Expansão, Purificação e Avaliação Funcional de Células NK do sangue periférico

Published 2/02/2011
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Immunology and Infection
 

Summary

Aqui nós descrevemos um método eficiente para expandir e purificar um grande número de células NK e avaliar a sua função.

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Somanchi, S. S., Senyukov, V. V., Denman, C. J., Lee, D. A. Expansion, Purification, and Functional Assessment of Human Peripheral Blood NK Cells . J. Vis. Exp. (48), e2540, doi:10.3791/2540 (2011).

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Abstract

Natural killer (NK) desempenham um papel importante na vigilância imune contra uma variedade de microorganismos infecciosos e tumores. Disponibilidade limitada de células NK e capacidade de expansão in vitro restringiu o desenvolvimento de NK imunoterapia celular. Aqui nós descrevemos um método eficiente para expandir a vastas quantidades de funcional NK ex vivo células usando células que expressam K562 ligada à membrana IL21, como uma célula apresentadora de antígeno artificial (AAPC).

Terapias com células NK adotivos até à data têm utilizado um produto de células obtidas por steady-state leucaférese do doador seguida pela depleção de células T ou seleção positiva de células NK. O produto é geralmente activado no IL-2 durante a noite e então administrado no dia seguinte 1. Devido à baixa freqüência de células NK no sangue periférico, um número relativamente pequeno de células NK foram entregues nos ensaios clínicos.

A incapacidade para propagar células NK in vitro tem sido o fator limitante para a geração de números de celular suficiente para um resultado clínico favorável. Alguma expansão das células NK (10/05 vezes ao longo de 1-2 semanas) tem ser alcançado através de altas doses de IL-2 sozinho 2. Ativação de células T autólogas podem mediar a expansão das células NK, presumivelmente, também através da liberação de citocinas local 3. Suporte com estroma mesenquimal ou células antígeno apresentando artificial (aAPCs) pode apoiar a expansão das células NK, tanto sangue periférico e sangue do cordão 4. NKp46 combinado e CD2 ativação por anticorpos revestido contas é atualmente comercializado para expansão de células NK (Miltenyi Biotec, Auburn CA), resultando em expansão de cerca de 100 vezes em 21 dias.

Ensaios clínicos utilizando AAPC-expandido ou ativadas as células NK estão em curso, uma utilizando a linha de células leucêmicas CTV-1 para o principal e ativar as células NK 5, sem expansão significativa. Um segundo julgamento utiliza EBV-LCL para expansão de células NK, atingindo uma média de expansão 490 vezes em 21 dias 6. A terceira utiliza uma AAPC K562 baseado transduzidas com 4-1BBL (CD137L) e ligada à membrana IL-15 (MIL-15) 7, que alcançou uma média de expansão NK 277 vezes em 21 dias. Embora, as células NK expandida usando K562-41BBL-mIL15 AAPC são altamente citotóxica in vitro e in vivo em comparação com unexpanded células NK, e participar no ADCC, sua proliferação é limitada pela senescência encurtamento dos telômeros atribuída a 8. Mais recentemente, uma expansão de 350 vezes das células NK foi relatado usando K562 MICA expressar, 4-1BBL e IL15 9.

Nosso método de expansão de células NK aqui descritos produz rápida proliferação das células NK, sem senescência alcançar uma expansão média 21 mil vezes em 21 dias.

Protocol

1. Isolamento de PBMCs de Buffy Brasão

Células mononucleares do sangue periférico (PBMC) são obtidos por centrifugação de empuxo sobre densidade Ficoll-Paque de doadores saudáveis ​​amostras obtidas por buffy coat leucaférese.

  1. A centrifugação Ficoll-Paque é feito como protocolo por fabricante, com pequenas modificações.
  2. Adicionar PBS a um doador de sangue normal-bancárias buffy coat para um volume final de 140 mL (volume casaco típico buffy é 40-70 mL).
  3. Camada de 35 mL de amostra buffy coat, em 15 mL de Ficoll-Paque (4 tubos).
  4. Centrifugar a 400 g por 20 minutos sem freio.
  5. Recuperar o PBMCs do Ficoll-Paque: interface plasma, não descartam a hemácias no fundo do Ficoll-Paque.
  6. Lavar PBMCs três vezes com PBS, centrifugação cada vez menos 400g por 10 minutos.
  7. PBMCs podem ser usados ​​diretamente para a expansão das células NK, nesta fase, ou células NK pode ser isolado por RosetteSep (Seção 4)
  8. PBMCs restantes podem ser congelados em FBS contendo DMSO 10% em nitrogênio líquido.
  9. Aspirar o Ficoll e recolher os glóbulos vermelhos a partir do passo 5 em duas tubo de centrífuga de 50 mL, lavar três vezes com PBS (adicionado a 50 mL marca), cada vez aspirar o sobrenadante desnatação do topo da camada de RBC para remover granulócitos.
  10. Os glóbulos vermelhos podem ser utilizados imediatamente para RosetteSep  purificação das células NK (consulte a Seção 4) ou armazenado em volume igual de solução Alsever é a 4 ° C para uso posterior (Os glóbulos vermelhos pode ser reservado para um máximo de 4 semanas).

2. NK expansão celular

A expansão das células NK pode ser iniciado usando PBMCs ou purificada de células NK. A quantidade de PBMCs usado para a expansão pode ser variado com base na quantidade de células NK desejado no final de uma expansão de três semanas, consulte a secção representativa resultados para obter detalhes. (Ver Nota 1)

ESTIMULAÇÃO 1

Dia 0

  1. Para cada 5x10 6 PBMCs ser expandido, contagem e irradiar 10x10 6 K562 CL9 mIL21 usando um irradiador gama a 100 Gy.
  2. Pós-irradiação, lavar as células com PBS e ressuspender em células NK expansão media (Nkem).
  3. Semente de 5x10 6 PBMCs com 10x10 6 irradiados K562 CL9 mIL21 (1:2) em 40 mL de Nkem em um frasco T75 e colocá-lo na posição vertical em uma incubadora a 37 ° CO C e 5% 2.

Dias 3 e 5

  1. Recuperar as células por centrifugação a 400g por 5 min e substituir metade da mídia com Nkem fresco (adicionando IL2 fresco para o volume de mídia inteira) e continuar a cultura.

ESTIMULAÇÃO 2

Dia 7

  1. Contar o número de células em cultura no final de uma semana.
  2. Separe 5x10 5 células para fenotipagem por citometria de fluxo (ver nota 2)
  3. Para cada 5x10 6 células para ser restimulated, contagem e irradiar 5x10 6 K562 CL9 mIL21 usando um irradiador gama a 100 Gy.
  4. Adicionar um número igual de irradiados K562 CL9 mIL21 (1:1) e ressuspender em Nkem em 2.5x10 5 total de células / mL (Ver Nota 3).
  5. Células de sementes em frascos T75 (máximo 50 mL por frasco).

Dias 10 e 12

  1. Contar o número de células.
  2. Mudança de mídia inteira com Nkem fresco com base no número de células (Veja Nota 3).

Dia 14

  1. No final de duas semanas de expansão contar o número de células em cultura.
  2. Separe 5x10 5 células para fenotipagem por citometria de fluxo (ver nota 2)
  3. Se a expansão foi iniciada a partir de PBMCs as células NK pode ser purificado nesta fase de expansão utilizando o protocolo de purificação RosetteSep (consulte a Seção IV). Se a expansão foi iniciada a partir de células NK purificada proceder à estimulação 3.
  4. Após purificação de lado 5x10 5 células para fenotipagem por citometria de fluxo para verificar a pureza das células NK (como no Passo 8).
  5. Prosseguir com Estimulação 3 usando todas as células NK purificado (ver Nota 4).

ESTIMULAÇÃO 3

  1. Células NK ressuspender com irradiados K562 CL9 mIL21 (1:1) em Nkem com base em números de células (ver nota 3).

Dias 17 e 19

  1. Contar o número de células.
  2. Mudança de mídia com Nkem fresco com base no número de células (ver nota 3).

Dia 21

  1. No final de três semanas de expansão contar o número de células em cultura.
  2. Recuperar 1x10 6 células para análise de citometria de fluxo para o pleno NK painel de anticorpos de células fenotipagem (Ver Tabela 1).
  3. Congelar células em FBS contendo DMSO 10%, a uma densidade máxima de 5x10 7 células por frasco para uso futuro.

