본 논문은 키메라 항원 수용체(CAR)-T 세포 유래 상원액에서 최대 12개의 사이토카인 및 효과기 분자를 정량하는 다중 비드 기반 유동 세포 분석 법을 소개하여, 소량 샘플 부피로 설계된 T 세포 기능을 빠르고 재현 가능하게 분석할 수 있게 합니다.
연구 논문
본 논문은 키메라 항원 수용체(CAR)-T 세포 유래 상원액에서 최대 12개의 사이토카인 및 효과기 분자를 정량하는 다중 비드 기반 유동 세포 분석 법을 소개하여, 소량 샘플 부피로 설계된 T 세포 기능을 빠르고 재현 가능하게 분석할 수 있게 합니다.
CAR T 세포 프로파일링은 이질성, 복잡한 면역 반응, 제한된 샘플 가용성 때문에 도전 과제가 있습니다. 다중성 분석법은 사이토카인, 케모카인, 세포독성 매개체 등 다양한 효과 분자를 동시에 검출함으로써 기능 평가를 가능하게 합니다. 여기서는 인간 키메라 항원 수용체(CAR)-T 세포의 효과기 분비를 분석하기 위한 유세포분석과 호환되는 구슬 기반 다중화 분석법을 설명합니다. CAR T 세포 상청액은 여러 형광 코딩 집단을 포함하는 캡처 비드와 분석물 특이적 항체를 결합하여 배양합니다. 이 비즈들은 샘플 내 용해성 표적에 결합하여 비드-분석물 복합체를 형성하고, 이를 표지된 검출 항체로 검출합니다. 이 검사에는 인터페론(IFN)-γ, 인터루킨(IL)-2, 종양 괴사인자(TNF)-α, IL-6, IL-10, 과립구-대식세포 콜로니 자극 인자(GM-CSF), 그리고 그라자임 B 등 면역 매개체 패널이 포함됩니다. 미리 정의된 표준체를 사용하면 단일 샘플에서 여러 분석 대상을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 데이터 수집 및 분석은 기기 연계 또는 웹 기반 소프트웨어 도구를 통해 제공하는 자동화된 게이팅 방식을 사용하여 데이터 처리를 용이하게 할 수 있습니다. 결론적으로, 제시된 다중화 분석법은 CAR T 세포 기능의 다중 매개변수 분석을 가능하게 하며, 연구, 품질 관리 테스트, 기전 연구, 기능 특성 분석과 같은 맥락에 적용할 수 있습니다.
기능적 특성 분석은 키메라 항원 수용체(CAR) T 세포 검사에서 필수적이며, 이는 이러한 치료법의 효능, 안전성, 작용 기전에 대한 통찰을 제공합니다. 사이토카인 및 세포독성 매개체 신호를 이해하는 것은 치료 효능과 잠재적 부작용을 평가하는 데 도움을 주어 안전하고 효과적인 치료법 개발을 보장합니다. 효소 결합 면역흡착 분석법(ELISA)과 같은 전통적인 단일 중화 분석법은 많은 샘플 부피, 긴 처리 시간, 각 분석물별 개별 런 요구가 필요하며,개별 샘플 내에서 제한된 동적 범위 1,2 등 한계가 있습니다. 반면, 다중화 비드 기반 분석법은 여러 용해성 매개체를 동시에 검출할 수 있어 처리 시간과 샘플 요구량을 줄이면서 동적 범위 1,2. 이러한 효율성과 깊이 있는 분석은 다중 분석법을 CAR T 세포 연구 및 개발을 진전시키는 데 귀중한 도구가 됩니다 3,4,5.
본 연구에서 제시된 다중성 분석법은 캡처 비즈를 사용하며, 이 비드는 형광 이소티오시아네이트(FITC)와 피코에리트린(PE) 채널에서 명확한 형광 프로파일을 보이고, 용해성 분석물에 대한 특이적 항체로 코팅되어 있습니다. 샘플과 함께 배양하는 동안, 이 구슬들은 용액에서 표적 분석물에 선택적으로 결합합니다. 분석 물질 포획 후에는 검출 항체를 첨가하여 분석물 특이적 샌드위치 복합체를 형성합니다. 이 항체들은 알로피코시아닌(APC, 직접 검출) 또는 비오틴(간접 검출)에 직접 결합합니다. 간접 검출을 위해서는 APC 결합 항바이오틴 항체를 이용한 후속 배양이 필요합니다(그림 1). 포획 비드, 분석 물질, 검출 항체로 구성된 복합체들은 유세포분석법으로 분석되어 분석 농도를 정량화합니다. 다중화 분석법은 판 기반 기술로, 분석물별 표준 곡선을 생성하는 데 사용되는 사전 정의된 표준 1,2를 포함합니다.

그림 1: 사이토카인 기술 원리 및 분석 워크플로우. 이 분석법은 12개의 형광 코딩 캡처 비드 집단과 분석 대상 특이적 항체를 기반으로 합니다. 샘플 배양 시 구슬-분석 복합체가 형성되며, 이는 특정 검출 항체를 이용한 유세포 분석법을 통해 검출할 수 있습니다. 분석 워크플로우는 1) 분석 표준 및 관심 샘플을 필터 플레이트에 준비, 2) 캡처 비즈로 배큐, 3) 비틴 표지된 항분석물 항체로 샌드위치 복합체 형성을 위한 배큐, 4) APC 표지 항체로 배양, 5) 측정을 위한 버퍼 내 재현탁, 6) 샘플 채취를 포함합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
이 연구에서 설명하는 다중성 분석법은 블루(예: 488 nm; FITC 및 PE 채널) 및 적색 레이저(예: 635 nm; APC 채널). 플로우 사이토미터는 연구실, 임상 환경, 품질 관리 환경에서 널리 이용 가능하기 때문에, 이러한 호환성은 추가적인 전문 기기 없이도 구현을 용이하게 합니다5. CAR T 세포 기능 검사 맥락에서 이 접근법은 일반적으로 이용 가능한 분석 워크플로우 내에서 기능 반응의 다중 매개변수 평가를 가능하게합니다. 이 분석법은 GM-CSF, 그란자임 B, 인터페론(IFN)-γ, 인터루킨(IL)-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-17A, IL-21, 단핵구 화학유인체-1(MCP-1), 퍼포린, 종양괴사인자(TNF)-α(인간 세포독성 패널) 등 주요 분석물의 동시 정량을 가능하게 하여 CAR T 세포 연구에 큰 이점을 제공합니다. 이 매개체들은 CAR T 세포 활성화, 효과기 기능, 안전성 관련 사이토카인 방출 4,5,7,8을 이해하는 데 매우 중요합니다.
분석 워크플로우에는 기기 관련 소프트웨어와 기기 독립적인 웹 기반 분석 도구를 이용한 자동 게이팅 및 데이터 분석 옵션이 포함되어 있습니다. 이러한 기능들은 수동 개입의 범위를 줄여 CAR T 세포 효과기 분자 프로파일링 데이터의 효율화된 처리를 지원합니다. 자동화 분석의 활용은 데이터 처리의 일관성을 향상시키고 기능 측정 결과의 효율성을 높이는 데 기여할 수 있습니다8.
본 프로토콜은 CAR T 세포 면역 매개체 프로파일링을 위한 재현 가능하고 확장 가능한 다중화 방법을 개략적으로 제시합니다. 단일 샘플에서 12가지 서로 다른 분석물을 측정하는 이 접근법은 기전 조사, 초기 연구 및 동시 연구에 특히 적합하다. CAR T 세포 치료의 후기 단계에서는, 특히 약물 방출 검사를 위한 규제되고 시간에 민감한 품질 관리(QC) 환경에서 측정되는 사이토카인 수를 줄이는 것이 유익할 수 있습니다. 이를 위해 제시된 패널에서 1개에서 7개의 사이토카인을 조합하여 맞춤형 사이토카인 분석법을 설계할 수 있으며, 이는 엔지니어링 T 세포 분석을 위해 검증될 수 있습니다. 이로 인해 설명된 프로토콜은 CAR T 세포 치료의 초기 및 후기 단계에서 연구 및 품질 관리 환경에서 다양한 응용에 이상적으로 적합합니다 3,4,5,9.
모든 인간 샘플은 서면 동의를 받은 후 건강한 익명 자원봉사자들로부터 수집되었습니다. 모든 절차는 노르트라인 에르츠테카머(#2020272) 윤리 위원회의 승인을 받았으며, 요구되는 윤리 및 생물안전 규정에 따라 수행되었습니다.
1. CAR T 세포 공동 배양
2. 표준 및 시료 준비
3. 분석액 작업 흐름
4. 획득 및 데이터 분석
12가지 용해성 분석물을 암호화하는 대표성 캡처 비드 집단의 식별
포획 비드 개체군은 유세포계의 FITC 및 PE 채널을 사용하여 확인되었습니다. 개별 분석물을 나타내는 구슬 클러스터들이 이축 플롯에서 명확히 해소되었으며, 여기에는 IL-10, Granzyme B, MCP-1, IL-17A, Perforin, IL-2, IL-6, IFN-γ, TNF-α, IL-21, IL-4, GM-CSF 등이 포함된다(그림 2). 각 집단은 고유한 형광 신호를 보였으며, 이는 성공적인 다중성 검출과 측정된 사이토카인 및 이펙터 분자의 명확한 구분을 확인했습니다.

그림 2: 대표성 다중화 포획 비드 개체군 검출. 캡처 비드는 고유한 형광 강도를 가지고 있어 분석물 특이적 집단을 구별하는 데 활용될 수 있습니다. 산란도는 FITC(B1)와 PE(B2) 채널에서 형광 강도에 따른 분석물 특이 신호의 분리 상태를 보여줍니다. 이미지는 GM-CSF, 그라자임 B, IFN-γ, IL-2, IL-4, IL-6, IL-10, IL-17A, IL-21, MCP-1(CCL2), 퍼포린, TNF-α를 암호화하는 12개의 캡처 비드 집단의 대표적 프로필을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
종양 세포와 공동 배양한 후 CAR T 세포의 대표적인 사이토카인 농도 프로필
CAR T 세포와 종양 표적 세포의 공동 배양 후, 다중화 분석의 인간 세포독성 패널을 사용하여 사이토카인 농도를 정량하였습니다(그림 3). CAR T 세포는 그란자임 B(49,950.2 pg/mL), IFN-γ(48,367.8 pg/mL), TNF-α(7,055.2 pg/mL), GM-CSF(6,653.5 pg/mL)를 고농도로 분비하여 종양 결합에 반응하여 강력한 활성화와 세포독성 효과 기능을 나타냅니다. IL-2 수치는 검출 한계(>10,000 pg/mL)를 초과하여 강한 증식 신호를 보여준다. 샘플은 추가로 희석되거나 재측정되지 않았습니다. 반면, 조절 또는 대체 보조 T 세포 반응과 관련된 사이토카인(IL-6, IL-10, IL-17A, IL-21, MCP-1 등)은 낮은 수준 또는 거의 검출 불가능한 수준으로 존재했습니다. 이 결과는 CAR T 세포가 주로 1형(Th1/세포독성) 면역 반응을 수행했으며, 높은 효과 활성과 제한된 면역억제 사이토카인 생성이 특징임을 시사합니다.

그림 3: 종양 세포와 공동 배양한 후 CAR T 세포의 대표성 사이토카인 프로필. 조작된 키메라 항원 수용체(CAR) T 세포를 JeKo-1 종양 세포와 하룻밤 동안 공동 배양하였습니다. 세포 배양 상원액은 16시간 배양 후 채취되어 입자를 제거하기 위해 원심분리되었습니다. 희석된 샘플은 다중 분석법의 인간 세포독성 패널을 사용하여 분석하였습니다. 두 가지 표준 곡선을 수행하여 12개 분석 대상 모두의 농도를 결정하였다. 플로우 사이토미터의 익스프레스 모드를 이용한 분석물 특이 농도 분석 및 계산을 위한 대표적인 데이터 출력이 나타난다. 막대 그래프와 함께 첨부된 표는 12개의 효과기 분자의 계산된 농도(피코그램/밀리리터)를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
항원 특이 자극 시 CAR T 세포의 사이토카인 분비 속도론
CAR T 세포와 표적 세포가 동족 항원을 발현(항원⁺) 또는 결핍(항원⁻)하는 세포와 함께 배양한 후, 다중화 분석의 인간 세포독성 패널을 이용해 사이토카인 분비를 시간에 따라 모니터링하였습니다. CAR T 세포는 항원⁺ 표적 인식 시 빠르고 강력한 사이토카인 방출을 보였으며, 8–24시간 이내에 Granzyme B, IFN-γ, TNF-α, GM-CSF, IL-2가 강하게 상향 조절되어 48시간 내에 정점 수준에 도달하였습니다(그림 4). 이 패턴은 항원 결합 후 강력한 활성화와 세포독성 효과 기능을 나타냅니다. IL-6, IL-17A, IL-21도 중간 정도 증가한 반면, IL-4, IL-10, MCP-1, 퍼포린은 낮거나 약간 높게 유지되었습니다. 반면, 항원⁻ 표적과의 공동 배양은 모든 분석물에서 사이토카인 유도가 최소한으로 나타났다(그림 4). 이 데이터를 종합해 보면, CAR T 세포의 활성화와 이펙터 사이토카인 생성이 항원 인식에 특이적으로 반응하며 시간이 지남에 따라 증가함을 보여줍니다.

그림 4: 항원 양성 또는 항원 음성 표적 세포와 공동 배양된 CAR T 세포의 효과기 분비 분비 동역학. 조작된 키메라 항원 수용체(CAR) T 세포는 동족 CAR T 세포 항원을 발현(항원⁺) 또는 결핍(항원⁻)하는 표적 세포와 4, 8, 16, 24, 48시간 동안 공동 배양했습니다. 각 시점에서 배양 상청액을 수집하고 다중성 분석의 인간 세포독성 패널을 사용하여 시간에 따른 광범위한 용해성 효과기 분석 패널을 정량하였습니다. 12가지 분석물에 대한 사이토카인 동역학(피코그램/밀리리터)이 나타난다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.
다중화 분석법은 CAR T 세포 공동 배양에서 용해성 면역 매개체 반응을 프로파일링하는 데 사용되었습니다. 항원양성 표적 세포와 공동 배양된 CAR T 세포는 IFN-γ, TNF-α, GM-CSF, Granzyme B, IL-2의 분비가 증가하여 효과자 활성화 및 세포독성 기능 4,5,8과 일치하였다. 반면, 항원 음성 대조군은 낮은 사이토카인 생성을 보였으며, 이는 검사 조건에서 항원 특이 반응을 구별할 수 있음을 보여주었다 5,8. 이 결과들은 이 검사법이 효능 관련 분석, 안전성 관련 프로파일링, 기전 연구를 포함한 CAR T 세포 기능 평가에 적용될 가능성을 뒷받침합니다.
고정된 12-분석 패널은 CAR T 면역 활성에 대한 폭넓은 개요를 제공하지만, 모든 응용 분야에서 분석 물질의 전체 범위를 포착하는 것은 실용적이지 않을 수 있습니다. CAR T 세포 제품의 검사 검증이나 품질 관리(QC) 테스트와 같은 집중 워크플로우를 위해, 패널은 기능 민감도를 유지하면서 분석을 간소화하기 위해 축소된 하위 집합(예: IL-2, IFN-γ, TNF-α)으로 축소할 수 있습니다 1,2.
