ここでは、低酸素感受性キメラ抗原受容体(CAR)-T細胞の作製と機能検証のためのプロトコールを紹介します。このプロトコルは、レンチウイルスベースの低酸素感受性CAR-T細胞の作製と、低酸素依存性CAR発現および選択的細胞毒性の検証を含むそれらの特性評価を示しています。
方法論記事
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ここでは、低酸素感受性キメラ抗原受容体(CAR)-T細胞の作製と機能検証のためのプロトコールを紹介します。このプロトコルは、レンチウイルスベースの低酸素感受性CAR-T細胞の作製と、低酸素依存性CAR発現および選択的細胞毒性の検証を含むそれらの特性評価を示しています。
広範な研究により、血液悪性腫瘍の治療におけるキメラ抗原受容体T(CAR-T)細胞療法の有望性が証明されています。しかし、固形腫瘍の治療は依然として困難であり、CAR-T細胞が標的抗原を発現する正常細胞を攻撃する際に生じる安全性の懸念に代表されるようになっています。研究者らは、CAR-T細胞療法の腫瘍選択性を高めるためのさまざまなアプローチを模索してきました。この方針に沿った代表的な戦略の1つは、酸素依存性分解ドメインをCAR部分に融合させることによって設計され、低酸素環境、つまり腫瘍微小環境(TME)でのみ高いCAR発現を達成するように戦略化された低酸素感受性CAR-T細胞の構築です。この論文では、このようなCAR-T細胞の作製とその機能特性評価のためのプロトコルを提示し、移動型インキュベーターチャンバーによって確立されたさまざまな酸素レベルに応じたCAR発現と殺傷能力の変化を分析する方法を含めます。構築されたCAR-T細胞は、酸素感受性でCAR発現と細胞毒性を示すことが期待されており、したがって、低酸素TMEと正常酸素正常組織を区別して選択的活性化を行う能力をサポートします。
キメラ抗原受容体T細胞(CAR-T)療法は、がん治療における大きなブレークスルーを表しています。2017年に米国食品医薬品局(FDA)が進行性/抵抗性リンパ腫および急性リンパ性白血病の治療薬として初めてCAR-T療法を承認して以来、CD19またはB細胞成熟抗原(BCMA)を標的とするCAR-T療法は、全世界で1、2、3、10が承認を受けています4。しかし、広範な研究にもかかわらず、血液悪性腫瘍の治療におけるCAR-T療法の顕著な有効性を再現することは、固形腫瘍5,6,7,8への適用にとって依然として困難です。
免疫抑制性腫瘍微小環境(TME)は、固形腫瘍環境におけるCAR-Tの有効性が低い主な原因です。TMEは、不十分な栄養素、低酸素症、酸性pH、および代謝老廃物の蓄積により、CAR-T細胞の活性と生存を妨げます9,10,11,12。さらなる敵意は、制御性T細胞(Treg)、骨髄由来抑制細胞(MDSC)、腫瘍関連マクロファージ(TAM)などの免疫抑制細胞への浸潤から生じ、腫瘍細胞とともに免疫抑制性サイトカインを分泌し、CAR-T細胞が腫瘍に侵入するとさらに阻害する13,14。
不十分な治療効率は別として、安全性の問題は、固形腫瘍15,16を扱う際のCAR-T細胞の別のアキレス腱です。安全性の懸念は、これまでに同定された腫瘍特異的抗原(TSA)のいずれも腫瘍細胞に厳密に限定されていないという事実から生じます。言い換えれば、CARの標的として選択された腫瘍関連抗原(TAA)は、腫瘍細胞でより高い発現を示すが、しばしば正常組織によっても発現される17。したがって、オンターゲット、オフ腫瘍効果は、CARが正常組織を効率的に認識すると、CAR-T細胞が予期せず活性化することで発生し、サイトカイン放出症候群(CRS)、CAR-T関連脳症症候群(CRES)18、およびその他の有害な結果につながる可能性があります19。
このような影響を回避するために、CAR-T細胞が標的TAAの発現レベルに基づいて腫瘍細胞と正常細胞を区別できるようにCARの親和性を低下させるなど、多くの戦略が検討されてきました。CAR-T細胞に自殺遺伝子や排泄マーカーなどのオフスイッチを装備して、予期せぬ活性化時にそれらの排泄を促進するステップと、CD3ζシグナルと共刺激シグナルを2つのCAR部分に分割し、その結果、CAR-T細胞の効果的な活性化には、その同時関与が必要となる。CAR-T細胞の活性を2つの異なるTAAを共発現する標的細胞に制限する合成Notch(synNotch)ベースの回路を利用し、また、変化する環境の手がかり20,21,22,23,24,25,26に対してCAR発現を調整するメカニズムを実装することにより、TME感度を達成するためのCAR-T細胞をエンジニアリングします。
上記のTME感度オプションにおける重要な考慮事項は、腫瘍細胞の急速な増殖によるTMEの酸素レベルが低いことです。腫瘍細胞の低酸素への適応は、誘導性サブユニットであるHIF-1αと構成的に発現するサブユニットであるHIF-1βからなるヘテロ二量体転写因子である低酸素誘導因子-1(HIF-1)の活性化にかかっています27。正常酸素条件下では、HIF-1αタンパク質は、その酸素依存性分解ドメイン(ODD)28に依存して、ユビキチン化および急速なプロテアソーム分解を受ける。細胞内の酸素供給が制限されると、HIF-1は安定化され、低酸素応答要素(HRE)29に結合することにより、その下流の標的遺伝子の転写を活性化する。ODDとHREが酸素感受性要素としての性質を持つことから、低酸素TME30におけるCARの条件付き発現を実現するために研究が進められてきました。ここでは、低酸素感受性CAR-T細胞の表現型および機能特性評価の方法に焦点を当てたプロトコルを提示し、その前にCAR設計とこれらの細胞の調製手順について簡単に説明します。このプロトコルは、低酸素反応性CARを利用して、腫瘍外毒性を抑制したCAR-T細胞を生成するための有用なガイドラインを提供することを目的としています。
本研究では、HER2(Gene ID:2064)を標的とする低酸素感受性CARであるHER2-BBz-ODDと、通常のHER2-BBzと比較しました。2つのCARの概略図を 図1Aに示し、HER2-BBz-ODDは、CD3ξのC末端にODD配列を追加することでHER2-BBzから得られることを示しています。2つのCARを発現するレンチウイルスベクターの構築と、293T細胞トランスフェクションによる対応するレンチウイルスの生成は、以前に説明されている31。
1. レンチウイルス感染による低酸素感受性CAR-T細胞の作製
2. フローサイトメトリーを用いたCAR-T細胞における酸素依存性CAR発現の評価
3. CAR修飾Jurkat T細胞におけるCAR発現の酸素依存性をウェスタンブロットで解析

HIF-1αのODDドメインをCAR部分に融合させることは、低酸素感受性CARを生成するための主要な戦略です。この研究で分析された低酸素感受性HER2標的CARは、HER2-BBz-ODDと名付けられ、ODD配列を従来のHER2-BBzに統合することにより、この戦略を使用して構築されました(図1A)。本研究では、レンチウイルス形質導入を用いてHER2-BBz-ODD CARまたはHER2-BBz CARを発現させ、その後、ヒトPBMCとJurkat T細胞の2種類の細胞で酸素感受性を調べました。
最初の試験は、低酸素条件下でのCARの発現と正常酸素条件下でのCARの発現であり、フローサイトメトリーによるCAR形質導入PBMC由来T細胞とウェスタンブロッティングによるCAR形質導入Jurkat T細胞の両方で行われました。CAR形質導入PBMC由来T細胞の設定では、HER2-BBz-ODD CARは、CAR陽性細胞の割合と蛍光強度(MFI)の中央値の両方において、1%O2 未満の方が21%O2 未満よりも有意に高い発現を示したことが観察されました(図1B)。CAR形質導入Jurkat T細胞の免疫ブロッティング分析では、HER2-BBz-ODDの低酸素依存性誘導も確認されました。
この文脈では、低酸素症の化学的誘導物質であるCoCl2を培地に添加することで、低酸素状態を便利に模倣できることは注目に値します。 図1Cに示すように、当社のイムノブロッティングの結果は、50または200μMのCoCl2 への曝露が1%O2への曝露の影響を再現し、HER2-BBz-ODD CARの発現を顕著に誘導したが、HER2-BBz CARの発現は顕著に誘導しなかったことを実証した。低酸素感受性CARの機能特性評価は、PBMC由来のCAR-T細胞を用いて行いました。この研究では、ホタルルシフェラーゼを保有するSKOV-3細胞株を標的細胞株として利用しました。この設定により、共培養されたCAR-T細胞によって媒介される細胞毒性を評価するためのプロキシとして、標的細胞関連ルシフェラーゼ活性を測定することができました。
図1Dに示すように、HER2-BBz CAR-T細胞は、大気が正常酸素性か低酸素性かに関係なく、標的細胞を効果的に殺すことが示されました。対照的に、HER2-BBz-ODD CAR-T細胞は、調査した3つのE:T比すべてについて、正常酸素条件下で有意に弱い細胞毒性を示しました。しかし、それらの細胞毒性は、低酸素状態にさらされると有意に増加しました。IL-2およびIFN-γの上清レベルも、CAR-T細胞を標的細胞と24時間共培養した後、ELISAによって測定されました。どちらのサイトカインでも、HER2-BBz-ODD CAR-T細胞では、21%O2と比較して1%O2未満の分泌が高いことが観察され、これは細胞毒性データと一致しています。対照的に、HER2-BBz CAR-T細胞は、21%O2と比較して1%O2未満の2つのサイトカインの分泌が低いことを示し、低酸素が細胞活性に悪影響を与えることを示しています(図1E)。まとめると、これらの結果は、HER2-BBz-ODD CARの低酸素感受性を説得力を持って検証しました。

図1:低酸素感受性CAR-T細胞の構築と特性評価 (A)低酸素感受性CARであるHER2-BBz-ODDと、その従来型に対応するHER2-BBzの設計の概略図。両CARは、N末端CD8αシグナルペプチド、FLAGタグ、ヒトHER2標的scFv、CD8ヒンジおよび膜貫通ドメイン、および4-1BBの共刺激ドメイン、CD3ξシグナル伝達ドメイン、IRES、およびEGFPからなる細胞内部分から構成されています。HER2-BBz-ODDは、ODDドメインがCD3ξシグナル伝達ドメインのC末端に融合している点がHER2-BBzと異なり、正常酸素条件下でユビキチン依存性の分解を促進することにより、低酸素依存性発現を可能にします。(B,C)HER2-BBz-ODD CARの酸素依存性発現の評価。(B)1つの評価は、フローサイトメトリーを使用して1%または21%O2 未満で24時間、48時間、または72時間培養した後、ヒトPBMC由来CAR-T細胞で実施されました。(C)もう1つの評価は、CAR形質導入Jurkat T細胞を用いたもので、細胞溶解物を21%O2、50または200μMCoCl 2、または1%O2 未満で培養してから24時間後に回収し、ウェスタンブロッティングを用いてCAR発現について分析し、HER2-BBz CAR形質導入細胞を対照として含めた。(D,E)異なる酸素条件下でのCAR-T細胞の in vitro 細胞毒性とサイトカイン分泌。(D)CAR-T細胞を、ホタルルシフェラーゼ発現SKOV3細胞と示されたE:T比が1%または21%O2未満で共培養した。共培養の24時間後、非形質導入T細胞と比較した細胞関連ホタルルシフェラーゼ活性の変化を測定することにより、標的細胞の殺傷効率を決定しました。(E)上清は、分泌されたIL-2およびIFN-γを検出するために収集されました。結果は、平均± SEM (n = 3 人の健康なドナー) として表示されます (****p < 0.0001)。略語: scFv = single-chain fragment variable;CAR=キメラ抗原受容体。パネル C と D はLiao et al.31から採用されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
安全性に関する懸念は、CAR-T細胞療法が臨床使用に進むために対処しなければならない重要な問題です。腫瘍細胞またはTMEのユニークな特性を利用することは、腫瘍組織を選択的に標的とするCAR-T細胞の開発に焦点を当てた主要な研究の方向性となっています。低酸素感受性CAR-Tの設計は、この方向での魅力的な戦略であり、この研究で提示されたアプローチ、つまりCAR部分を天然に存在する低酸素感知ODDタンパク質ドメインと融合させるアプローチなど、いくつかのアプローチが検討されています。別のアプローチとして、CAR発現を促進するために一般的に使用される構成的プロモーターを、以前の研究で有望視されている低酸素応答要素(HRE)に置き換える方法があります。HRE要素とODD要素(野生型または発現をより厳密に制御できるエンジニアリングバージョン)を組み合わせることは、低酸素誘導性CARの最適な設計であると考えられています。
このプロトコルは、低酸素感受性CAR-T細胞を生成および検証するための実験手順を概説しています。このプロトコルの実装には、いくつかの重要な考慮事項が含まれます。主な考慮事項は、低酸素状態の作成です。この2つのアプローチの間で、CoCl2の培養培地への添加は、主にその利便性のおかげで、以前の低酸素関連研究で広く使用されてきた32,33。ただし、このアプローチで模倣される低酸素症の程度を測定することは不可能です。対照的に、移動式のCO2/O2/N2インキュベーションチャンバーを使用すると、O2レベルを正確に設定できるため、CAR-T細胞の低酸素感受性の精密分析に適しているという利点があります。この点で、腫瘍内の低酸素レベルは、固形腫瘍の異なるタイプおよび腫瘍進行の異なる期間34間で異なり、一方、プロトコルではわずか1%のO2が例示されている。研究者にとっては、実際の需要に応じて酸素レベルを調整するのが最適な方法です。CoCl2法が唯一の利用可能なアプローチである場合は、さまざまな酸素レベルをシミュレートするために、アッセイにさまざまなCoCl2濃度を含めることをお勧めします。
低酸素依存性CAR発現を調べるための適切な方法を選択することも、重要な検討事項です。CAR形質導入Jurkat T細胞のイムノブロッティング解析は、CARコンストラクトの最適化において便利な選択肢ですが、フローサイトメトリーによるCAR形質導入ヒトPBMCの表面CAR発現に対する酸素レベルの影響の解析は、究極の検証となります。低酸素感受性CARの改良版、すなわちHiTA-CAR35で以前に行ったように、低酸素状態から正常酸素状態への移行に応じたCAR発現のダイナミクスを調べるのが最適です。これは、低酸素制限CAR発現をさらに実証します。
低酸素感受性CAR-T細胞の機能検証のために、プロトコルで概説されている細胞毒性アッセイには、ホタルルシフェラーゼを運ぶ標的細胞を使用することが含まれます。このレポーターベースのアッセイは、CCK8法やリアルタイム細胞解析(RTCA)法など、非改変腫瘍細胞を使用できる他の殺傷評価法に置き換えることができます。RTCA分析は、CAR-T細胞のリアルタイムの殺傷速度を測定するのにも有利です。CAR-T細胞によって引き起こされる特異的な細胞毒性を測定するには、形質導入されていないPBMCをコントロールとして含める必要があります。PBMCの高い形質導入効率は、実験群と対照群の間で検出される細胞毒性の違いが、添加されるエフェクター細胞の量が異なることによって媒介される非特異的な殺傷から生じるという懸念を回避するために望ましい。
このプロトコルにはいくつかの制限があります。低酸素状態は、標的細胞とT細胞の両方の生存率に影響を与える可能性があり36,37、これは、CAR-T細胞媒介性細胞毒性に無関係の細胞死がアッセイ結果の解釈を混乱させる可能性があるという懸念をもたらす。アッセイの直前に、CAR-T細胞と標的細胞の両方が優れた生存率を持っていることを確認することが、このような懸念を回避または最小限に抑えるために提案されています。また、in vitroバリデーションはin vivo翻訳の成功を保証するものではないことにも注意してください。低酸素感受性CAR-T候補が、標的抗原を発現する正常組織を標的とすることを避けることができるかどうかを確認するためには、常にin vivo評価が必要です
著者は、宣言する利益相反を持っていません。
この研究は、National Key Research and Development Program of China(2016YFC1303402)、National Megaproject on Key Infectious Diseases(2017ZX10202102、2017ZX10304402-002-007)、および上海市衛生委員会のGeneral Program(201740194)からの助成金によって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 遠心分離管 | QSP | 509-GRD-Q | 上清および細胞 cellection プロトコル ステップ 2,3,4 |
| 10% ExpressCast PAGE | NCM バイオテクノロジー | P2012 | 免疫ブロッティング プロトコル ステップ 3 |
| 10x PBS | NCM バイオテクノロジー | 20220812 | 細胞培養 プロトコル ステップ 4 |
| 10 mL ピペット | Yueyibio | YB-25H | ピペッティング プロトコル ステップ 1 |
| 10xTRIS-Glycine-SDS 電気泳動バッファー | エピザイム | 3673020 | イムノブロッティング プロトコル ステップ 3 |
| 15 mL 遠心チューブ | Thermo Scientific | 339650 | 上清および細胞 cellection プロトコル ステップ 1 |
| 25 cm2 EasYFlask | Thermo Scientific | 156367 | 細胞培養 プロトコル ステップ 3,4 |
| 4x 蛋白質 SDS PAGE ローディングバッファー | Takara | 9173 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| 6 ウェル平底組織培養プレート | Thermo Scientific | 140675 | T 細胞 culture プロトコル ステップ 1 |
| 96 ウェル黒色平底組織培養プレート | Greiner | 655090 | 細胞毒性アッセイ プロトコル ステップ 4 |
| 96 ウェル ELISA プレート | Corning | 3590 | ELISA プロトコル ステップ 5 |
| 96 ウェル プレート シェーカー | QILINBEIER | MH-2 | Shake プロトコル ステップ 4 |
| 96 ウェル U 底組織培養プレート | Thermo Scientific | 268200 | 上清 cellection プロトコル ステップ 4,5 |
| 抗 FLAG 抗体 | Sigma | F1804-50UG | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| カルビノール | Sinopharm | 10010061 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| 二酸化炭素インキュベーター | Thermo Scientific | 360 | 細胞培養 プロトコル ステップ 1,2,3,4 |
| 細胞計数プレート | Hausser scientific | 1492 | 細胞計数 プロトコル ステップ 1,3,4 |
| CELLection Pan マウス IgG キット | Thermo Scientific | 11531D | マウス IgG 磁気ビーズ プロトコルステップ1 |
| 分離機 | Thermo Scientific | 75002432 | 細胞培養 プロトコルステップ1,3,4 |
| 発光ゲルイメージングシステム | BIO-RAD | 12003154 | Immunoblotting プロトコルステップ3 |
| 塩化コバルト溶液(0.5 M) | バイオリーパー | BR4000203低酸素状態 プロトコルステップ2,3,4 | |
| DMEM | Corning | 10-103-CV | 細胞培養 プロトコルステップ4 |
| 電子バランス | ザルトリウス | PRACTUM612-1CN | 重量 プロトコルステップ |
| 5FBS | BI | 04-001-1ACS | 細胞培養 プロトコルステップ3,4 |
| GAPDHマウスmAb | ABclonal | AC002 | ブロッティング プロトコルステップ3 |
| 電気泳動装置 | BIO-RAD | 1645070 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| GloMax Microplate Readers | Promega | GM3000 | ルシフェラーゼ活性測定 プロトコル ステップ 4 |
| ヤギ抗マウス IgG (H+L) | Yeasen | P1126151 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| 高速マイクロフリーズ遠心分離機 | eppendorf | 5810 R | 細胞培養 プロトコルステップ1 |
| IFN-&γ;ELISAセット | BD 555142 | ELISA プロトコルステップ5 項目:組換えヒトIFN-&γ;凍結乾燥標準液、検出抗体ビオチン抗ヒトIFN-&γ;、捕獲抗体精製抗ヒトIFN-&γ;、酵素試薬ストレプトアビジン西洋ワサビペルオキシダーゼ複合体(SAv-HRP) | |
| ヒトIL-2 ELISAセット | BD | 555190 | ELISA プロトコルステップ5 アイテム:組換えヒトIL-2凍結乾燥標準、検出抗体ビオチン抗ヒトIL-2、捕捉抗体精製抗ヒトIL-2、酵素試薬ストレプトアビジン西洋ワサビペルオキシダーゼ複合体(SAv-HRP) |
| IL-15 | R&Dシステム | P40933 | T細胞培養 プロトコルステップ1 |
| IL-21 | Novoprotein | GMP-CC45 | T細胞培養 プロトコルステップ1 |
| IL-7 | R&Dシステム | P13232 | T細胞培養 プロトコルステップ1 |
| 立顕微鏡 | オリンパス | CKX41 | 細胞培養 プロトコルステップ1,3,4 |
| Jurkat | ATCC | TIB-152 | CAR-Jurkat建設 プロトコルステップ3 |
| LSRFortessa | BD | LSRFortessa | フローサイトメトリー プロトコルステップ2 |
| ルシフェラーゼアッセイシステム | Promega | E1501 | ルシフェラーゼレポーターassay プロトコルステップ4 アイテム: 受動溶解バッファー、ホタルルシフェラーゼ基質 |
| マイクロプレートリーダーBioTek | HTX | ELISA プロトコルステップ5 | |
| モバイルCO2/O2/N2インキュベーターチャンバー | 中国イノベーションインストゥルメント株式会社、 株式 会社。 | Smartor118 | 低酸素状態 プロトコル ステップ 2、3、4 |
| マウス抗ヘキサ ヒスチジン タグ | Σ | SAB2702218 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| NcmBlot 急速転写バッファー | NCM バイオテクノロジー | WB4600 | 免疫ブロッティング |
| NcmECL Ultra | NCM バイオテクノロジー | P10300 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 項目: NcmECL Ultra Luminol/Enhancer 試薬 (A) ,NcmECL Ultra Stabilized 過酸化物試薬 (B) |
| NovoNectinに塗ってある48の井戸の平らな版 | Novoprotein | のGMP-CH38 | CAR-T細胞の構造 プロトコル ステップ 1 |
| OPD (o-フェニレンジアミン二塩酸塩)タブレット セット | Σ | P9187 | 基質の試薬 プロトコル ステップ 5 項目: OPDのタブレット(銀ホイル)、尿素の過酸化水素のタブレット(金ホイル) |
| PE共役抗DYKDDDDK | Biolegend | 637310 | フローサイトメトリー プロトコル ステップ 2 |
| プロタミン硫酸 | シグマ | P3369-1OG | レンチウイルス感染 プロトコル ステップ 1 |
| タンパク質マーカー 10 KDa-250 KDa | Epizyme | WJ102 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| 精製されたNA/LEのマウスの反ヒトCD3 | BD 566685 | T細胞の培養 プロトコル ステップ 1 | |
| 精製されたNA/LEマウスの反ヒトCD28 | BD | BD 555725 | T細胞の培養 プロトコル ステップ1 |
| PVDF膜 | Millipore | 168627 | Immunoblotting プロトコル ステップ3 |
| RPMI 1640 | Corning | 10-040-CVRC | 細胞培養 プロトコル ステップ 3 |
| 脱脂粉乳 | Yeasen | S9129060 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| SKOV3-Luc | ATCC | HTB-77 | 細胞毒性アッセイ プロトコル ステップ 4 |
| トリプシン-EDTA | NCM バイオテクノロジー | C125C1 | 細胞培養 プロトコル ステップ 4 |
| Tween 20 | Sinopharm | 30189328 | Immunoblotting プロトコル ステップ 3 |
| ウォーターバス | keelrein | NB014467 | Heating プロトコル ステップ 1 |
| X-VIVO 15 | LONZA | 04-418Q | 無血清リンパ球培養培地 プロトコル ステップ 1 |