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Research Article
Russell W. Cochrane1,2,3, Rob A. Robino1,2,3, Leonardo M. R. Ferreira1,2,3
1Department of Microbiology and Immunology,Medical University of South Carolina, 2Department of Regenerative Medicine and Cell Biology,Medical University of South Carolina, 3Hollings Cancer Center,Medical University of South Carolina
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Questo protocollo fornisce un flusso di lavoro semplificato per generare e testare cellule T regolatorie del recettore dell'antigene chimerico umano (CAR Tregs).
La terapia con cellule T del recettore chimerico dell'antigene (CAR) ha rimodellato il volto del trattamento del cancro, portando a tassi di remissione record in tumori ematologici precedentemente incurabili. Questi successi hanno stimolato l'interesse nell'adattare la piattaforma CAR a un piccolo ma fondamentale sottogruppo di cellule T CD4+ principalmente responsabili della regolazione e dell'inibizione della risposta immunitaria, le cellule T regolatorie (Treg). La capacità di reindirizzare l'attività immunosoppressiva delle Treg a qualsiasi bersaglio extracellulare ha enormi implicazioni per la creazione di terapie cellulari per le malattie autoimmuni, il rigetto del trapianto d'organo e la malattia del trapianto contro l'ospite. Qui, descriviamo in dettaglio le metodologie per l'isolamento in buona fede delle Treg dal sangue periferico umano, la modificazione genetica delle Treg umane utilizzando lentivirus o knock-in assistito da CRISPR/Cas9 utilizzando la somministrazione di modelli di riparazione diretta omologa (HDR) mediata da virus adeno-associati e l'espansione ex vivo di Treg CAR umane stabili. Infine, descriviamo la valutazione della stabilità fenotipica delle Treg CAR umane e della funzione soppressiva in vitro , che fornisce informazioni su come si comporteranno le Treg CAR umane in applicazioni precliniche e cliniche.
Le terapie con cellule T del recettore chimerico dell'antigene (CAR) hanno rivoluzionato il trattamento delle neoplasie ematologiche, raggiungendo tassi di remissione notevolmente elevati in tumori precedentemente non trattabili 1,2. I primi risultati incoraggianti dell'utilizzo delle cellule T CAR per il trattamento del glioblastoma 3,4,5 evidenziano la versatilità della tecnologia CAR e il potenziale futuro per colpire un'ampia gamma di neoplasie. Mentre il campo esplora ulteriori applicazioni dei CAR, le cellule T regolatorie (Treg) sono emerse come un tipo di cellula promettente. Le Treg svolgono un ruolo cruciale nel mantenimento dell'omeostasi immunitaria e nella regolazione delle risposte immunitarie attraverso diversi meccanismi, tra cui il sequestro di IL-2, la secrezione di citochine immunosoppressive e la modulazione delle cellule presentanti l'antigene 6,7.
Con la tecnologia CAR, le Treg potrebbero essere sfruttate per il trattamento del rigetto del trapianto di organi, delle malattie autoimmuni e dei disturbi infiammatori come le allergie e l'asma 6,8,9. Le Treg CAR potrebbero portare a miglioramenti significativi degli esiti e della qualità della vita dei pazienti riducendo l'uso di farmaci immunosoppressori, che inibiscono il sistema immunitario nel suo complesso e sono associati a effetti collaterali nocivi10,11. I modelli preclinici hanno mostrato risultati promettenti nella traduzione della tecnologia CAR in Tregs, con applicazioni di successo in malattie come il diabete di tipo 1, la sclerosi multipla, la malattia del trapianto contro l'ospite e la malattia infiammatoria intestinale 9,12,13,14,15. Nella clinica, le Treg CAR sono attualmente in fase di studio per prevenire il rigetto del trapianto di organi solidi16.
Questo articolo presenta una metodologia dettagliata per la generazione di cellule T regolatorie del recettore dell'antigene chimerico umano (CAR Tregs). Questo protocollo prevede l'isolamento delle Treg dal sangue periferico umano e la loro modifica genetica utilizzando tecniche come la trasduzione lentivirale e il knock-in genico preciso utilizzando l'editing genetico CRISPR/Cas9 e vettori di virus adeno-associati (AAV). Descriviamo anche la valutazione della stabilità fenotipica e della funzione soppressiva di queste Treg ingegnerizzate, che sono passaggi cruciali per convalidare il loro potenziale terapeutico 17,18,19. Questo approccio semplifica la progettazione e la sperimentazione precoce delle terapie CAR Treg, che hanno il potenziale per estendere l'impatto trasformativo della terapia con cellule T CAR per regolare il sistema immunitario. Condividendo la nostra metodologia, speriamo di ispirare ulteriori ricerche e innovazioni nel fiorente spazio della terapia CAR Treg 9,20.
1. Isolamento delle Treg umane
2. Attivazione delle cellule T
3. Trasduzione lentivirale delle Treg umane
4. Knock-in genico mediato da CRISPR/Cas9 nelle Treg umane
5. Attivazione delle Treg CAR umane
6. Stabilità delle Treg CAR umane
7. Soppressione delle Treg CAR umane

Il protocollo qui descritto fornisce una pipeline semplificata e standardizzata per valutare nuovi costrutti di recettori chimerici dell'antigene (CAR) nelle cellule T regolatorie umane (Treg), con l'obiettivo di creare terapie viventi per le malattie autoimmuni, la malattia del trapianto contro l'ospite, il rigetto del trapianto d'organo e l'allergia. La Figura 1 illustra come otteniamo Treg umane altamente pure dal sangue periferico utilizzando FACS (Figura 1A), come valutato dai loro alti livelli dei fattori di trascrizione del lignaggio Treg FOXP3 e HELIOS dopo l'espansione ex vivo (Figura 1B).
Presentiamo due metodi per eseguire la modificazione genica nelle Treg umane: la trasduzione del lentivirus (Figura 2) e il knock-in genico mediato da CRISPR/Cas9 (Figura 3), entrambi con elevata efficienza. Ci avvaliamo di una terza parte per sintetizzare i costrutti della spina dorsale lentivirale e produrre e titolare il lentivirus, che viene poi spedito al nostro laboratorio e conservato a -80 °C fino all'uso. Tuttavia, è anche possibile generare lentivirus internamente trasfettando le cellule HEK293T con CAR e impacchettando plasmidi, seguiti dalla titolazione in cellule Jurkat utilizzando la citometria a flusso, come descritto altrove17. Per quanto riguarda il knock-in genico, abbiamo preso di mira il locus della costante alfa del recettore delle cellule T (TRAC) con Cas9 e un singolo RNA guida (sgRNA) precedentemente dimostrato da noi e da altri per provocare un'elevata efficienza di editing13,23 e knock nel transgene CAR, consegnato sotto forma di un virus adeno-associato (AAV) non integrato con bracci di omologia specifici per il locus TRAC. È stato dimostrato che questa strategia porta a un'espressione di CAR più uniforme e coerente tra i donatori di sangue nelle cellule T convenzionali23, evitando al contempo il potenziale rischio oncogeno di un'integrazione genomica casuale con lentivirus. L'AAV qui utilizzato è stato prodotto e titolato da terzi e spedito al nostro laboratorio, dove è stato conservato a -80 °C fino all'uso. Tuttavia, è possibile produrre AAV internamente utilizzando cellule HEK293T trasfettate con un costrutto AAV e plasmidi di confezionamento AAV come cellule produttrici e kit disponibili in commercio per purificare e titolare AAV, come descritto altrove13,24.
Per mostrare il nostro protocollo per testare più CAR nelle Treg umane, abbiamo preso il ben consolidato costrutto CAR CD19 e abbiamo generato varianti con diverse architetture di segnalazione, caratterizzate da una catena CD3delta o CD3epsilon invece della tipica catena CD3zeta25, o contenenti mutazioni nei motivi di segnalazione noti di CD2826. La Figura 4 mostra l'entità dell'attivazione, misurata dall'espressione superficiale di CD71 (recettore della transferrina), di diverse Treg CAR CD19 in seguito a co-incubazione con cellule K562 irradiate che esprimono CD19. Le cellule K562 sono una scelta comune come cellule bersaglio nei saggi di attivazione delle cellule T grazie alla loro facilità di coltura e trasduzione lentivirale e all'assenza di HLA, CD80 e CD86, garantendo l'assenza di background da TCR endogeno o attivazione del recettore costimolatorio da parte di cellule non modificate21,27.
In alternativa, si possono utilizzare biglie magnetiche coniugate alla proteina bersaglio CAR per attivare CAR Tregs28. L'assenza di segnale di co-stimolazione fornito dal CAR, dovuta alla completa assenza di un dominio CD28 (costrutto Zeta) o all'inattivazione di tutti e tre i motivi di segnalazione CD28 noti (costrutto CD28(xxx)zeta), ha determinato un'espressione di CD71 inferiore rispetto a un CD28zeta CD19 CAR (Figura 4). Un parametro molto importante sia per l'efficacia che per la sicurezza delle terapie CAR Treg è la stabilità delle Treg, poiché le Treg possono perdere la funzione soppressiva e diventare cellule T pro-infiammatorie in seguito a colture ex vivo prolungate o esposizione ad ambienti infiammatori in vivo29,30. Con il nostro protocollo, le Treg CAR umane rimangono positive per FOXP3 e HELIOS, il gold standard dell'identità delle Treg, in seguito all'isolamento, alla modifica genica, all'espansione policlonale e all'attivazione tramite il CAR (Figura 5). Da notare che utilizziamo un citometro a flusso spettrale per analizzare i campioni sottoposti a colorazione anticorpale intracellulare per aumentare l'intensità e la risoluzione del segnale. Infine, mostriamo nella Figura 6 un test immunitario per misurare la funzione delle Treg CAR umane. Le cellule T convenzionali vengono marcate con un colorante fluorescente per monitorare la loro proliferazione utilizzando la citometria a flusso e quindi attivate. Queste cellule T responder attivate (Tresp) vengono quindi co-incubate con CAR Treg attivate a diversi rapporti Treg:Tresp. Maggiore è il numero di CAR Tregs, minore è la proliferazione delle cellule Tresp, una misura diretta della funzione soppressiva delle CAR Treg. È interessante notare che lo scambio della catena CD3 o la mutazione del dominio CD28 del CAR ha avuto solo un piccolo effetto sulla soppressione della proliferazione delle cellule T mediata da CAR Treg in vitro (Figura 6), in accordo con i risultati riportati da altri gruppi31,32.

Figura 1: Isolamento di cellule T regolatorie umane. (A) Strategia di gating di smistamento cellulare assistita da fluorescenza per isolare cellule T regolatorie e cellule T convenzionali da cellule T CD4+ arricchite magneticamente da cellule mononucleate del sangue periferico. Il grafico mostra l'espressione di CD25 e CD127, con le Treg identificate come cellule CD25ad altoCD127- e le Tconv come cellule CD25a basso CD127+. (B) Colorazione intracellulare di popolazioni cellulari isolate analizzate mediante citometria a flusso per confermare l'identità cellulare basata sull'espressione di FOXP3 e HELIOS. Le Treg mostrano tipicamente un'elevata espressione di FOXP3 e HELIOS, fattori di trascrizione del lignaggio Treg. Le cellule Tconv mostrano un'espressione minima di entrambi i marcatori, confermando il loro fenotipo convenzionale di cellule T. (C) Strategia di gating per valutare la stabilità delle Treg dopo la trasduzione CAR. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; Tconv = cellula T convenzionale; FSC-A = area di picco di dispersione in avanti; SSC-A = area laterale del picco di dispersione; CAR = recettore chimerico dell'antigene; GFP = proteina fluorescente verde. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Generazione di CAR Treg utilizzando la trasduzione lentivirale. Dot plot per citometria a flusso che mostra l'espressione della superficie CAR (Myc-tag) e l'espressione del gene reporter GFP nelle Treg dopo trasduzione con Myc-tag-CD19CAR-2A-GFP lentivirus (A) prima e (B) dopo smistamento cellulare assistito da fluorescenza. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; CAR = recettore chimerico dell'antigene; GFP = proteina fluorescente verde. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Generazione di CAR Treg utilizzando il knock-in mediato da CRISPR/Cas9. (A) Dot plot di citometria a flusso di Tregs elettroporate con un complesso RNP CRISPR/Cas9 mirato al locus TRAC, insieme a un AAV contenente un gene Myc-tag-CD19CAR-2A-EGFRt come modello di riparazione diretto dall'omologia. L'espressione di CAR, indicata dall'espressione genica reporter di EGFRt, è stata analizzata in combinazione con la perdita di espressione di CD3 per misurare il knock-in di CAR nel locus TRAC. (B) Grafico a punti della citometria a flusso di controllo di Tregs finto-elettroporato senza il complesso CRISPR-RNP e AAV che mostra l'assenza di reporter EGFRt e la presenza di CD3. (C) Strategia di gating per valutare l'efficienza del knock-in nelle Treg. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; FSC-A = area di picco di dispersione in avanti; SSC-A = area laterale del picco di dispersione; CAR = recettore chimerico dell'antigene; RNP = ribonucleoproteina; AAV = virus adeno-associato; EGFRt = recettore troncato del fattore di crescita epidermico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Attivazione delle Treg CAR con diversi costrutti CAR. (A) Istogrammi di citometria a flusso che rappresentano l'espressione superficiale di CD71, un marcatore di attivazione delle cellule T, su Treg CAR 48 ore dopo l'attivazione con cellule K562 CD19 irradiate bersaglio. Ogni colore rappresenta le Treg trasdotte con un diverso costrutto CAR CD19 che incorpora vari domini di segnalazione a catena CD3 - CD28zeta, CD28delta, CD28epsilon - o domini co-stimolatori CD28 mutati - CD28(x23)zeta, CD28(1x3)zeta, CD28(12x)zeta, CD28(xxx)zeta - con 'x' che denota la posizione di una mutazione da tirosina a fenilalanina lungo i tre motivi di segnalazione di CD28 (1. Motivo vincolante PI3K, 2. Motivo vincolante ITK, 3. Motivo di rilegatura LCK). UT sono mostrati come un controllo negativo. (B) Intensità media di fluorescenza CD71 nelle Treg CAR attivate. I valori rappresentano repliche tecniche di esperimenti rappresentativi. Le barre rappresentano la media ± SD con significatività statistica calcolata dall'ANOVA unidirezionale con Tukey HSD. *, p < 0,05, ***, p < 0,001, rispetto a CD28zeta CD19 CAR Tregs. (C) Schema dei costrutti CAR contenenti diverse mutazioni nel dominio di segnalazione co-stimolatoria CD28. (D) Schema dei costrutti CAR contenenti diversi domini di segnalazione a catena CD3. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; CAR = recettore chimerico dell'antigene; UT = non trasdotto; MFI = intensità media della fluorescenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Stabilità dell'identità delle Treg CAR all'attivazione delle CAR. Dot plot di citometria a flusso dell'espressione intracellulare di FOXP3 e HELIOS, marcatori chiave per l'identità delle Treg, in Treg 9 giorni dopo l'attivazione (A) tramite CD19 CAR con cellule K562 bersaglio irradiate che esprimono CD19 o (B) tramite TCR e CD28 con perline anti-CD3/28. (C) Le cellule Tconv attivate con perline CD3/28 sono incluse come controllo di colorazione negativa per FOXP3 e HELIOS. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; Tconv = cellula T convenzionale; CAR = recettore chimerico dell'antigene. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Funzione immunosoppressiva delle Treg CAR con diversi costrutti CAR. (A) Istogramma rappresentativo della citometria a flusso della proliferazione di cellule Tresp CD4+ marcate con CTV co-coltivate con CAR Treg CD28zeta CD19 attivate a vari rapporti Treg/Tresp (1:1, 1:2, 1:4 e 1:8). (B) Soppressione percentuale della proliferazione delle cellule Tresp CD4+ da parte di Treg con CAR CD19 con mutanti del dominio CD28 o domini di segnalazione CD3 alternativi. (C) Istogramma rappresentativo della citometria a flusso della proliferazione di cellule Tresp CD4+ marcate con CTV co-coltivate con CAR Treg CD28zeta CD19 attivate a vari rapporti Treg/Tresp. (D) Soppressione percentuale della proliferazione delle cellule Tresp CD8+ da parte di Treg con CAR CD19 con mutanti del dominio CD28 o domini di segnalazione CD3 alternativi. I valori rappresentano repliche tecniche di esperimenti rappresentativi. Le barre rappresentano la media ± SD con significatività statistica calcolata da ANOVA unidirezionale con Tukey HSD *, p < 0,05, **, p < 0,01, ***, p < 0,001, ****, p < 0,0001, rispetto a CD28zeta CD19 CAR Tregs. (E) Strategia di gating per valutare la soppressione delle Treg CAR delle cellule Tresp. Abbreviazioni: Treg = cellula T regolatoria; CAR = recettore chimerico dell'antigene; CTV = Traccia Cellulare Viola; Tresp = Cellule T responder. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
LMRF è un inventore e ha ricevuto royalties da brevetti su cellule immunitarie ingegnerizzate e fornisce consulenza per Guidepoint Global e McKesson. Gli altri autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
Questo protocollo fornisce un flusso di lavoro semplificato per generare e testare cellule T regolatorie del recettore dell'antigene chimerico umano (CAR Tregs).
LMRF è finanziato dalla Human Islet Research Network (HIRN) Emerging Leader in Type 1 Diabetes grant U24DK104162-07, dall'American Cancer Society (ACS) Institutional Research Grant IRG-19-137-20, dal South Carolina Clinical and Translational Research (SCTR) Pilot Project Discovery Grant 1TL1TR001451-01, dal Diabetes Research Connection (DRC) Grant IPF 22-1224 e dal Swim Across America Grant 23-1579. RWC è supportato dalla borsa di studio per la formazione in Scienze Cellulari, Biochimiche e Molecolari T32GM132055 e dalla borsa di studio per laureati Lowvelo dell'Hollings Cancer Center. Questo studio è stato supportato in parte dalla Flow Cytometry and Cell Sorting Shared Resource, Hollings Cancer Center, Medical University of South Carolina (P30 CA138313). Un ringraziamento speciale al Dr. Qizhi Tang dell'Università della California, San Francisco (UCSF) per aver gentilmente donato i plasmidi mutanti CAR.
| Virus adeno-associato ( AAV) | Charles River Laboratories | ||
| CAR che esprimono il bersaglio delle cellule | K562, | ad es. CD19-K562 | |
| Cesio-137 Irradiatore | |||
| Anti-umano CD8 PerCP (clone SK1) | Biolegend | 344708 | |
| Anti-umano CD4 PE/Cy7 (clone SK3) | Biolegend | 344612 | |
| DynaMag-15 | magnete ThermoFisher | 12301D | |
| Ghost BV510 colorante di vitalità | Cellule TONBO | 13-0870-T100 | |
| K562 | Collezione di colture di tipo americano | CCL-243 | |
| 0,5 M EDTA, pH 8,0 | Gibco | 15575020 | |
| 1 M | HEPES Gibco 15630080 | ||
| Soluzione di cloruro di ammonio | STEMCELL Technologies | 7850 | |
| Anti-umano CD127 PE (clone hIL-7R-M21) | BD Biosciences | 557938 | |
| Anti-umano CD25 APC (clone BC96) | Biolegend | 302610 | |
| Anti-umano CD4 FITC (clone SK3) | Biolegend | 344604 | |
| Anti-umano CD71 PE (clone SK1) | Biolegend | 334106 | |
| Anti-umano CD8 PerCP (clone SK1) | Biolegend | 344707 | |
| Anti-umano CTLA-4 PerCP-e710 | ThermoFisher | 46-1529-42 | |
| Anti-umano EGFR APC (clone AY13) | Biolegend | 352905 | |
| Anti-umano FOXP3 eFluor 450 | ThermoFisher | 48-4776-42 | |
| Anti-umano HELIOS PE | Biolegend | 137216 | |
| Ca2+ e Mg2+ Dulbecco' libero s Soluzione salina tamponata con fosfato (DPBS) | Gibco | 14190144 | |
| Contatore di cellule (TC20 Automated Cell Counter) | Bio-Rad | 1450102 | |
| Vetrini per il conteggio delle cellule | Bio-Rad | 1450016 | |
| CellTrace Violet Cell Proliferation Kit | ThermoFisher | C34571 | |
| DNA LoBind Tubes | Eppendorf | 22431021 | |
| Easy 50 EasySep magnet | Kit | ||
| l'arricchimento delle cellule T EasySep Human CD4+ | STEMCELL Technologies | 19052 | |
| EasySep Human CD8+ Kit per l'arricchimento delle cellule T | STEMCELL Technologies | 19053 | |
| Magnete EasySep | STEMCELL Technologies | 18000 | |
| eBioscience Set di tamponi per colorazione del fattore di trascrizione Foxp3 | ThermoFisher | 00-5523-00 | |
| Provette in polistirene a fondo tondo Falcon con tappo a scatto per filtro cellulare, 5 mL | Fisher Scientific | 08-771-23 | 40μ m |
| Siero fetale bovino (FBS) | Gibco | 26140079 | |
| Citometro a flusso | Beckman Coulter | CytoFLEX LX U3-V5-B3-Y5-R3-I2 | |
| Selezionatore cellulare attivato da fluorescenza | BD Biosciences | FACS Aria III Cell Sorter | |
| GlutaMAX | Gibco | 35050061 | |
| Dynabeads di espansione e attivazione delle cellule T CD3/28 umane | Gibco | 11131D | |
| Sistema di trasfezione Neon Invitrogen | 10431915 | ||
| Invitrogen Neon Transfection System 100 μ L Kit | ThermoFisher | 10114334 | |
| Lentivirus | VectorBuilder | ||
| MEM Soluzione di aminoacidi non essenziali | Gibco | 11140050 | |
| Myc Tag anticorpo A647 (clone 9B11) | Cell Signaling Technologies | 2233S | |
| Opti-MEM I Siero ridotto | Medium ThermoFisher | 31985062 | |
| Penicilina-Streptomicina Soluzione | Gibco | 15140122 | |
| Interleuchina umana ricombinante 2 (rhIL-2) | Peprotech | 200-02 | |
| RPMI 1640 medium, senza glutammina | Gibco | 11875093 | |
| piruvato di sodio | Gibco | 11360070 | |
| citometro a flusso spettrale | Cytek | Northern Lights | |
| TRAC gRNA | Synthego | Sequence (CAGGGTTCTGGATATCTGT) | |
| TrueCut Cas9 Protein v2 | ThermoFisher | A36496 | |
| Trypan Blue solution | Sigma | T8154-100ML | |
| 1/10 Leukopak | STEMCELL Technologies | 200-0092 | 1-2 miliardi di PBMC |