליטים נופלים בטווח הדינאמי של המבחן1,2. לכן, פתרון בעיות צריך להתמקד באימות ביצועי העקומה הסטנדרטית ובהתאמת תנאי התרבית המשותפת או גורמי הדילול אם האותות נופלים מחוץ לטווח הניתן לכימות1,2.
בהשוואה ל-ELISAs יחידים מסורתיים, פלטפורמת ה-Multiplex מבוססת ציטומטריה יוצרת מערכי נתונים מרוכזים רב-אנליטים מנפחים מינימליים של דגימות. על ידי אפשרות למדידה בו זמנית של מספר אנליטים בדגימה אחת, ה-Multiplexing יכול להפחית את צריכת החומרים הכוללת, להגדיל את תפוקת הדגימות ולקצר את זמן המבחן יחסית לביצוע מספר מבחני יחידה1,2. אפשרויות רכישה אוטומטית וניתוח סטנדרטי יכולות להפחית את השונות התלויה במשתמש ולתמוך בשחזור ויכולת ההתרחבות בהגדרות ניסוייות או ייצוריות5,8. רגישות גילוי ELISA סטנדרטית נעה בדרך כלל בין 16 ל-2000 pg/mL (יכולה להיות נמוכה יותר עבור ערכות רגישות גבוהה)7. בפלטפורמה המוצגת במחקר זה, ריכוזי הגילוי הנמוכים ביותר נעים בין 0.05 pg/mL עבור האנליטים הרגישים ביותר לכ-93.8 pg/mL עבור אלו בעלי רגישות מבחן טבועה נמוכה יותר. על פני הערכות פנימיות, יותר מ-74% מהאנליטים שנמדדו הציגו גבולות גילוי מתחת ל-5 pg/mL, ו-38% היו ניתנים לגילוי מתחת ל-1 pg/mL, מה שמדגיש את הרגישות הכוללת של המערכת. מכיוון שרגישות ה-Multiplex יכולה להשתנות בהתאם לציטוקינים, תחרות אפשרית של אפיטופים נותרה שיקול חשוב. כדי למזער הפרעה כזו, המבחן משתמש באפיטופים שאינם חופפים ללכידה וגילוי של כל אנליט, ובכך מפחית את ההטייה הקשורה לתחרות ומשפר את אמינות המדידה בתנאים מרובי אנליטים.
ביצועי המבחן המשולב עשויים להשתנות בין אנליטים שונים בהתאם לרגישות המבחן וההקשר הביולוגי, ובתנאים מסוימים, ריכוזי האנליטים עשויים להתקרב לגבול העליון של הגילוי ויש
M.L. ו-M.H. רשומים כממציאים בבקשת פטנט WO2021/058811A1. M.H. רשום כממציא בבקשות פטנט ופטנטים שהונפקו הקשורים לטכנולוגיות CAR T שהוגשו על ידי מרכז מחקר הסרטן פרד הוצ'ינסון, סיאטל, וושינגטון, ועל ידי אוניברסיטת וירצבורג, וירצבורג, גרמניה. M.H. הוא מייסד שותף ובעל מניות של T-CURX GmbH, וירצבורג, גרמניה. M.H. קיבל דמי כבוד מ-Celgene/BMS, Janssen, Kite/Gilead. J.J, A.R., ו-C.E. הם עובדי Miltenyi Biotec.
המחקר הזה מומן על ידי יוזמת התרופות החדשנית 2 Joint Undertaking תחת הסכם ההענקה מספר 945393, T2EVOLVE. היוזמה המשותפת הזו מקבלת תמיכה מתוכנית המחקר והחדשנות של האיחוד האירופי אופק 2020, הפדרציה האירופית של תעשיות התרופות והאגודות (EFPIA) והאגודה האירופית להמטולוגיה (EHA) (ל-M.H., C.Q., M.L.), ERA-NET TRANSCAN-3 (קריאה משותפת 2021, SmartCAR-T ל-M.H. ו-M.L.), Wilhelm-Sander-Stiftung (מספר מענק 2022.134.1 ל-M.L.), הקרן של פאולה ורודג'ר רייני (ל-M.H. ו-M.L.), IZKF Würzburg (S-511, C-543 ל-M.L.), הקרן הגרמנית למחקר (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, TRR 221 (תת-פרויקט A03 ו-A06 ל-M.H. ו-M.L.); SFB-TRR 338/3 2026–452881907 (תתי פרויקטים A02 M.H. ו-C04 M.L.) ו-CRC1525 (מענק ראשוני ל-M.L.), המרכז הבווארי למחקר סרטן (BZKF; TANGO ל-M.H. ו-M.L.), פרס INCA מאת נוברטיס (ל-M.L.)
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| ערכת MACSPlex Cytotoxic T/NK Cell, אנושית | Miltenyi Biotec | 130-125-800 | מבחן ציטוסינים מרובה מבוסס חרוזים עבור ציטומטריית זרימה |
| MACSPlex InspectoR Tool | Miltenyi Biotec | \ | כלי מבוסס אינטרנט לשער אוטומטי וניתוח של נתוני MACSPlex |
| מנתח MACSQuant 10 Flow Cytometer | Miltenyi Biotec | 130-096-343 | מכשיר ציטומטריה זרימה של מדידת נתונים מרובים |
| מנתח MACSQuant 16 Flow Cytometer | Miltenyi Biotec | 130-109-803 | מכשיר ציטומטריה זרימה של מדידת נתונים מרובים |
| מצב MACSQuant Express | Miltenyi Biotec | \ | תוכנה לשער אוטומטי וניתוח |
| מדיום TexMACS | Miltenyi Biotec | 130-097-196 | מדיום תרבית תאים נטול סרום מותאם שפותח לגידול והתרבות של תאי T אנושיים ועכבריים |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission