Dit protocol beschrijft de in vivo herprogrammering van muizenkankercellen tot type 1 dendritische-achtige cellen binnen de tumormicro-omgeving door middel van geforceerde expressie van de transcriptiefactoren PU.1, IRF8 en BATF3.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit protocol beschrijft de in vivo herprogrammering van muizenkankercellen tot type 1 dendritische-achtige cellen binnen de tumormicro-omgeving door middel van geforceerde expressie van de transcriptiefactoren PU.1, IRF8 en BATF3.
De werkzaamheid van kankerimmunotherapie is afhankelijk van de rekrutering en activering van cytotoxische T-celresponsen tegen solide tumoren door type 1 conventionele dendritische cellen (cDC1's). De generatie van cDC1's voor kankerimmunotherapie heeft echter te maken met aanzienlijke beperkingen, waaronder een slechte celopbrengst, functionele heterogeniteit en gevoeligheid voor immunosuppressie in de tumormicro-omgeving (TME). We hebben onlangs een immunotherapiemodaliteit ontwikkeld op basis van in vivo herprogrammering van kankercellen tot immunogene cDC1-achtige cellen, waardoor kankercellen tumorantigenen als cDC1's konden presenteren en polyklonale cytotoxische T-celresponsen en duurzame systemische antitumorimmuniteit opriepen. Hier beschrijven we een hanteerbaar protocol om cDC1-achtige cellen binnen de TME te genereren door het minimale cDC1-specifieke genregulerende netwerk - PU.1, IRF8 en BATF3 (gezamenlijk aangeduid als PIB) - tot overexpressie te brengen in kankercellen, gevolgd door subcutane implantatie van een mengsel van getransduceerde en oudercellen. PIB-overexpressie stimuleert de geleidelijke verwerving van de hematopoëtische marker CD45 en het professionele antigeenpresentatiecomplex MHC klasse II op tumorcellen, die dienen als uitlezingen van het celoppervlak voor in vivo cDC1-herprogrammering. In vergelijking met het herprogrammeringsproces in vitro, toonde herprogrammering van het YUMM1.7-muismelanoommodel in vivo een snellere kinetiek en een hogere efficiëntie. cDC1-achtige cellen induceerden een snelle remodellering van de TME door gastheerimmuuncellen binnen de eerste 3 dagen te rekruteren en te leiden tot de vorming van een tertiaire lymfoïde structuur op dag 9. Geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen bleven ten minste 9 dagen in tumoren aanwezig, maar werden op dag 15 niet gedetecteerd. Het in vivo cDC1-herprogrammeringsprotocol dat hier wordt beschreven, biedt een hanteerbare en robuuste methode om "immuunkoude" tumoren effectief om te zetten in "immuun-warm". Over het algemeen biedt het een krachtig platform om de mechanismen die ten grondslag liggen aan cDC1-gemedieerde antitumorimmuniteit te bestuderen en synergetische combinaties met andere modaliteiten voor kankerimmunotherapie te ontdekken.
Recente ontwikkelingen op het gebied van immunotherapie bij kanker, waaronder blokkade van het immuuncheckpoint (ICB), adoptieve celtherapie (ACT) en vaccins, hebben het landschap van de behandeling van kanker veranderd1. Bij melanoom kunnen de responspercentages op geprogrammeerde celdood-eiwit 1 (PD-1) en cytotoxische T-lymfocyt-geassocieerde proteïne 4 (CTLA-4)-remming oplopen tot 60%2. Desalniettemin reageert meer dan 40% van de melanoompatiënten niet op ICB, en de responspercentages bij minder immunogene kankers, zoals borstkanker, microsatellietstabiele colorectale kanker en glioblastoom, blijven onder de 5%, wat de klinische hiaten benadrukt 3,4,5. Een belangrijke barrière voor breed klinisch succes is de slechte activering van cytotoxische T-celresponsen, die afhankelijk zijn van efficiënte antigeenpresentatie in de tumormicro-omgeving (TME)6.
Conventionele type 1 dendritische cellen (cDC1's) zijn zeldzaam, maar onmisbaar voor het initiëren van tumorspecifieke immuniteit en bieden drie belangrijke signalen om T-celresponsen te stimuleren: (1) professionele verwerking en presentatie van antigenen op belangrijke histocompatibiliteitscomplexen (MHC) klasse I en II, (2) co-stimulatie via CD80 en CD86, en (3) pro-inflammatoire cytokinesignalering inclusief IL-12 7,8. Van de subsets van dendritische cellen (DC) blinken cDC1's uit in het kruisen van tumorcel-geassocieerde antigenen om naïeve CD8+ T-cellen in het geheugen te primen of opnieuw te activeren of CD4+ T-celdifferentiatie naar type 1 T-helpercellen (TH1) te sturen9. Bovendien zijn cDC1's de belangrijkste producenten van chemokines, C-X-C motief chemokine liganden 9 en 10 (CXCL9/10), die de rekrutering van T-cellen naar het tumorweefsel 10,11,12,13 mediëren. In de afgelopen jaren hebben talrijke onderzoeken aangetoond dat tumorafstoting en effectieve respons op ICB of ACT sterk correleren met de aanwezigheid van intratumorale cDC1's12,13. Daarom hebben cDC1's zich ontwikkeld als een aantrekkelijk doelwit voor kankerimmunotherapie en kan het succesvol benutten van hun unieke eigenschappen een aanzienlijk translationeel potentieel hebben.
De huidige methoden om cDC1's te genereren zijn gebaseerd op bloedisolatie of differentiatie van CD34+-voorlopers of pluripotente stamcellen 14,15,16. De overheersende klinische strategieën zijn gebaseerd op het isoleren van een mengsel van autologe DC-subgroepen uit het bloed en het ex vivo stimuleren ervan met toll-like receptoragonisten of pro-inflammatoire cytokines om een volwassen, immunogeen programma te induceren vóór reïnfusie16. Deze strategieën worden echter beperkt door slechte celrijping, immunosuppressieve barrières in de TME en subsetheterogeniteit in het geïnfuseerde DC-mengsel, waar slechts een klein deel van de cDC1's aanwezig is7. Bovendien is het isoleren van alleen cDC1's voor immunotherapie of vaccinatie bij kanker een uitdaging vanwege hun extreem lage abundantie in perifeer bloed (<0,3%)16. Bovendien kunnen cDC1's worden geproduceerd uit CD34+-voorlopercellen of geïnduceerde pluripotente stamcellen met behulp van cytokines en NOTCH-signalering. Deze methoden vereisen echter complexe en lange protocollen en leveren lage aantallen en heterogene populaties van DC-subgroepenop 17,18,19.
Om deze beperkingen aan te pakken, biedt in vivo herprogrammering een geschikte strategie voor kankerimmunotherapie om cDC1-achtige cellen te genereren, die lijken op de fenotypische, transcriptionele en functionele eigenschappen van cDC1's20. Door de overexpressie van het cDC1-specifieke minimale genregulerende netwerk - PU.1, IRF8 en BATF3 (gezamenlijk aangeduid als PIB) - zijn fibroblasten, stromale cellen en kankercellen geleidelijk geherprogrammeerd tot cDC1-achtige cellen, waardoor tumorantigeenverwerking en presentatie op MHC klasse I en II, co-stimulerende signalering via CD80 en CD86 en cytokine/chemokinesecretie, waaronder CXCL9/10 en IL-1220, mogelijk wordt. 21,22,23. De herprogrammering van cDC1 vorderde sneller en efficiënter bij menselijke xenotransplantaten in vivo en onafhankelijk van immunosuppressie, waardoor cDC1-achtige cellen werden gegenereerd met een volwassen immunogene signatuur20. Bij syngene melanoomtumoren zagen we dat cDC1-achtige cellen hun TME hermodelleerden, de vorming van tertiaire lymfoïde structuur (TLS) induceerden en polyklonale TH1- en cytotoxische geheugen-T-cellen rekruteerden en expandeerden, wat leidde tot systemische immuniteit op lange termijn20. Ten slotte ontwikkelden we een nieuwe kankerimmunotherapiemodaliteit op basis van in situ herprogrammering van kankercellen in cDC1-achtige cellen door intratumorale injectie van adenovirale vectoren20. Deze bevindingen maken de weg vrij voor klinische vertaling van cDC1-herprogrammering als een nieuwe kankerimmunotherapiemodaliteit die de functionele eigenschappen van cDC1's kan benutten.
Hier presenteren we een hanteerbaar protocol om cDC1-achtige cellen te genereren binnen de TME op basis van in vivo cDC1-herprogrammering. Lentivirale toediening van PIB aan kankercellen en daaropvolgende implantatie als een gedefinieerde mix van getransduceerde kankercellen met niet-getransduceerde ouderlijke kankercellen maakt in vivo herprogrammering van een gecontroleerde fractie van kankercellen binnen de TME mogelijk. Bovendien wordt deze methode niet beperkt door de in situ afgifte-efficiëntie van virale vectoren20. We schetsen de stappen voor efficiënte productie van lentivirale vectoren, functionele titratie en in vivo cDC1-herprogrammering met behulp van het syngene melanoommodel, YUMM1.7, als voorbeeld. We beschrijven de experimentele opzet en de gating-strategie voor het analyseren in vivo geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen door middel van flowcytometrie na tumordissociatie. We bieden ook de stappen om veranderingen in de TME te evalueren door cryopreservatie, secties en immunofluorescentiekleuring van tumorsecties uit te voeren, gevolgd door confocale microscopie. Ten slotte gaan we in op het monitoren van cDC1-geïnduceerde immuniteit door tumorgroei en -overleving te meten. Deze hanteerbare en schaalbare aanpak biedt onderzoekers een waardevol hulpmiddel om combinatorische behandelingsstrategieën te beoordelen met in vivo cDC1-herprogrammering, om veranderingen in de TME- en TLS-neogenese in kankermodellen te karakteriseren of om grote schermen uit te voeren die de expressie van verschillende immuunroutes wijzigen, bijvoorbeeld antigeenpresentatie of cytokine/chemokinesecretie, en hun impact op antitumorimmuniteit te ontrafelen.
Dierproeven werden uitgevoerd in overeenstemming met de Zweedse regelgeving na goedkeuring van de Zweedse Landbouwraad.
1. Bereiding van reagens
2. Productie van lentivirussen
3. Functionele virustitratie
OPMERKING: Deze stap moet voor elke batch lentivirus worden herhaald om de optimale virale dosis te bepalen die nodig is om een verhouding van 1:1 van getransduceerde (eGFP+) tot niet-getransduceerde (eGFP-) cellen te bereiken.
4. Subcutane tumorvestiging voor in vivo herprogrammering
5. Tumorisolatie voor flowcytometrie-analyse
6. Bevriezing en doorsnede van tumoren voor confocale microscopieanalyse
7. Immunofluorescentie kleuring van tumorsecties
Een schematisch overzicht van het traceerbare in vivo herprogrammeringsprotocol wordt weergegeven in Figuur 1. Eerst produceerden we de polycistronische lentivirale vector SFFV-PIB-IRES-eGFP (PIB-eGFP), die codeert voor de cDC1-instruerende herprogrammeringsfactoren PU.1, IRF8, BATF3, gevolgd door een interne ribosomale ingangsplaats (IRES) en verbeterd groen fluorescerend eiwit (eGFP) in de HEK 293T-verpakkingscellijn. Om te controleren op lentivirus-gemedieerde immunogeniciteit, produceerden we een lege SFFV-MCS-eGFP (eGFP) vector, die een meervoudige kloneringsplaats (MCS) en IRES-eGFP bevat, maar zonder de herprogrammeringsfactoren. Na de virale productie hebben we het lentivirus-bevattende supernatans geoogst en geconcentreerd door middel van ultracentrifugatie. We hebben het virus functioneel getitreerd om de hoeveelheid te bepalen die nodig is om een verhouding van 1:1 van getransduceerde (eGFP+) tot niet-getransduceerde (eGFP-) cellen te bereiken, die we op dag 3 na transductie hebben geëvalueerd. Vervolgens gebruikten we de resulterende hoeveelheid virus om de geselecteerde kankercellijn op dag -1 te transduceren. Na 24 uur verzamelden we de cellen en implanteerden we ze subcutaan om tumoren te ontwikkelen. Deze strategie zorgde ervoor dat getransduceerde cellen in vivo werden geherprogrammeerd tot cDC1-achtige cellen, binnen de TME. Op aangegeven tijdstippen na de implantatie hebben we tumoren weggesneden en verwerkt voor stroomafwaartse analyses, waaronder flowcytometrie van gedissocieerde tumorcellen, om in vivo herprogrammeringsefficiëntie te kwantificeren, of immunofluorescentiekleuring van gecryopreserveerde tumorsecties om veranderingen in de TME te karakteriseren.
Ten eerste, om de productie van hoge lentivirale titers te verzekeren, hebben we HEK 293T-cellen gemonitord vóór transfectie, gericht op het bereiken van 70-80% confluentie en 24 uur later hebben we de transfectie-efficiëntie beoordeeld door middel van eGFP-expressie door fluorescentiemicroscopie (Figuur 2A). Vervolgens verzamelden we 48 uur en 60 uur na de transfectie virusbevattend medium, ultracentrifugeerden het en bewaarden het in aliquots bij -80 °C (Figuur 2B). Vervolgens bepaalden we de optimale virale hoeveelheid die nodig was om een verhouding van 1:1 van eGFP+ tot eGFP-cellen in YUMM1.7 melanoomcellen te bereiken. We zaaiden 105 YUMM1.7-cellen per putje in een plaat met 6 putjes, transduceerden de cellen met toenemende hoeveelheden lentivirus en vervingen het virusbevattende supernatans na 24 uur door verse DMEM/F12 complete media (Figuur 2C). Op dag 3 beoordeelden we de eGFP-expressie door middel van fluorescentiemicroscopie, voordat we verder gingen met het kwantificeren van de precieze percentages eGFP+-cellen door middel van flowcytometrie (Figuur 2C). Om de verhouding tussen eGFP+ en eGFP-cellen te kwantificeren, hebben we levende, enkele cellen omheind om dode cellen en doubletten uit te sluiten (Figuur 2D). Het optimale volume van de geproduceerde lentivirusbatch werd bepaald voor zowel PIB-eGFP als het controle-eGFP-virus als 2 μL per 105 YUMM1.7-cellen, resulterend in respectievelijk 50.0 ± 0.3% en 63.0 ± 0.9% eGFP+-cellen (Figuur 2E).
Om de efficiëntie van in vivo herprogrammering te evalueren, hebben we vervolgens een fluorescerend gelabelde (mCherry+) kankercellijn (YUMM1.7-mCherry) gegenereerd. Dit zorgde ervoor dat we onderscheid konden maken tussen kankercellen en stromale of immuuncellen door levende mCherry+-cellen in te sluiten in de flowcytometrie-analyse (Figuur 3A,B). Vervolgens transduceerden we YUMM1.7-mCherry-cellen met 2 μL PIB-eGFP of controle-eGFP-virus per 105 cellen om een 1:1 eGFP+ tot eGFP-verhouding te bereiken. We hebben subcutaan 1,6 × 106 cellen per tumor geïmplanteerd in CD45.1-muizen en een aliquot cellen in vitro gekweekt ter vergelijking. We evalueerden de herprogrammeringsefficiëntie door middel van flowcytometrie, waarbij levende mCherry+ eGFP+ en CD45.1-cellen werden afgeschermd om gastheer-immuuncellen uit te sluiten die eGFP of mCherry hebben opgeslokt (Figuur 3B). Van dag 1 tot 9 zagen we de geleidelijke verwerving van CD45.2- en/of MHC-II-expressie, waarbij gedeeltelijk geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen (CD45.2+ MHC-II- of CD45.2- MHC-II+) en volledig geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen (CD45+ MHC-II+) werden gemarkeerd (Figuur 3C). We valideerden dat herprogrammering van muizenkankercellen in vivo resulteerde in hogere percentages cDC1-achtige cellen op dag 9 in vergelijking met in vitro omstandigheden (9,54 ± 1,54% CD45+ MHC-II+in vivo vs. 4,72 ± 1,1% CD45+ MHC-II+in vitro, P = 0,018). De kinetiek van herprogrammering werd ook versneld toen we al op dag 4 een hoger percentage cDC1-achtige cellen waarnamen (8,7 ± 3,3% CD45+ MHC-II+in vivo vs. 0,3 ± 0,1% CD45+ MHC-II+in vitro, P = 0,05), wat aangeeft dat de aanwezigheid van omgevingsfactoren een snellere en efficiëntere herprogrammering naar cDC1-achtige cellen19 bevordert. Terwijl in vitro geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen aanwezig waren tot dag 15, bleven in vivo cDC1-achtige cellen 9 dagen bestaan, maar waren ze niet gedetecteerd op dag 15, wat wijst op depletie van de TME door het immuunsysteem van de gastheer (Figuur 3C).
Ten slotte wilden we vroege veranderingen van de TME karakteriseren als gevolg van in vivo cDC1-herprogrammering in de eerste 9 dagen. We voerden immunofluorescentiekleuring uit van gecryopreserveerde en doorgesneden tumorweefsels van zowel eGFP- als PIB-eGFP-tumoren na 3 en 9 dagen in vivo herprogrammering, met de nadruk op de infiltratie van immuuncellen gemarkeerd door de pan-hematopoëtische marker CD45. Met name cDC1-achtige cellen rekruteerden significant meer CD45-cellen naar de TME op dag 3, vergeleken met eGFP-tumoren (49,6 ± 17,0 vs. 8,0 ± 5,8 eGFP gemiddelde fluorescentie-intensiteit van CD45-kleuring per tumorgebied; Figuur 4A,B). Interessant is dat we TLS detecteerden in de TME van tumoren na 9 dagen van in vivo herprogrammering. Dit suggereert dat cDC1-achtige cellen de TME binnen 3 dagen snel kunnen hermodelleren van een "immuunkoude" naar een "immuun-warme" omgeving, wat vervolgens leidt tot TLS-vorming op dag 9.

Figuur 1: Protocoloverzicht om cDC1-achtige cellen te genereren door in vivo herprogrammering van kankercellen. Lentivirale vectoren SFFV-PIB-IRES-eGFP-codering PU.1, IRF8 en BATF3 in een polycistronische cassette onder controle van de miltfocusvormende viruspromotor (SFFV) en eGFP na een interne ribosoomingangsplaats (IRES) om getransduceerde cellen te volgen door middel van flowcytometrie en fluorescentiemicroscopie - worden geproduceerd in de HEK 293T-verpakkingscellijn. Vervolgens worden lentivirale vectoren ultragecentrifugeerd en functioneel getitreerd om de hoeveelheid virus te bepalen die nodig is voor het transduceren van kankercellen in een verhouding van 1:1 getransduceerde eGFP+ tot niet-getransduceerde eGFP-cellen. Voor in vivo herprogrammeringsexperimenten worden kankercellen op dag -1 geplateerd met de optimale hoeveelheid lentivirus. De volgende dag wordt deze 1:1 mix van getransduceerde GFP+ en niet-getransduceerde GFP-cellen gewassen en verzameld voor subcutane tumorvorming bij muizen. Parallelle in vitro culturen worden gehandhaafd om transductie op dag 3 te valideren door middel van flowcytometrie. Dieren worden elke 2-3 dagen gecontroleerd op tumorgroei en overleving. Tumoren worden verzameld op gedefinieerde tijdstippen, gedissocieerd en gekleurd voor expressie van oppervlaktemarkers voor flowcytometrie-analyse. Als alternatief worden hele weefsels gefixeerd, gecryopreserveerd en doorgesneden voor immunofluorescentiekleuring en confocale microscopie-analyse. In vivo herprogrammeringsefficiëntie wordt geëvalueerd door middel van flowcytometrie-analyse, terwijl veranderingen in de micro-omgeving van de tumor worden gekenmerkt door confocale beeldvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Productie en functionele titratie van lentivirus voor in vivo cDC1 herprogrammering. (A) Wanneer HEK 293T-cellen ~70-80% samenvloeiing bereiken, worden ze getransfecteerd met een mengsel dat 10 μg transferplasmide bevat, ofwel SFFV-PIB-eGFP (PIB-eGFP) of lege lentivirale vectorcontrole SFFV-eGFP (eGFP), samen met 7,5 μg psPAX2 en 2,5 μg mPD2.G en 60 μL 1 mg/ml PEI. Helderveld- en fluorescentiemicroscopiebeelden van HEK 293T-cellen die eGFP-expressie 24 uur na transfectie tonen, wat wijst op succesvolle plasmideafgifte. Schaalbalken = 200 μm. (B) Schematische weergave van de ultracentrifugatieworkflow om lentivirus te concentreren. Het lentivirus-bevattende supernatans van HEK 293T-cellen wordt 48 uur en 60 uur na transfectie verzameld, gefilterd door een 0,45 μm eiwitarm bindend PES-filter en 37 g wordt gewogen in open-top dunwandige polypropyleen buizen met behulp van een tafelweegschaal. Buizen worden ultragecentrifugeerd in een Swinging-Bucket Rotor, het bovenstaande wordt aangezogen en de pellet wordt gedurende 5 minuten gedroogd. Pellets worden vervolgens geresuspendeerd in ijskoude DMEM die HEPES bevat en een nacht geïncubeerd voordat ze worden gealucht en opgeslagen bij -80 °C. (C) Experimentele strategie van de functionele titratie om de optimale virale dosis te bepalen voor het bereiken van een 1:1 verhouding van GFP+ tot GFP-cellen. Helderveld- en fluorescentiemicroscopiebeelden die eGFP-expressie tonen in YUMM1.7-melanoomcellen, 72 uur na transductie, wat wijst op succesvolle levering van de herprogrammeringsfactoren en eGFP. Schaalbalken = 100 μm. (D) Representatieve flowcytometriegrafieken die de poortstrategie tonen om de verhouding van eGFP+ -cellen te kwantificeren. Levende cellen werden afgeschermd voor levensvatbaarheid kleurstofnegatieve populatie (DAPI), gevolgd door doubletuitsluiting. (E) Kwantificering van de transductie-efficiëntie van flowcytometrie met toenemende virale doses om het optimale volume te bepalen voor het bereiken van 1:1 GFP+/GFP-cellen . Voor zowel PIB-eGFP als eGFP lentivirus bereikte 2 μL volume per 105 cellen de gewenste verhouding. Afkortingen: cDC1s = type 1 conventionele dendritische cellen; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenylindool; PIB = PU.1, IRF8 en BATF3; PEI = polyethyleenimine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Beoordeling van de efficiëntie van de in vivo cDC1-herprogrammering. (A) Schematische weergave van de experimentele workflow voor het evalueren van de efficiëntie van in vivo cDC1-herprogrammering. Kankercellen worden in eerste instantie getransduceerd met een lentivirus dat mCherry tot expressie brengt om een fluorescerend gelabelde cellijn (YUMM1.7-mCherry) te genereren, gevolgd door transductie met de geoptimaliseerde dosis PIB-eGFP lentivirus op dag -1. Cellen worden vervolgens subcutaan geïnjecteerd met een verhouding van 1:1 van eGFP+/eGFP-cellen op dag 0 om tumoren te vestigen in CD45.1-muizen en PIB-getransduceerde cellen te laten herprogrammeren in cDC1-achtige cellen binnen de TME. Tumoren worden vervolgens geïsoleerd op aangegeven tijdstippen, gedissocieerd en gekleurd voor CD45.1, CD45.2 en MHC-II met behulp van flowcytometrie. Dit maakt het mogelijk om CD45.1-gastheerimmuuncellen uit te sluiten om in vivo cDC1-herprogrammeringsefficiëntie te kwantificeren door expressie van CD45.2 en MHC-II. Parallelle in vitro culturen worden gedurende de tijdspunten aangehouden in vergelijking met in vivo herprogrammering. (B) Representatieve flowcytometriegrafieken die de gatingstrategie op dag 9 illustreren. Cellen werden afgeschermd op mCherry+ en GFP+ om succesvol getransduceerde kankercellen te identificeren. Immuuncellen van de gastheer werden uitgesloten door CD45.1+-cellen uit te sluiten. (C) Kwantificering van in vivo herprogrammeringsefficiëntie (links) van YUMM1.7-mCherry-cellen door middel van flowcytometrie als het percentage CD45+ MHC-II+ cellen (volledig geherprogrammeerd) en CD45.2+ HLA-DR- of CD45.2-HLA-DR+ cDC1-achtige cellen (gedeeltelijk geherprogrammeerd) afgeschermd binnen eGFP+ mCherry+ Cellen. Representatieve flowcytometriegrafieken (rechts) die de geleidelijke verwerving van CD45.2- en MHC-II-expressie in PIB-eGFP-getransduceerde YUMM1.7-mCherry-cellen op de aangegeven tijdstippen laten zien. eGFP-getransduceerde YUMM1.7-mCherry-cellen werden gebruikt als controle en in vitro geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen werden gebruikt ter vergelijking. Gegevens in (C) geven een gemiddelde ± SD aan van 3-5 biologische replicatie-experimenten. Statistische analyse in (C) werd uitgevoerd voor CD45+ MHC-II+ cellen met behulp van de Mann-Whitney-test. *P < 0,05. Afkortingen: cDC1s = type 1 conventionele dendritische cellen; PIB = PU.1, IRF8 en BATF3; TME = micro-omgeving van de tumor. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Analyse van immuuninfiltratie in de micro-omgeving van de tumor na in vivo cDC1-herprogrammering. (A) Representatieve confocale beelden van CD45+ -cellen in YUMM1.7-tumoren na subcutane implantatie van PIB-eGFP- of controle-eGFP-getransduceerde cellen (1:1 verhouding van getransduceerde naar oudercellen) op dag 3 en 9. Schaalbalken = 500 μm. (B) Kwantificering van de MFI voor CD45-kleuring bij met PIB behandelde en controle-eGFP-getransduceerde YUMM1.7-tumoren op dag 3 en 9. Gegevens in (B) geven het gemiddelde ± SD van 3-6 biologische replicatie-experimenten aan. Statistische analyse in (B) werd uitgevoerd met behulp van de Mann-Whitney-test. *P < 0,05 en ***P < 0,001. Afkortingen: cDC1s = type 1 conventionele dendritische cellen; PIB = PU.1, IRF8 en BATF3; MFI = gemiddelde fluorescentie-intensiteit. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In dit protocol beschrijven we een hanteerbare methode om cDC1-achtige cellen te genereren op basis van in vivo herprogrammering van kankercellen uit solide tumoren. Onze resultaten tonen aan dat de overexpressie van PU.1, IRF8 en BATF3 de geleidelijke verwerving van een cDC1-fenotype in de TME stimuleert tot dag 9, waarna cDC1-achtige cellen uit tumoren worden gedegenereerd. Uiteindelijk leidt dit tot een toename van de infiltratie van CD45-cellen in de TME op dag 3, waardoor de hermodellering van een "immuunkoude" TME "immuun-warm" wordt.
Huidige protocollen om cDC1 te genereren omvatten verrijking van autologe DC's uit perifeer bloed, differentiatie van CD34+ hematopoëtische voorlopercellen of differentiatie van pluripotente stamcellen 14,15,16,17,18,19. Deze methoden vertonen echter beperkende factoren: onvoldoende rijping, verminderde antigeenpresentatie en cytokine/chemokine-productiecapaciteit in vivo, gevoeligheid voor immunosuppressie, hoge DC-heterogeniteit en lage aantallen gegenereerde cellen7. Hier bieden we een protocol dat het mogelijk maakt om in vivo schaalbare cDC1-achtige cellen te genereren voor functionele en mechanistische studies.
Met deze methode hebben we getest of de expressie van de transcriptiefactorcombinatie PU.1, IRF8 en BATF3 voldoende was om in vivo herprogrammering aan te sturen. Dit protocol maakt een nauwkeurige controle van de toedieningsefficiëntie mogelijk, aangezien het variëren van de dosis geïmplanteerde genetisch gemodificeerde cellen rechtstreeks van invloed is op de werkzaamheid van de behandeling. We hebben eerder aangetoond dat 2% getransduceerde cellen, die overeenkomen met 0,15% CD45+ en MHC-II+ cDC1-achtige cellen, voldoende zijn om antitumorimmuniteit op te wekken20. Bovendien suggereert de snelle immuuninfiltratie die op dag 3 werd waargenomen dat gedeeltelijk geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen functioneel actief zijn in vivo, aangezien er op dit tijdstip geen substantiële toename is van volledig geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen. In de toekomst zal het interessant zijn om de functionele rol van gedeeltelijk versus volledig geherprogrammeerde cDC1-achtige cellen in de antitumorwerkzaamheid te ontrafelen met behulp van gemodificeerde vectoren die een zelfmoordgen bevatten om celdood te induceren in geselecteerde celpopulaties op gedefinieerde tijdstippen24. Dit protocol kan verder worden gebruikt om de combinatie met epigenetische adjuvantia te onderzoeken, wat de herprogrammeringsefficiëntie kan verhogen25. Ten slotte kan deze methode ook worden aangepast om andere DC-subtypes in vivo te genereren, waarbij verschillende soorten immuunresponsen worden gelanceerd, bijvoorbeeld antivirale of tolerogene responsen14. Bovendien kunnen we in vivo herprogrammering gebruiken als een platform om barcodes uit te voeren voor transcriptiefactorcombinaties om diverse immuunceltypen te genereren. Deze mogelijkheid zou de flexibiliteit van behandelingen kunnen vergroten door gebruik te maken van diverse functionele eigenschappen van specifieke immuunsubsets.
In onze vorige studie hebben we aangetoond dat de immunosuppressieve in vivo omgeving de herprogrammering van menselijke kankercellen tot immunogene cDC1's20 niet belemmert. In dit artikel laten we zien dat bij muizen herprogrammering in vivo sneller en efficiënter is dan in vitro, wat suggereert dat de verbeterde herprogrammering die in vivo wordt waargenomen een geconserveerd fenomeen is bij beide soorten. Een van de beperkingen van deze methode is echter het ontbreken van de in vivo omgeving tijdens de eerste vectorafgifte; Het kan dus niet onderscheiden of omgevingsfactoren van invloed zijn op de efficiëntie van de in vivo levering. Dit moet ter plaatse worden bepaald door verschillende delen te vergelijken. Adenovirale vectoren, waarvan we hebben vastgesteld dat ze efficiënter zijn dan lentivirale vectoren voor in-situ toediening20 , kunnen worden vergeleken met niet-virale delen zoals lineaire, circulaire en zelfversterkende RNA's of cocktails van kleine moleculen2 6,27.
We hebben eerder aangetoond dat cDC1-herprogrammering kankercellen begiftigt met pro-inflammatoire cytokine- en lymfocytenrekruterende chemokinesecretie en professionele antigeenverwerking en presentatie op MHC-I en MHC-II in melanoommodellen23,28. Dit resulteert in hermodellering van de TME van een "immuun-koude" naar een "immuun-hete" toestand door TLS-vorming te induceren, die de infiltratie van cytotoxische effector-T-cellen, NK-cellen en B-cellen verhoogt en immunosuppressieve populaties zoals regulerende en uitgeputte T-cellen vermindert20. Bij patiënten zijn positieve reacties op immunotherapie in verband gebracht met de aanwezigheid van TLS in tumoren, waarbij aanhoudende T- en B-celpriming tegen tumorantigenen tumorspecifieke antilichaamresponsen genereert29,30. In de toekomst stellen we ons voor om dit traceerbare in vivo cDC1-herprogrammeringsprotocol te gebruiken om de mechanismen van geïnduceerde TLS-neogenese, TME-remodellering en antitumorimmuniteit bij verschillende kankertypes te ontrafelen en te karakteriseren of de productie van tumorspecifieke antilichamen wordt gestimuleerd.
We hebben eerder synergie waargenomen tussen in vivo cDC1-herprogrammering en ICB met anti-PD-1 of anti-CTLA-420. Dit suggereert dat de "immuun-hete" TME die wordt gecreëerd door cDC1-herprogrammering een gunstige omgeving zou kunnen bieden voor mogelijke combinaties met andere immunotherapieën zoals ACT, waaronder T-celreceptor (TCR)-T-cellen, chimere antigeenreceptor (CAR)-T-cellen of tumor-infiltrerende lymfocyten (TIL's). Een ander voordeel van deze methode is de mogelijkheid om grote onbevooroordeelde combinatorische of CRISPR-schermen uit te voeren, waarbij immunologische receptoren, cytokines, chemokines of lymfotoxinen tot overexpressie of verarming kunnen worden gebracht in cDC1-achtige cellen in resistente tumortypes, waardoor de rol van verschillende routes bij het versterken van cDC1-gemedieerde immuniteit wordt ontrafeld. Concluderend biedt het huidige protocol een waardevolle bron voor een brede wetenschappelijke gemeenschap, aangezien in vivo cDC1-herprogrammering een flexibel en krachtig platform is voor mechanistische studies en therapeutische innovatie in kankerimmunotherapie.
C.-F.P. heeft een aandelenbelang en bekleedt managementfuncties bij Asgard Therapeutics AB, dat kankerimmunotherapieën ontwikkelt op basis van in vivo DC-herprogrammeringstechnologieën. C.-F.P is een uitvinder van verleende octrooien US 11,345,891, JP 7303743 en CN ZL201880005047.3 en octrooiaanvragen WO 2018/185709 en WO 2022/243448 (samen met EA) in het bezit van Asgard Therapeutics, die betrekking hebben op de hier beschreven benadering van celherprogrammering.
We danken Mariana Lopes en Camille Chatelain, leden van het Cell Reprogramming in Hematopoiesis and Immunity Laboratory, voor het redigeren en proeflezen van het manuscript.
Deze studie werd uitgevoerd in de context van de Nationale ATMP Onderzoeksschool, gefinancierd door de Zweedse Onderzoeksraad. De hier besproken projecten werden medegefinancierd door de Europese Onderzoeksraad in het kader van het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie (866448-TrojanDC en 101189370), Novo Nordisk Fonden (NNF22C0079466), Europese Innovatieraad (101130218-RESYNC), Cancerfonden (23 2932 Pj), de Zweedse Onderzoeksraad (2020-00615), Zweeds Innovatieagentschap (2024-02178), ALF (44410), FCT (2022.02338.PTDC) en Plano de Recuperação e Resiliência de Portugal pelo fundo NextGenerationEU (C644865576-00000005). De Knut en Alice Wallenberg Foundation, de medische faculteit van de Universiteit van Lund en Region Skåne worden erkend voor hun genereuze financiële steun.
