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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Qui, presentiamo un protocollo per l'editing genetico nelle cellule T umane primarie utilizzando la tecnologia CRISPR Cas per modificare le cellule CAR-T.
Le terapie cellulari adottive che utilizzano cellule T del recettore dell'antigene chimerico (cellule CAR-T) hanno dimostrato una notevole efficacia clinica in pazienti con neoplasie ematologiche e sono attualmente in fase di studio per vari tumori solidi. Le cellule CAR-T sono generate rimuovendo le cellule T dal sangue di un paziente e ingegnerizzandole per esprimere un recettore immunitario sintetico che reindirizza le cellule T per riconoscere ed eliminare le cellule tumorali bersaglio. L'editing genetico delle cellule CAR-T ha il potenziale per migliorare la sicurezza delle attuali terapie cellulari CAR-T e aumentare ulteriormente l'efficacia delle cellule CAR-T. Qui, descriviamo i metodi per l'attivazione, l'espansione e la caratterizzazione delle cellule CAR-T umane CD19 progettate con CRISPR. Ciò comprende la trasduzione del vettore lentivirale CAR e l'uso di RNA guida singolo (sgRNA) ed endonucleasi Cas9 per indirizzare i geni di interesse nelle cellule T. I metodi descritti in questo protocollo possono essere universalmente applicati ad altri costrutti CAR e geni bersaglio oltre a quelli utilizzati per questo studio. Inoltre, questo protocollo discute le strategie per la progettazione del gRNA, la selezione del gRNA principale e la convalida del knockout del gene bersaglio per ottenere in modo riproducibile l'ingegneria CRISPR-Cas9 multiplex ad alta efficienza delle cellule T umane di grado clinico.
La terapia cellulare del recettore dell'antigene chimerico (CAR)-T ha rivoluzionato il campo delle terapie cellulari adottive e dell'immunoterapia del cancro. Le cellule CAR-T sono cellule T ingegnerizzate che esprimono un recettore immunitario sintetico che combina un frammento di anticorpo a catena singola antigene-specifico con domini di segnalazione derivati dalla catena TCRzeta e domini costimulatori necessari e sufficienti per l'attivazione e la co-stimolazione delle cellule T1,2,3,4 . La produzione di cellule CAR-T inizia estraendo le cellule T del paziente, seguita dalla trasduzione virale ex vivo del modulo CAR e dall'espansione del prodotto cellulare CAR-T con perle magnetiche che funzionano come antigene artificiale presentando cellule5. Le cellule CAR-T espanse vengono reinfuse nel paziente dove possono attecchire, eliminare le cellule tumorali bersaglio e persino persistere per più anni dopo l'infusione6,7,8. Sebbene la terapia con cellule CAR-T abbia portato a notevoli tassi di risposta nelle neoplasie delle cellule B, il successo clinico per i tumori solidi è stato messo alla prova da molteplici fattori tra cui la scarsa infiltrazione delle cellule T9,un microambiente tumorale immunosoppressivo10,la copertura e la specificità dell'antigene e la disfunzione delle cellule CAR-T11,12 . Un'altra limitazione dell'attuale terapia cellulare CAR-T include l'uso di cellule T autologhe. Dopo più cicli di chemioterapia e un elevato carico tumorale, le cellule CAR-T possono essere di scarsa qualità rispetto ai prodotti ALLOGENI CAR-T di donatori sani, oltre al tempo e alle spese associate alla produzione di cellule CAR-T autologhe. L'editing genetico del prodotto car-T di CRISPR/Cas9 rappresenta una nuova strategia per superare gli attuali limiti delle cellule CAR-T13,14,15,16,17.
CRISPR/Cas9 è un sistema bicomponente che può essere utilizzato per l'editing mirato del genoma nelle cellule di mammifero18,19. L'endonucleasi Associata a CRISPR Cas9 può indurre rotture a doppio filamento sito-specifiche guidate da piccoli RNA attraverso l'accoppiamento di basi con la sequenza di DNA bersaglio20. In assenza di un modello di riparazione, le rotture a doppio filamento vengono riparate dalla via NHEJ (nonhomologous end joining) soggetta a errori, con conseguenti mutazioni frameshift o codoni di arresto prematuro attraverso mutazioni di inserzione e delezione (INDL)19,20,21. Efficienza, facilità d'uso, economicità e capacità di editing del genoma multiplex rendono CRISPR/Cas9 un potente strumento per migliorare l'efficacia e la sicurezza delle cellule CAR-T autologhe e allogenei. Questo approccio può essere utilizzato anche per modificare le celle T dirette TCR sostituendo il costrutto CAR con un TCR. Inoltre, le cellule CAR-T allogeniche che hanno un potenziale limitato di causare la malattia del trapianto contro l'ospite possono anche essere generate dalla modifica genica del locus TCR, b2m e HLA.
In questo protocollo, mostriamo come l'ingegneria CRISPR delle cellule T può essere combinata con la consegna mediata da vettori virali del CAR-Transgene per generare prodotti a cellule CAR-T modificati dal genoma con maggiore efficacia e sicurezza. Un diagramma schematico dell'intero processo è mostrato nella Figura 1. Utilizzando questo approccio, abbiamo dimostrato knockout genico ad alta efficienza nelle cellule CAR-T umane primarie. La Figura 2A descrive in dettaglio la sequenza temporale di ogni passaggio per la modifica e la produzione di celle T. Vengono inoltre discusse le strategie per la progettazione dell'RNA guida e la convalida del knockout per applicare questo approccio a vari geni bersaglio.
Le cellule T umane sono state acquistate attraverso il nucleo di immunologia umana dell'Università della Pennsylvania, che opera secondo i principi della buona pratica di laboratorio con procedure operative standard stabilite e / o protocolli per la ricezione, l'elaborazione, il congelamento e l'analisi dei campioni conformi alle linee guida etiche MIATA e Dell'Università della Pennsylvania.
1. Produzione vettoriale lentivirale
NOTA: I prodotti virali sono stati resi difettosi di replicazione mediante separazione dei costrutti di imballaggio (Rev, gag/pol/RRE, VSVg e plasmide di trasferimento) in quattro plasmidi separati, riducendo notevolmente la probabilità di eventi di ricombinazione che possono portare a virus competenti per la replicazione.
2. Progettazione di sgRNA e distruzione genica in cellule T umane primarie
3. Attivazione delle cellule T, trasduzione ed espansione lentivirale
NOTA: Per lo screening degli sgRNA, la trasduzione lentivirale (Step 3.2) del costrutto CAR non è necessaria.
4. Efficienza CRISPR
5. Monitoraggio degli effetti off-target utilizzando iGUIDE - Preparazione della libreria, sequenziamento del DNA e analisi
NOTA: la tecnica iGUIDE consente di rilevare le posizioni della scissione guidata Cas9 e quantificare le distribuzioni di quelle rotture a doppio filamento di DNA.
Descriviamo qui un protocollo per ingegnerizzare geneticamente le cellule T, che può essere utilizzato per generare sia cellule CAR-T autologhe che allogenei, nonché cellule T reindirizzate TCR.
La Figura 1 fornisce una descrizione dettagliata delle fasi coinvolte nel processo di produzione delle cellule T modificate crispr. Il processo inizia progettando sgRNA per il gene di interesse. Una volta che gli sgRNA sono stati progettati e sintetizzati, vengono poi utilizzati per creare complessi RNP con la proteina Cas appropriata. Le cellule T sono isolate da un donatore sano o da un'aferesi del paziente e i complessi RNP vengono erogati mediante elettroporazione o nucleofezione. Dopo l'editing, le cellule T vengono attivate e trasdotte con la codifica vettoriale lentivirale per il costrutto CAR o TCR. Dopo l'attivazione, le cellule T vengono espanse in coltura e crioconservate per studi futuri. Il protocollo dettagliato seguito in laboratorio è descritto nella Figura 2. Durante l'espansione, il raddoppio della popolazione e le variazioni di volume vengono monitorati in tutto il protocollo e un esempio è mostrato nella Figura 2B e C per le celle CAR-T sia simulate che modificate. La Figura 2B,C mostra che il KO del gene di interesse non ha causato cambiamenti significativi nella proliferazione e nell'attivazione durante l'espansione. Questi risultati, tuttavia, dipendono dal gene bersaglio da modificare e quindi possono o meno portare a cambiamenti nella proliferazione e nell'espansione.
Una volta che le cellule sono crioconservate, i livelli di espressione di CAR sono anche determinati per ulteriori studi funzionali. In questo caso, come mostrato nella Figura 2D, abbiamo controllato l'espressione CD19 CAR sia sulle celle Mock edited che KO CAR-T e non abbiamo visto alcun cambiamento significativo. Questo dipenderà ancora una volta dal gene di interesse che viene modificato. Infine, l'efficienza del KO può essere determinata utilizzando più tecniche come la citometria a flusso e il western blot per il rilevamento del livello proteico e anche il sequenziamento Sanger per il rilevamento a livello genico del KO. Le figure 3A e 3B mostrano grafici rappresentativi di citometria a flusso in cui il locus PDCD1 e TRAC è mirato utilizzando sgRNA, mostrando un'efficienza del 90% per il SGRNA PDCD1 e del 98% per il sgRNA TRAC tra più donatori sani. Pertanto, questo protocollo può ottenere knockout ad alta efficienza con una perdita minima di vitalità.

Figura 1. Diagramma schematico che mostra l'editing delle cellule T utilizzando la tecnologia CRISPR Cas9 e la produzione di cellule CAR-T umane primarie. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2. Espansione delle cellule CAR-T modificate e loro raddoppio della popolazione. (A) Cronologia dell'editing e della produzione crispr in cellule CART umaneprimarie. (B) Raddoppi della popolazione in cellule CAR-T CD19 modificate con Mock e CRISPR misurate utilizzando un contatore di Coulter durante l'espansione delle cellule CAR-T (n = 3 donatori sani; KO=knockout) (C) Dimensione cellulare (μm3) misurata utilizzando un contatore di Coulter durante l'espansione delle cellule CAR-T (n=3 donatori sani). (D) Grafici rappresentativi di citometria a flusso che mostrano la colorazione CAR e la media in più donatori che mostrano l'espressione di CAR in cellule CAR-T sia simulate che modificate. L'espressione di CAR è stata rilevata utilizzando un anticorpo anti-idiotipo coniugato a un fluoroforo e gated su linfociti/singlet/cellule vive (n=3 donatori sani, UTD=non trasdotti,). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3. Caratterizzazione dell'efficienza KO nelle cellule CAR-T modificate utilizzando la citometria a flusso. (A) Grafici rappresentativi di citometria a flusso che mostrano la colorazione di PD-1 e la media in più donatori che mostrano l'efficienza di PD-1 KO utilizzando un gRNA mirato al locus TRAC in cellule CAR-T simulate e modificate. L'espressione di PD-1 è stata rilevata utilizzando l'anticorpo PD-1 (Clone EH12.2H7) coniugato al fluoroforo e gated su linfociti/singlet/cellule vive (n=3 donatori sani). Le barre di errore indicano l'errore medio±standard della media (SEM). p<0.0001, *** p=0.0005, ** p=0.001 dal t test di Welch. (B)Grafici rappresentativi di citometria a flusso che mostrano la colorazione CD3 e la media in più donatori che mostrano l'efficienza di CD3 KO utilizzando un gRNA mirato al locus TRAC in cellule CAR-T simulate e modificate. L'espressione di CD3 è stata rilevata utilizzando l'anticorpo CD3 (Clone OKT3) coniugato al fluoroforo e gated su linfociti/singlet/cellule vive (n=3 donatori sani). Le barre di errore indicano l'errore medio±standard della media (SEM). p<0.0001, *** p=0.0005, ** p=0.001 dal t test di Welch. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno divulgazioni.
Qui, presentiamo un protocollo per l'editing genetico nelle cellule T umane primarie utilizzando la tecnologia CRISPR Cas per modificare le cellule CAR-T.
Riconosciamo il Nucleo di Immunologia Umana per la fornitura di cellule T normali donatrici e il Nucleo di Citometria a Flusso presso l'Università della Pennsylvania.
| centrale 4D-Nucleofactor | Lonza | AAF-1002B | |
| 4D-Nucleofactor X-Unit | Lonza | AAF-1002X | |
| Accuprime Pfx Supermix | ThermoFisher | 12344040 | |
| Beckman Optima XPN ultracentrifuga | Beckman Coulter | ||
| Brilliant Violet 605 anti-umano CD3 Antibody | Biolegend | 317322 | Clone OKT3 |
| BV711 Clone | Biolegend | PD1 anti-umano | EH12.2H7 |
| Cas9-Potenziatori di elettroporazione | IDT | 1075915 | |
| CD3/CD28 Dynabeads | ThermoFisher | 40203D | |
| CD4+ Kit di isolamento delle cellule T | Tecnologie StemCell | 15062 | |
| Kit di isolamento delle cellule T CD8+ | Tecnologie StemCell | 15063 | |
| Corning 0,45 micron filtro/flacone sottovuoto | Corning | 430768 | |
| Fiaschetta per colture cellulari Corning T150 | Millipore Sigma | CLS430825 | |
| DMSO | Millipore Sigma | D2650 | |
| DNAeasy Kit sangue e tessuti | Qiagen | 69504 | |
| DynaMag Magnet | ThermoFisher | 12321D | |
| Glutamax supplement | ThermoFisher | 35050061 | |
| celle HEK293T | ATCC | CRL-3216 | |
| HEPES (1 M) | ThermoFisher | 15630080 | |
| huIL-15 | PeproTech | 200-15 | |
| huIL-7 | PeproTech | 200-07 | |
| Lipofectamine 2000 | ThermoFisher | 11668019 | |
| Nucleospin Gel e pulizia | PCRTakara | 740609.25 | |
| Opti-MEM | ThermoFisher | 31985062 | |
| P3 Cellula primaria 4D-nucleofattore X Kit L | Lonza | V4XP-3024 | |
| Penicilina-Streptomicina-Glutammina | ThermoFisher | 10378016 | |
| espressione di pTRPE Plasmide | in casa | ||
| Coniglio Anticorpo monoclonale FMC63 scFv, (R19M), PE | CytoArt | 200105 | |
| RPMI1640 | ThermoFisher | 12633012 | |
| sgRNA | IDT | ||
| Spy Fi Cas9 | Aldevron | 9214 | |
| Provette per ultracentrifuga | Beckman Coulter | 326823 | |
| Miscela per imballaggio virale | in casa | ||
| X-Vivo-15 Media | Lonza | BE02-060F |