W niniejszej pracy opisujemy metodę wydajnej ekspansji i oczyszczania dużych ilości ludzkich komórek NK oraz oceny ich funkcji.
Artykuł metodologiczny
W niniejszej pracy opisujemy metodę wydajnej ekspansji i oczyszczania dużych ilości ludzkich komórek NK oraz oceny ich funkcji.
Komórki NK (natural killer) odgrywają istotną rolę w nadzorze immunologicznym przeciwko różnorodnym mikroorganizmom zakaźnym i nowotworom. Ograniczona dostępność komórek NK oraz możliwości ich ekspansji in vitro hamowały rozwój immunoterapii opartej na tych komórkach. W niniejszej pracy opisujemy metodę wydajnej ekspansji dużych ilości funkcjonalnych komórek NK ex vivo z wykorzystaniem komórek K562 wykazujących ekspresję związanego z błoną IL21, pełniących rolę sztucznych komórek prezentujących antygen (aAPC).
Dotychczasowe terapie adopcyjne z wykorzystaniem komórek NK opierały się na produkcie komórkowym uzyskanym poprzez leukaferezę dawcy w stanie stacjonarnym, a następnie deplecję limfocytów T lub selekcję pozytywną komórek NK. Produkt ten jest zazwyczaj aktywowany w IL-2 przez noc, a następnie podawany następnego dnia 1. Ze względu na niską częstotliwość występowania komórek NK we krwi obwodowej, w badaniach klinicznych podawano stosunkowo niewielkie liczby komórek NK.
Brak możliwości namnażania komórek NK in vitro był czynnikiem ograniczającym w generowaniu wystarczającej liczby komórek dla uzyskania optymalnego efektu klinicznego. Pewna ekspansja komórek NK (5-10 krotnie w ciągu 1-2 tygodni) została osiągnięta przy zastosowaniu wyłącznie wysokich dawek IL-2 2. Aktywacja autologicznych limfocytów T może pośredniczyć w ekspansji komórek NK, prawdopodobnie również poprzez uwalnianie lokalnych cytokin 3. Wsparcie za pomocą stromy mezenchymalnej lub sztucznych komórek prezentujących antygen (aAPC) może wspomagać ekspansję komórek NK zarówno z krwi obwodowej, jak i krwi pępowinowej 4. Połączona aktywacja NKp46 i CD2 za pomocą kulek powlekanych przeciwciałami jest obecnie oferowana komercyjnie w celu ekspansji komórek NK (Miltenyi Biotec, Auburn CA), co skutkuje około 100-krotnym wzrostem liczby komórek w ciągu 21 dni.
Trwają badania kliniczne z wykorzystaniem komórek NK rozszerzonych lub aktywowanych za pomocą aAPC, w tym jedno z użyciem linii komórek białaczkowych CTV-1 do primingu i aktywacji komórek NK5 bez znaczącej ekspansji. Drugie badanie wykorzystuje EBV-LCL do ekspansji komórek NK, osiągając średni 490-krotny wzrost w ciągu 21 dni6. Trzecie badanie wykorzystuje aAPC na bazie K562 transdukowane 4-1BBL (CD137L) oraz błonową IL-15 (mIL-15)7, co pozwoliło na średnio 277-krotną ekspansję komórek NK w ciągu 21 dni. Chociaż komórki NK rozszerzone przy użyciu aAPC K562-41BBL-mIL15 wykazują wysoką cytotoksyczność in vitro i in vivo w porównaniu do nierozszerzonych komórek NK oraz uczestniczą w ADCC, ich proliferacja jest ograniczona przez starzenie się przypisywane skracaniu telomerów8. Niedawno zgłoszono 350-krotną ekspansję komórek NK z wykorzystaniem K562 wykazujących ekspresję MICA, 4-1BBL oraz IL159.
Opisana tutaj metoda ekspansji komórek NK zapewnia szybką proliferację tych komórek bez indukowania starzenia się, osiągając medianę 21 000-krotnej ekspansji w ciągu 21 dni.
1. Izolacja PBMC z warstwy leukocytarnej (buffy coat)
Mononuklearne komórki krwi obwodowej (PBMC) uzyskuje się poprzez wirowanie w gradiencie gęstości na Ficoll-Paque z próbek warstwy leukocytarnej od zdrowych dawców, pobranych metodą leukaferezy.
2. Ekspansja komórek NK
Ekspansję komórek NK można rozpocząć, używając PBMC lub oczyszczonych komórek NK. Ilość PBMC wykorzystywanych do ekspansji może być zróżnicowana w zależności od pożądanej liczby komórek NK po trzech tygodniach ekspansji; szczegóły znajdują się w sekcji z reprezentatywnymi wynikami. (Patrz Uwaga 1)
STYMULACJA 1
Dzień 0
Dzień 3 i 5
STYMULACJA 2
Dzień 7
Dzień 10 i 12
Dzień 14
STYMULACJA 3
Dni 17 i 19
Dzień 21
3. Test cytotoksyczności komórek NK
4. Oczyszczanie komórek NK metodą RosetteSep
5. Uwagi
UWAGA 1. Komórki NK można namnażać bezpośrednio z PBMC lub z komórek NK oczyszczonych metodą RosetteSep. Odnotowano podobną wydajność namnażania, jednak u niektórych dawców liczba komórek NK może być bardzo niska, co może utrudnić oczyszczanie metodą RosetteSep przed namnażaniem.
UWAGA 2. Do fenotypowania podczas ekspansji rutynowo stosujemy CD56-FITC, CD16-PE oraz CD3-PE-Cy5, licząc komórki NK jako te, które są CD3-ujemne i CD16- lub CD56-dodatnie.
UWAGA 3. Przy każdej wymianie pożywki lub stymulacji resuspenderze komórki w stężeniu 2.5 x 105/mL, aby utrzymać liczbę komórek PBMC/NK na poziomie 2 milionów na mL lub poniżej w szczytowych fazach ekspansji. Zapobiegnie to wyczerpaniu składników odżywczych i pomoże osiągnąć maksymalną ekspansję oraz przeżywalność.
UWAGA 4. Szybkość ekspansji komórek NK zależy od dawcy; po pierwszej lub drugiej stymulacji część komórek można zamrozić, a część dalej namnażać, w zależności od potrzeb eksperymentalnych. Osiągnęliśmy dobre wyniki, wykorzystując zamrożone komórki do ekspansji w późniejszym terminie.
UWAGA 5. Aby zachować margines błędu, zalecamy użycie minimum 7x105 komórek NK resuspenderowanych w 700 uls NKEM oraz 4x105 komórek docelowych zabarwionych Calcein-AM resuspenderowanych w 4 mL NKEM do przygotowania testu cytotoksyczności. W przypadku użycia pipety wielokanałowej do wysiewu komórek docelowych, w zależności od wielkości zastosowanego zbiornika na medium, mogą być wymagane większe objętości komórek (do 6x105 w 6 mL). Ponadto zalecana liczba komórek NK odnosi się konkretnie do stosunków E:T przedstawionych w protokole; w przypadku stosowania wyższych stosunków E:T należy odpowiednio zwiększyć liczbę komórek NK na mL (np. dla stosunku E:T 40:1 należy użyć 4x106 komórek/mL)
UWAGA 6. Zalecamy przeprowadzenie wstępnego miareczkowania ładowania Calcein-AM dla wybranej linii komórkowej, stosując następujące rozcieńczenia: 1:500, 1:400, 1:300, 1:200 oraz 1:100, aby uzyskać optymalną różnicę między uwalnianiem maksymalnym a spontanicznym.
UWAGA 7. W przypadku użycia adherentnej linii komórkowej jako komórek docelowych, należy najpierw przygotować zawiesinę pojedynczych komórek, korzystając z nieenzymatycznego buforu do dysocjacji komórek. Jeśli przeprowadzany jest test ADCC, należy przygotować drugą probówkę z komórkami docelowymi w medium CAM.
UWAGA 8. W przypadku przeprowadzania ADCC, należy dodać te same komórki NK do 3 studzienek odpowiadających stosunkowi E:T 10:1 dla ADCC. Powtórzyć procedurę dla dodatkowych dawców. Powtórzyć procedurę dla dodatkowych komórek docelowych.
UWAGA 9. W przypadku przeprowadzania eksperymentu ADCC, po 45 minutach ładowania kalceiny, należy dodać 10ug przeciwciała specyficznego dla indukcji ADCC przeciwko komórkom docelowym. Po kolejnych 15 minutach komórki docelowe należy dwukrotnie przemyć w pożywce kompletnej, wirując przez 5 min przy 1200 rpm. Komórki należy resuspender do stężenia 1x105 cells/ mL i przejść do następnego kroku protokołu.
6. REPREZENTATYWNE WYNIKI

Rycina 2. Gdy ekspansja jest przeprowadzana zgodnie z powyższym schematem, z wykorzystaniem 5x10⁶ PBMC jako materiału wyjściowego, typowe wydajności komórek NK wynoszą od 1x109 do 1010 komórki (zmienność zależna od dawcy). Rycina przedstawia krotność ekspansji komórek NK (n=19) w porównaniu do liczby komórek NK obecnych w produkcie wyjściowym (mediana +/- kwartyl).

Rycina 3. Ekspandowane komórki NK wykazują ekspresję różnych receptorów komórek NK, która jest porównywalna do nieekspandowanych pierwotnych komórek NK, z kilkoma wyjątkami (CD11b, CD160 oraz CD244).

Rycina 4. Odzysk PBMC z warstwy leukocytarnej (Buffy coat) jest zależny od dawcy i może wynosić od 300x106 do 800x106. Komórki NK mogą stanowić 2% - 18% PBMC. W przypadku oczyszczania namnożonych komórek metodą RosetteSep, odzysk czystych komórek NK w 14. dniu wynosi od 40-70%. Stosując zalecany protokół namnażania i oczyszczania, można oczekiwać czystości komórek NK na poziomie 99%.

Rycina 5. Ekspandowane komórki NK wykazały cytotoksyczność wobec szeregu linii komórkowych nowotworowych, w tym neuroblastoma, AML, osteosarcoma i melanoma (przedstawiono reprezentatywną aktywność zabijania komórek AML jako procent specyficznej lizy).
Nie zgłoszono konfliktów interesów.
Autorzy chcieliby podziękować Laurence Cooper, Harjeet Singh oraz Lence Hurton za ich pracę przy tworzeniu początkowych wektorów fuzyjnych K562 aAPC i mIL21.
Finansowanie niniejszej pracy zostało zapewnione przez UT MD Anderson Physician Scientist Program, St. Baldrick's Foundation oraz Legends of Friendswood.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
Pożywka do ekspansji i aktywacji komórek NK (NKEM) | |||
| 90% RPMI 1640 | Cellgro | ||
| 10% płodowej surowicy bydlęcej | Gibco | ||
| 1x penicylina / streptomycyna | Cellgro | ||
| 1x L-glutamina | Gibco | Przed użyciem wysterylizować pożywkę przez filtr. | |
| 50 U/ mL IL2 | Proleukin, Novartis Vaccines and Diagnostics, Inc) | Rozcieńczone z roztworu zapasowego 200 IU/μl. Dodawać IL2 do wymaganej ilości pożywki bezpośrednio przed każdym użyciem. | |
| [header] | |||
Izolacja PBMC i komórek NK | |||
| Ficoll-Paque | GE Healthcare | ||
| roztwór Alsevera | Sigma) | ||
| koktajl do wzbogacania ludzkich komórek NK RosetteSep | Stemcell Technologies) | ||
| [header] | |||
Test cytotoksyczności komórek NK | |||
| Calcein-AM | Invitrogen | ||
| [header] | |||
Przeciwciała | |||
Lista przeciwciał użytych do fenotypowania komórek NK znajduje się w poniższej tabeli: | |||
Probówka 1: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: izotyp FITC | BD Pharmingen | 555748 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: izotyp FITC | BD Pharmingen | 555749 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: izotyp FITC | BD Pharmingen | 557224 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: izotyp FITC | BD Pharmingen | 340442 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 80 | |
Probówka 2: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: CD56 FITC | BD Pharmingen | 340410 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: NKp30 PE | BD Pharmingen | 558407 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: NKp44 PE | BD Pharmingen | 558563 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: NKp46 PE | BD Pharmingen | 557991 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD3 PE-Cy5 | BD Pharmingen | 555341 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD16 Alexa 647 | BD Pharmingen | 557710 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 70 | |
Probówka 3: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: CD56 FITC | BD Pharmingen | 340410 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: KIR2DL1 PE | R&D Systems | FAB1844P | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: KIR2DL2/3 PE | Miltenyi Biotec | 130-092-618 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: KIR3DL1 PE | R&D Systems | FAB12251P | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD3 PE-Cy5 | BD Pharmingen | 555341 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: NKG2D APC | BD Pharmingen | 558071 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 70 | |
Probówka 4: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: CD56 FITC | BD Pharmingen | 340410 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD11b PE | BD Pharmingen | 555388 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD3 PE-Cy5 | BD Pharmingen | 555341 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD27 APC | BD Pharmingen | 558664 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 80 | |
Probówka 5: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: CD56 FITC | BD Pharmingen | 340410 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD266 (DNAM-1) PE | BD Pharmingen | 559789 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD3 PE-Cy5 | BD Pharmingen | 555341 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD160 Alexa647 | eBiosciences | 51-1609-42 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 80 | |
Probówka 6: (objętość całkowita 100) | |||
| Przeciwciało: CD56 FITC | BD Pharmingen | 340410 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD244 (2B4) PE | BD Pharmingen | 550816 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD3 PE-Cy5 | BD Pharmingen | 555341 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: CD197 (CCR7) APC | eBiosciences | 17-1979-42 | Objętość: 5 |
| Przeciwciało: bufor FACS | BD Pharmingen | Objętość: 80 |