3. NK ensaio de citotoxicidade celular

  1. Descongelar um frasco de células NK e sementes em Nkem, um dia antes da performing ensaio de citotoxicidade para permitir a recuperação.
  2. Para cada ensaio de células NK citotoxicidade usando uma linha única célula-alvo, 6x10 5 células NK e 3x10 5 células-alvo são exigidos (ver nota 5).
  3. Prepare CAM-Media diluindo calceína-AM (estoque 1 mg / mL em DMSO) em Nkem (Ver Nota 6).
  4. Ressuspender 10 6 células-alvo em 1 mL de CAM-media (ver nota 7).
  5. Incubar por 1 hora a 37 ° C, com agitação ocasional.
  6. Células NK ressuspender em 1x10 6 células / mL e adicionar 200uL de suspensão de células NK a cada um dos três poços de um U-bottom 96 poços da placa a 10 correspondentes: 1 razão E: T mostrado na Figura 1. (Ver Nota 8)
  7. Adicione 100uL de mídia completo para todos os poços restantes, exceto para "Máximo".
  8. Adicione 100uL de 2% Triton X-100 a "máxima".
  9. Realizar diluições em série das células NK para a E 5 subseqüentes: relações T, transferindo 100uL de células de cada vez, misture bem. Descartar 100uL dos poços passado (razão E: T de 0.3125:1).
  10. Após 1 hora de carregamento calceína, lave as células-alvo em Nkem duas vezes, centrifugação por 5 min a 1200 rpm. (Ver Nota 9)
  11. Re-contar as células-alvo e ressuspender em 1x10 5 células / mL.
  12. Adicionar 100 mL de células-alvo para cada poço (1x10 4 / bem). Centrifugar por 1 min a 100g de iniciar o contato da célula.
  13. Incubar a 37 ° C e 5% CO 2 por 4 horas.
  14. Misture delicadamente a cultura por pipetagem com uma pipeta de 100 L, a fim de suspender a uniformemente calceína lançado, spin down placa de 100g por 5 minutos para sedimentar as células e transferir 100 mL do sobrenadante para um novo prato com cuidado para evitar bolhas. Pop as bolhas que se podem formar com agulha fina.
  15. Leia a placa usando um leitor de placas fluorescentes (excitação filtro de 485 nm, a emissão de filtro de 530 nm). Leitura de fundo é recomendado.
  16. Calcule Lise Percentual específicas de acordo com a fórmula [(versão de testes de liberação espontânea) / (liberação máxima - liberação espontânea)] x 100.

4. NK Purificação celular por RosetteSep

  1. Tome de 100 vezes o excesso de glóbulos vermelhos ao de PBMCs ou células expandidas, em um tubo de 50 mL (100:1 RBC: PBMC).
  2. Se usar os glóbulos vermelhos frescos prosseguir diretamente para a etapa seguinte ou se a hemácias foram armazenados em solução Alsever s, contar o número de hemácias e de lavagem adequados (100 vezes em excesso) quantidade de hemácias com PBS suplementado com 2% FBS três vezes, centrifugar a 1200 rpm por 10 minutos a cada vez.
  3. Combine com hemácias PBMCs a partir do passo 1.7 ou células expandidas a partir do passo 2,10 em PBS + 2% de SFB para um volume final de 1 mL por 5x10 7 de PBMCs ou células expandidas.
  4. Adicionar 1μL de RosetteSep  Human Enrichment Célula NK Cocktail por 1x10 6 de PBMCs ou células expandidas.
  5. Misture bem e deixe em temperatura ambiente por 20 minutos, com suave mistura a cada 5 minutos.
  6. Adicionar igual volume de PBS + 2% FBS mix suave e camada em cima de Ficoll-Paque.
  7. Repita os passos de Ficoll-Paque centrifugação descrita para o isolamento de PBMC (Seção I).
  8. Contagem das células NK recuperado após purificação e reserve 5x105 células para phenotpying por citometria de fluxo para NK pureza celular (Passo 8).

5. Notas

NOTA 1. Células NK pode ser expandida diretamente de PBMCs, ou de RosetteSep  células purificadas NK. Temos observado a eficiência de expansão semelhante, mas alguns doadores podem ter muito baixo o número de células NK, resultando na purificação dificuldade RosetteSep antes da expansão.

NOTA 2. Rotineiramente usamos CD56-FITC, CD16-PE, e CD3-PE-Cy5 para fenotipagem durante a expansão, enumerando as células NK como aqueles que são CD3-CD16 negativos e ou CD56-positivo.

NOTA 3. A cada troca de mídia ou estimulação, as células ressuspender a 2,5 x 10 5 mL / para manter os números PBMC / NK de células iguais ou abaixo de 2 milhões por mL em estágios de pico de expansão. Isto irá prevenir a depleção de nutrientes e ajudar a alcançar a expansão máxima e sobrevivência.

NOTA 4. A taxa de expansão NK é doador dependentes e no final de estímulos 1 ou 2 parte das células pode ser congelada e parte ampliada ainda mais, dependendo da necessidade experimental. Tivemos um bom sucesso na utilização das células congeladas por expansões em um momento posterior.

NOTA 5. A fim de permitir espaço para erro recomendamos a utilização de um mínimo de 7x10 5 células NK ressuspenso em 700 uls de Nkem e 5 4x10 calceína-AM células-alvo manchada ressuspenso em 4 mL de Nkem para a configuração do ensaio de citotoxicidade. Se estiver usando uma pipeta multicanal para semeadura células-alvo volumes mais altos de células (até 6x10 5 em 6 mL) pode ser necessário com base no tamanho da mídia de bacia a ser utilizado. Também o número de células NK recomendado especificamente para a E: T mostram índices no protocolo, para a utilização de maior E: relações T aumentaro número de células NK por mL em conformidade (por exemplo, para um 40:1 E: T 4x10 uso proporção 6 células / mL)

NOTA 6. Recomendamos realizar uma titulação calceína-AM carregamento preliminar para a linhagem de células-alvo de escolha, utilizando os seguintes diluições de 1:500, 1:400. 1:300, 1:200 e 1:100 para alcançar diferença ideal entre a liberação máxima e espontânea.

NOTA 7. Ao usar uma linha de células aderentes como alvo, primeiro preparar a suspensão única célula usando não enzimático celular buffer de dissociação. Se estiver executando ADCC, prepare um tubo duplicata de células-alvo no CAM-media.

NOTA 8 Se executar ADCC, adicione mesmas células NK a 3 poços correspondentes a 10:1 E:. T para o ADCC. Repita o procedimento para doadores adicionais. Repita o procedimento para as células-alvo adicional.

NOTA 9. Se realizar um experimento ADCC, após 45 minutos de carregamento calceína, adicione 10ug de anticorpos específicos para induzir o ADCC contra as células-alvo. Após mais 15 minutos, lave as células-alvo em meio completo, duas vezes, centrifugação por 5 min a 1200 rpm. Ressuspender as células em 1x10 5 células / mL e prossiga com a próxima etapa do protocolo.

6. RESULTADOS REPRESENTANTE

Figura 2
Figura 2. Quando a expansão é realizada conforme o esquema descrito acima, usando 5x106 PBMCs como matéria-prima, típica das células NK rendimento varia de 1x10 outubro 09-10 células (variabilidade doador dependente). A figura mostra a expansão de células NK vezes (n = 19) em comparação com as células NK presentes no produto original (média + / - quartil).

Figura 3
Figura 3. As células NK expandidas expressar vários receptores de células NK que são comparáveis ​​aos unexpanded principal células NK com algumas exceções (CD11b, CD160 e CD244).

Figura 4
Figura 4. PBMCs recuperação de Buffy coat é doador dependente e pode variar de 6 a 300x10 800x10 6. Células NK pode incluir 2% - 18% das PBMCs. Para a purificação RosetteSep de células expandidas, recuperação de pura células NK no dia 14 faixas de 40-70%. Seguindo o protocolo recomendado de expansão e purificação, a pureza das células NK de 99% pode ser esperado.

Figura 5
Figura 5. Expanded células NK demonstraram citotoxicidade contra uma série de linhagens de células tumorais, incluindo neuroblastoma, AML, osteosarcoma e melanoma (representante matando AML mostrado como lise por cento específico).

Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgements

Os autores gostariam de agradecer Laurence Cooper, Harjeet Singh, e Lenka Hurton por seu trabalho na criação da inicial K562 AAPC e mIL21 vetores de fusão.

Financiamento para este trabalho foi fornecido pelo MD Anderson UT Programa Cientista Médico, a Fundação St. Baldrick, eo Legends of Friendswood.

Materials

Name Company Catalog Number Comments

NK Cell Expansion and Activation Media (NKEM)

90% RPMI 1640 Cellgro
10% Fetal Bovine Serum Gibco
1x Penicillin / Streptomycin Cellgro
1x L-Glutamine Gibco Filter Sterilize media before use.
50 U/ mL IL2 Proleukin, Novartis Vaccines and Diagnostics, Inc) Diluted from a 200 IU/μl stock. Add IL2 to desired amount of media just before use each time.
Name Company Catalog Number Comments

PBMC and NK Cell Isolation

Ficoll-Paque GE Healthcare
Alsever's solution Sigma)
RosetteSep Human NK Cell Enrichment Cocktail Stemcell Technologies)
Name Company Catalog Number Comments

NK Cell Cytotoxicity Assay

Calcein-AM Invitrogen
Name Company Catalog Number Comments

Antibodies

The list of antibodies used for NK cell phenotyping are listed in table below:

Tube 1: (total volume 100)

Antibody: Isotype FITC BD Pharmingen 555748 Volume: 5
Antibody: Isotype FITC BD Pharmingen 555749 Volume: 5
Antibody: Isotype FITC BD Pharmingen 557224 Volume: 5
Antibody: Isotype FITC BD Pharmingen 340442 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 80

Tube 2: (total volume 100)

Antibody: CD56 FITC BD Pharmingen 340410 Volume: 5
Antibody: NKp30 PE BD Pharmingen 558407 Volume: 5
Antibody: NKp44 PE BD Pharmingen 558563 Volume: 5
Antibody: NKp46 PE BD Pharmingen 557991 Volume: 5
Antibody: CD3 PE-Cy5 BD Pharmingen 555341 Volume: 5
Antibody: CD16 Alexa 647 BD Pharmingen 557710 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 70

Tube 3: (total volume 100)

Antibody: CD56 FITC BD Pharmingen 340410 Volume: 5
Antibody: KIR2DL1 PE R&D Systems FAB1844P Volume: 5
Antibody: KIR2DL2/3 PE Miltenyi Biotec 130-092-618 Volume: 5
Antibody: KIR3DL1 PE R&D Systems FAB12251P Volume: 5
Antibody: CD3 PE-Cy5 BD Pharmingen 555341 Volume: 5
Antibody: NKG2D APC BD Pharmingen 558071 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 70

Tube 4: (total volume 100)

Antibody: CD56 FITC BD Pharmingen 340410 Volume: 5
Antibody: CD11b PE BD Pharmingen 555388 Volume: 5
Antibody: CD3 PE-Cy5 BD Pharmingen 555341 Volume: 5
Antibody: CD27 APC BD Pharmingen 558664 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 80

Tube 5: (total volume 100)

Antibody: CD56 FITC BD Pharmingen 340410 Volume: 5
Antibody: CD266 (DNAM-1) PE BD Pharmingen 559789 Volume: 5
Antibody: CD3 PE-Cy5 BD Pharmingen 555341 Volume: 5
Antibody: CD160 Alexa647 eBiosciences 51-1609-42 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 80

Tube 6: (total volume 100)

Antibody: CD56 FITC BD Pharmingen 340410 Volume: 5
Antibody: CD244 (2B4) PE BD Pharmingen 550816 Volume: 5
Antibody: CD3 PE-Cy5 BD Pharmingen 555341 Volume: 5
Antibody: CD197 (CCR7) APC eBiosciences 17-1979-42 Volume: 5
Antibody: FACS Buffer BD Pharmingen Volume: 80

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References

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Comments

8 Comments

  1. I found this video very interesting:) thank you so much for such a wonderful information.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    August 19, 2011 - 2:10 PM
  2. You are very welcome! it was perhaps the most fun I have had in writing a paper :-)
    Let me know if we can be of any help.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    August 19, 2011 - 3:41 PM
  3. Very interesting protocol. Would it be possible to obtain your K56² Cl9 mIL²1 cell line? If so, how should one proceed to make that happen.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    January 23, 2012 - 5:55 AM
  4. We have shared the cell line with many investigators in the US and abroad. Please contact me directly at dalee@mdanderson.org and I can initiate the process. You may also see our recent publication in PLoSONE with more detailed phenotypic and functional analysis using this expansion system at http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0030²64

    Reply
    Posted by: Dean L.
    January 23, 2012 - 9:42 PM
  5. I'm very interested in this ,rencenly I have been searching for data about NK cells,and thank you for sharing the information.

    Reply
    Posted by: zhang y.
    February 28, 2013 - 5:10 AM
  6. I found your article very interesting; and I am sure it will be very useful for my research.
    I have a question: how do you calculate the fold increase in NK-cell numbers, when you start from PBMC?
    Thank you in advance.

    Reply
    Posted by: Uriel M.
    April 7, 2015 - 9:35 PM
  7. Thank you. I will be happy to elaborate on how we calculate fold expansion of NK cells. Please contact me at sssomanchi@mdanderson.org.

    Reply
    Posted by: Srinivas S.
    April 20, 2015 - 5:14 PM
  8. Thank you for this comprehensive video. It was really useful.
    In our lab we made an analogous feeder cell line: derivative of K562 with expression of 4-1BBL and mbIL21. I have performed a set of experiments with donor's PBMC according to your methodology. As a result we have got some problems with viability of donor's cells. So, if it is convenient for you, can we discuss our results in details?

    Reply
    Posted by: Alexandr M.
    March 21, 2017 - 9:48 AM

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