프로토콜의 핵심 단계에는 CAR T 세포 공동 배양 설계와 적절한 샘플링 조건 선택이 포함됩니다. 특히, 공동 배양 기간과 효과기 세포 수(E:T 비율)는 사이토카인 크기를 직접 결정하며, 분석법 5,6 단계에서 정의해야 합니다. 또한, 시료 희석은 분석물 농도가 분석의 동적 범위 내에 있도록 조정되어야 합니다 1,2. 따라서 문제 해결은 표준 곡선 성능 검증과 신호가 정량 범위 밖에 있을 경우 공존 배양 조건 또는 희석 계수를 조정하는 데 집중해야 합니다 1,2.
전통적인 단일 중화 ELISA와 비교할 때, 유세포분석 기반 다중화 플랫폼은 최소 샘플 부피로부터 고밀도 다중 분석체 데이터셋을 생성합니다. 단일 샘플 내에서 여러 분석 물질을 동시에 측정할 수 있게 함으로써, 다중화는 전체 시약 소비를 줄이고 시료 처리량을 높이며, 다중 단일 분석법 수행에 비해 분석 시간을 단축할 수 있습니다 1,2. 자동화된 획득 및 표준화된 분석 옵션은 사용자 의존적 변동성을 줄이고 실험 또는 제조 환경에서 재현성과 확장성을 지원할 수 있습니다 5,8. 표준 ELISA 검출 감도는 일반적으로 16에서 2000 pg/mL 범위이며(고감도 키트의 경우 더 낮을 수 있음)7. 본 연구에서 제시된 플랫폼 내에서 가장 낮은 검출 농도는 가장 민감한 분석물의 경우 0.05 pg/mL, 본질적으로 민감도가 낮은 분석물의 경우 약 93.8 pg/mL까지 다양합니다. 내부 평가 결과, 측정된 분석물의 74% 이상이 5 pg/mL 미만의 검출 한계를 보였고, 38%는 1 pg/mL 이하로 검출되어 시스템의 전반적인 민감도를 강조했습니다. 다중화 민감도는 사이토카인에 따라 달라질 수 있기 때문에, 잠재적인 에피토프 경쟁은 여전히 중요한 고려사항입니다. 이러한 간결을 최소화하기 위해, 이 분석법은 각 분석체의 포획 및 검출을 위해 겹치지 않는 에피토프를 사용하여 경쟁 관련 편향을 줄이고 다중화 조건에서 측정 신뢰성을 향상시킵니다.
다중분석의 성능은 분석물에 따라 감도도와 생물학적 맥락에 따라 다를 수 있으며, 특정 조건에서는 분석 농도가 검출 상한에 근접할 수 있으므로 분석 설정 시 평가해야 합니다. 반대로, 일부 분석제(예: 본 연구의 MCP-1과 IL-4)는 실험 조건에 따라 검출되지 않을 수 있습니다. 또한, 샘플 취급과 같은 사전 분석 요인도 사이토카인 측정에 영향을 미칠 수 있으므로, 비교 가능성을 위해 일관된 처리 조건을 유지해야 합니다.
전반적으로 이 다중화 접근법은 CAR T 세포 기능의 효율적이고 정량적인 특성 분석을 가능하게 합니다. 대부분의 기존 다중화 사이토카인 검출 플랫폼과 비교할 때, 이 분석법은 표준 유동 세포계와 호환되며, 효율적인 데이터 수집 및 분석을 용이하게 하는 기기 관련 소프트웨어 도구를 포함하고 있습니다. 다중성 사이토카인 검출은 다른 면역 환경에서 사용된 바 있지만, 본 연구는 표준화된 워크플로우 내에서 CAR T 세포 기능 프로파일링에 적용됨을 입증합니다. 비드 기반 형식은 여러 분석 대상을 동시에 검출할 수 있어 단일 플렉스 방식에 비해 더 높은 처리량을 지원합니다. 잠재적 응용 분야로는 CAR 결합제 평가, 벡터 최적화, 공정 개발과 같은 약물 제품의 기능 평가가 포함됩니다. 이 분석의 확장성 및 자동 분석 기능은 CAR T 세포의 거동과 기능을 이해하기 위한 효능 시험, 안전성 프로파일링, 기전적 연구도 지원합니다 5,7,8.
사이토카인 분비 프로필은 시험관 내 CAR T 세포 활성화와 기능적 효능에 대한 귀중한 통찰을 제공하지만, 환자 치료 효과를 결정하는 복잡한 생물학적 특성을 완전히 재현하지는 못합니다. 종양 미세환경, 항원 밀도, 면역 조절, 생체 내 지속 능력과 같은 요인들이 모두 통제된 분석법 6,8,10에서 측정할 수 있는 범위를 넘어 CAR T 세포의 성능에 영향을 미칩니다. 그럼에도 불구하고, 다중성 사이토카인 프로파일링과 같은 견고하고 표준화된 기능적 분석 법을 확립하는 것은 의약품의 기능적 특성 규명을 위한 중요한 단계입니다 3,4. 사이토카인 패턴은 CAR T 세포 활동뿐만 아니라 사이토카인 방출 증후군(CRS) 및 면역 효과 세포 관련 신경독성 증후군(ICANS) 등 독성 현상과도 밀접하게 연관되어 있습니다3,6,7. 현재 측정 방법과 보고의 변동성이 임상시험 간 비교 가능성을 제한하며, 표준화되고 재현 가능한 면역 매개체 프로파일링의 필요성을 강조합니다 1,2,3. 분석 기술과 임상 데이터셋이 계속 발전함에 따라, 궁극적인 목표는 치료 잠재력과 환자 안전성을 신뢰성 있게 반영하는 예측적 분비 신호를 정의하여 전임상 효능 분석과 임상 효능 간의 간극을 메우는 것입니다.
M.L.과 M.H.는 특허 출원 WO2021/058811A1에 발명가로 등재되어 있습니다. M.H.는 시애틀의 프레드 허친슨 암 연구센터와 독일 뷔르츠부르크 대학교에서 출원한 CAR T 기술 관련 특허 출원자 및 특허 발명가로 등재되어 있습니다. M.H.는 독일 뷔르츠부르크에 위치한 T-CURX GmbH의 공동 창립자이자 지분 소유자입니다. M.H.는 Celgene/BMS, Janssen, Kite/Gilead로부터 상예금을 받았다. J.J, A.R., C.E.는 밀테니 바이오텍의 직원입니다.
이 연구는 T2EVOLVE년 945393번 보조금 계약에 따라 혁신 의약품 이니셔티브 2 공동 사업의 지원을 받았습니다. 이 공동 사업은 유럽연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램, 유럽 제약산업 및 협회 연맹(EFPIA), 유럽 혈액학 협회(EHA)(M.H., C.Q., M.L.에게), ER-NET TRANSCAN-3(2021년 EC공동 자금 지원 요청, SmartCAR-T에서 M.H. 및 M.L.에게), Wilhelm-Sander-Stiftung(M.L.에 보조 번호 2022.134.1)의 지원을 받습니다. 파울라 & 로저 라이니 재단(M.H. 및 M.L.으로), IZKF 뷔르츠부르크(S-511, C-543에서 M.L.), 독일 연구재단(Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, TRR 221 (M.H.와 M.L.으로 A03 및 A06 하위 프로젝트); SFB-TRR 338/3 2026–452881907 (하위 프로젝트 A02 M.H. 및 C04 M.L.) 및 CRC1525 (M.L.에 대한 시드 보조금), 바이에른 암 연구 센터(BZKF; TANGO TO M.H. AND M.L.), 노바티스에서 받은 잉카 상(M.L.에게)
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