Materialen Beschikbaarheid:
Constructies en vectoren die worden gebruikt voor herprogrammering zijn verkrijgbaar bij Asgard Therapeutics onder een overeenkomst voor materiaaloverdracht met het bedrijf. Alle andere gegevens die nodig zijn om de conclusies in de paper te evalueren, zijn aanwezig in de hoofdtekst of het aanvullende materiaal.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 0.45 μm low-protein binding filter, 150 mL Bottle Top Vacuum Filter | Fisher scientific | 15983297 | |
| 2-Mercaptoethanol 50 mM | ThermoFisher Scientific | 31350010 | |
| Anti-mouse CD45 Monoclonal Antibody (clone: 30-F11), Rat IgG2b, κ | ThermoFisher Scientific | 14-0451-82 | |
| B6.SJL-PtprcaPepcb/BoyCrl (CD45.1) | The Jackson Laboratory | 002014 | |
| BD Micro-Fine U-100 Insulin Syringes (0.5 mL) | Fisher Scientific | 11395751 | |
| C57BL/6J mice | The Jackson Laboratory | 000664 | |
| Collagenase D | Sigma Aldrich | 11088882001 | |
| Corning Falcon Cell Strainer For Use With 50ml Conical Tubes | Sigma Aldrich | CLS352340 | |
| Corning cover glasses 24 x 50 mm | Sigma Aldrich | CLS2975245 | |
| DAPI (4'6-diamidino-2-phenylindole, dihydrochloride) | ThermoFisher Scientific | D1306 | |
| DNase I | Sigma Aldrich | 10104159001 | |
| eBioscience Fixable Viability Dye eFluor 450 | Invitrogen | 65-0863-14 | |
| eBioscience IHC Antigen Retrieval Solution - Low pH (10x) | ThermoFisher Scientific | 00-4955-58 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | ThermoFisher Scientific | A5256701 | |
| Fluoromount-G Mounting Medium | ThermoFisher Scientific | 00-4958-02 | |
| GFP Antibody [Alexa Fluor 594] | Novus Biologicals | NB600-308AF594 | |
| Gibco DMEM/Nutrient Mixture F-12 (DMEM/F-12) | ThermoFisher Scientific | 31331028 | |
| Gibco MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | ThermoFisher Scientific | 11140035 | |
| Gibco Opti-MEM I | ThermoFisher Scientific | 11058021 | |
| Gibco Roswell Park Memorial Institute (RPMI) 1640 Medium | ThermoFisher Scientific | 52400025 | |
| Gibco Sodium Pyruvate (100 mM) | ThermoFisher Scientific | 11360070 | |
| Gibco Trypan Blue Solution, 0.4% | ThermoFisher Scientific | 15250061 | |
| GlutaMAX Supplement | ThermoFisher Scientific | 35050061 | |
| Goat anti-rat IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Polyclonal, Alexa Fluor 488 | ThermoFisher Scientific | A-11006 | |
| HEK 293T cells | ATTC | CRL-11268 | |
| Hexadimethrine bromide (Polybrene) | Sigma Aldrich | H9268 | |
| HyClone Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) with high glucose | Cytiva | SH30243.01 | |
| HyClone Penicillin Streptomycin 100x Solution (Pen/Strep) | Cytiva | SV30010 | |
| HyClone Phosphate Buffered Saline solution (PBS) | Cytiva | SH30028.02 | |
| Ketaminol vet. Solution for injection 100 mg/mL | MSD Animal Health Sweden | QN01AX03 | |
| Microtome Blade - C35 | pfm medical | 207500005 | |
| Mouse anti-CD45.2 (104), Surface, APC, Monoclonal | Biolegend | 109814 | |
| Mouse anti-MHCII (M5/114.15.2), Surface, PE-Cy7, Monoclonal | Biolegend | 107630 | |
| Normal Goat Serum | Abcam | ab7481 | |
| Normal Rat Serum (sterile) | Abcam | ab7488 | |
| Open-Top Thinwall Polypropylene Tubes | Beckman Coulter Life Sciences | 326823 | |
| Paraformaldehyde, 16% w/v aq. soln., methanol free | ThermoFisher Scientific | 043368.9M | |
| pFUW-tetO-Batf3, a monocistronic cassette encoding mouse Batf3 | Addgene | 139837 | |
| pFUW-tetO-Irf8, a monocistronic cassette encoding mouse Irf8 | Addgene | 139838 | |
| pFUW-tetO-Pu.1, a monocistronic cassette encoding mouse Pu.1 | Addgene | 139839 | |
| Plasmid pMD2.G | Addgene | 12259 | |
| Plasmid psPAX2 | Addgene | 12260 | |
| Plasmid SFFV-eGFP (eGFP) | In house cloning | - | |
| Plasmid SFFV-mCherry (mCherry) | In house cloning | - | |
| Plasmid SFFV-PIB-eGFP, a polycistronic cassette encoding mouse PU.1, IRF8, and BATF3 (PIB) | In house cloning | - | Constructs and vectors used for reprogramming are available from Asgard Therapeutics under a material transfer agreement with the company |
| Polyethylenimine (PEI), Linear, MW 25000, Transfection Grade | Polysciences | 23966 | |
| ReadyProbes Hydrophobic Barrier Pap Pen | ThermoFisher Scientific | R3777 | |
| Sodium Butyrate | Sigma Aldrich | 303410 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
| SuperFrost Plus Adhesion Microscope Slides | Epredia | J1800AMNZ | |
| Tissue-Tek O.C.T. Compound | Sakura Finetek | 4583 | |
| TrypLE Express Enzyme (1x) no phenol red | ThermoFisher Scientific | 12604021 | |
| TT Cryomold Intermediate, square (15 x 15 x 5 mm) | Sakura Finetek | 4566 | |
| UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Invitrogen | 15575020 | |
| Xysol vet. Solution for injection 20 mg/mL | VM Pharma | QN05CM92 | |
| YUMM1.7 cells | Antineo |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen