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CRISPR/Cas9技術を使用して、相同性終末結合(HMEJ)DNA修復経路 を介して 、初代ヒトT細胞の大規模なマルチシストロン構造を高効率に標的ノックインするための詳細なプロトコールが提供されています。このcGMP適応型プロトコールで改変されたT細胞は、優れた細胞増殖、細胞毒性、およびサイトカイン産生を維持します。
現在の多くの養子細胞療法は、特定の腫瘍関連抗原を標的とするキメラ抗原受容体(CAR)または外因性T細胞受容体(TCR)の発現のためにT細胞を操作するために、レンチウイルスまたはレトロウイルスベクターに依存しています。治療用T細胞の産生をウイルスベクターに依存すると、製造のタイムライン、コスト、複雑さが大幅に増加し、特に学術的な環境では、新しい治療法の翻訳が制限されます。CRISPR/Cas9と相同性を介した末端結合を使用してT細胞の効率的な非ウイルス工学を行い、大規模なマルチシストロンDNAカーゴの標的統合を達成するためのプロセスが提示されます。このアプローチにより、ウイルスベクターに匹敵する統合頻度を達成し、 in vitro および in vivoの両方で強力な抗腫瘍効果を持つ高機能T細胞が得られます。特に、この方法は、現在の適正製造基準(cGMP)および臨床スケールアップに迅速に適応可能であり、臨床試験で使用する治療用T細胞の製造に短期的な選択肢を提供します。
T細胞は、適応免疫系の重要な構成要素であり、直接的な細胞溶解能力、サイトカインの産生による免疫応答の調節能力、B細胞と樹状細胞のライセンス供与、免疫学的記憶の確立などを持っています1。それらは、免疫発達、恒常性と監視、病原体からの保護、癌からの予防と防御、さらにはアレルギーと自己免疫において重要な役割を果たします1。T細胞は、V(D)J組換えによって生成される多種多様なT細胞受容体(TCR)を有しており、T細胞は膨大な数の抗原を認識し、さまざまな病原体に対して効果的な免疫応答を開始することができます1,2。T細胞は、一般に、B細胞などの他の免疫細胞が免疫応答を調整するのを主に補助するCD4 T細胞(ヘルパーT細胞とも呼ばれる)と、その表面に提示される特定の抗原を認識することにより感染細胞または癌性細胞を直接殺傷するCD8 T細胞(細胞傷害性T細胞)の2つのカテゴリーに分類することができる1。
キメラ抗原受容体(CAR)の開発により、免疫療法のためのT細胞のゲノム工学への関心が大幅に高まっています。CARは、抗体由来の抗原結合ドメインとT細胞シグナル伝達ドメインを融合させる遺伝子操作タンパク質であり、T細胞はCAR3の抗体部分が認識する特異的エピトープを発現する細胞を同定し、標的化することができます。これらの受容体は、感染症や自己免疫など、さまざまな免疫療法に使用されていますが、がんの免疫療法では最も先進的な技術です。
CAR-T細胞は、白血病およびリンパ腫の治療において非常に成功しているが、固形腫瘍の治療に対する有効性は限定的である4,5。これにより、固形腫瘍の適応症に対するCAR-T細胞の有効性を向上させるためのさらなる開発の波が押し寄せています。サイトカインアーマーリング、チェックポイント遺伝子ノックアウト、ドミナントネガティブ受容体、ケモカイン受容体、1つの細胞内で複数のCARを発現すること、細胞内シグナル伝達を強化するためのCARの修飾、および枯渇を防ぐための宿主調節メカニズムを利用するための所定の遺伝子座(TRAC遺伝子座など)への統合など、複数のアプローチが開発されてきた6,7,8.これらのアプローチの多くは、より大きな遺伝的貨物および/または部位特異的な統合を必要とします。代替アプローチには、トランスジェニックTCRを使用してT細胞が細胞内ネオアンチゲンを標的にできるようにすることも含まれる9,10。しかし、これには、TCRがネオアンチゲンエピトープとHLA分子の両方に対する特異性を持つ必要があるという重大な欠点があり、最終的な治療薬の使用は同族HLAを発現する患者に限定されます。さらに、多くの腫瘍は免疫療法に応答してHLA発現を変化または減少させ、トランスジェニックTCRを発現するT細胞の有効性を大幅に低下させる11。
臨床試験中のほとんどのCAR-TまたはTCR-T細胞療法は、レンチウイルスやガンマレトロウイルスなどのレトロウイルスベクターを使用して製造されており、中サイズのカーゴとの高い統合頻度を達成しています。しかし、ウイルスベクターは、現在の適正製造基準(cGMP)要件と非特異的な統合プロファイルにより、挿入突然変異誘発のリスクを生み出すため、製造スケジュールが長くなります12,13。さらに、貨物が5kbを超えると、トランスジェニックレトロウイルスを高力価で産生することが困難になる可能性があります14。組換えアデノ随伴ウイルス(rAAV)に由来するベクターなどの他のベクターは、自然には統合されませんが、DNAドナーテンプレートを核にシャトルすることができ、CRISPR/Cas9と組み合わせて使用することで、従来の相同性組換え(HDR)を介したゲノムエンジニアリングを容易にすることができます。しかし、これらのウイルスは、長くて複雑な生産ワークフローも有し、カーゴサイズ(<4.7 kb)や長い相同性アーム(500-1000 bp)を含める必要性によって制限されます15,16,17,18。
トランスポゾンまたは標的ヌクレアーゼとDNAドナーテンプレートの組み合わせを用いた非ウイルス性ゲノム改変は、初代ヒトリンパ球8,19,20で報告されている。しかし、これらのアプローチは、リンパ球21に発現する細胞質DNAセンサーによる認識に続く、細胞質内の裸のDNA分子に対する毒性応答によって制限される。トランスフェクション中にこれらのDNAセンシング経路の低分子阻害剤を使用する試みがなされてきたが、これらの経路の冗長性は、cGMPプロトコル22におけるそれらの使用を複雑にする可能性があります。特に、Sleeping Beauty、PiggyBac、Tc Busterなどのトランスポゾンベクターは、大きな遺伝子カーゴを高効率で統合することを可能にするが、非特異的な統合プロファイルを有する23,24。プラスミド、直鎖、または一本鎖DNAテンプレートとHDRの標的ヌクレアーゼを組み合わせた非ウイルス性標的導入遺伝子の統合は、魅力的な代替手段ですが、特に遺伝子カーゴがますます大きくなる場合、効率の低さによって制限されており、1.5 kbを超えるカーゴを使用した場合の効率は10%未満であると報告されています8,19。
ここでは、Webber, Johnsonらに記載されているように、初代ヒトT細胞における大きなDNAペイロードの非ウイルス性相同性末端結合(HMEJ)挿入のための段階的なプロトコールを紹介します。25. HMEJは、Cas9 gRNAターゲットサイトに挟まれた短い48 bpのホモロジーアームを利用して、従来のHDRと比較して、大きなDNAカーゴの高効率なターゲット統合を可能にします。初代T細胞におけるプラスミドDNAの細胞毒性を低減する1つの方法は、ミニサークルやナノプラスミド25のような最小のバックボーンを持つプラスミドを用いることである。ミニサークルは、プラスミド増幅後の組換えにより複製起源と抗生物質耐性遺伝子を切除することによって作製される小型プラスミドベクターです。それらは、T細胞の非ウイルス工学を改善し、細胞毒性を減少させることが示されています23,24。ナノプラスミドはまた、最小限の複製起点および非伝統的な選択マーカー26の使用によって達成される全体的なサイズを縮小している。私たちの経験では、minicircleおよびnanoplasmid vector platformは、従来のプラスミドと比較して、同等の効率改善と毒性の低減を実現します25。
ここでは、試薬送達と試薬組成の時間的最適化、HMEJおよびCRISPR/Cas9を使用した高有効性の相乗効果、免疫療法やその他のさまざまなアプリケーションで使用するための大きな(>6.3 kb)マルチシストロンDNAテンプレートを持つ初代ヒトT細胞の部位特異的ゲノムエンジニアリングを実現する詳細なプロトコールを紹介します25.我々は、1 kbのホモロジーアームを使用する従来のHRよりも、特に遺伝的カーゴ>1.5 kb25,27を用いて、HMEJおよび48 bpホモロジーアームとのより高い統合を達成します。重要なことに、HMEJ修復によって操作されたT細胞は、優れた細胞増殖、細胞毒性、およびサイトカイン産生を保持しながら、消耗していない表現型を保持します25。このプロトコルは、cGMP標準に容易に適応でき、臨床的に関連性のある細胞数に拡張可能であるため、さまざまな臨床試験での将来の使用に迅速に移行することができます25。
すべての実験は、血液媒介病原体に対する普遍的な予防策、滅菌/無菌技術、個人用保護具、および適切なバイオセーフティレベル2(BSL2)装置を使用して行われました。ここで説明するすべての実験は、ミネソタ大学の機関バイオセーフティ委員会(IBC)によって承認されました。本試験で使用した試薬および装置の詳細は、 材料表に記載されています。
1. 培地の準備
2. ノックインサイトの選択とテンプレートのデザイン
3. T細胞の単離と活性化
4. T細胞工学
ここでは、「Giant Minicircle」コンストラクトと呼ばれる大きな(>6.3 kb)マルチシストロニックテンプレートを、CRISPR/Cas9編集を使用して初代ヒトT細胞の TRAC 遺伝子座に統合しました。TRAC特異的gRNA(TCTCTCAGCTGGTACACGGC)、UgRNA、およびHMEJナノプラスミド(図2A)で、 TRAC特異的gRNA、ユニバーサルgRNA、およびCas9 mRNAをネガティブコントロールとして使用した状態。Giant Minicircleコンストラクト、 TRAC特異的gRNA、ユニバーサルgRNA、Cas9 mRNAを含むサンプルは、GFP発現の測定時の平均ノックイン率が23.35%(23.5%±5.247)でしたが、ネガティブコントロールではGFP発現は見られませんでした(図2B)。実験条件間で倍率拡大(図2C)と生存率(図2D)に有意差はありませんでした。これらの結果は、非常に大きなテンプレートの高効率ノックインが、優れた細胞生存率と細胞増殖を維持しながら実証されています。
図1:HMEJコンストラクト設計の概略図。 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。
図2:巨大なミニサークルコンストラクトでエレクトロポレーションしたT細胞の特性評価。 (A)ジャイアントミニサークルコンストラクトの概略図、GSGリンカー、抗CD19 CAR、およびMNDプロモーターの下でDHFRミューテインとeGFPを備えたTRACプロモーターの下で抗メソセリンCARおよびRQR8をコードする大きな(>6.3 kb)マルチシストロニックテンプレート。(B)エレクトロポレーションの9日後にGiant MinicircleコンストラクトとCRISPR-Cas9試薬を使用したT細胞のRQR8発現率、(C)倍増拡大、および(D)生存率を、CRISPR-Cas9試薬を含まないGiant Minicircleでエレクトロポレーションしたネガティブコントロールと比較しました。(***p < 0.001)。 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。
プレートサイズ | キュベット容量 | 細胞/ウェル | リカバリメディアの容量 | NAC付き1x TCMのボリューム | 合計最終ボリューム |
24ウェルプレート | 22/22 μL | 1-3×106 | 300μL | 680μL | 1 mLの |
6ウェルプレート | 100/110 μL | 4-20×106 | 1 mLの | 2.9ミリリットル | 4ミリリットル |
24ウェルG-Rexプレート | 20-110μL | 1-20×106 | 400μL | 5.6ミリリットル | 6ミリリットル |
表1:キュベットとリカバリープレートの細胞濃度。
キュベットサイズ | テンプレートプラスミド | 標的部位のgRNA | プラスミド直鎖化gRNA | Cas9 mRNA |
20μL | 1-2 μg (1 μg) | 1-3 μg (1 μg) | 1-3 μg (1 μg) | 1-3 μg (1.5 μg) |
100μL | 5-10 μg (5 μg) | 5-15 μg (5 μg) | 5-15 μg (5 μg) | 5-15 μg (5 μg) |
表2:必要なCRISPR/Cas9試薬とDNAテンプレートの量。
養子細胞療法(ACT)が進化し続ける中、ウイルスベースのベクターに伴う高コストと複雑さを伴わずに免疫細胞を操作するための効率的な非ウイルス性方法に対する需要が高まっています。この分野での主な目標は、サイトスペシフィックな統合を達成し、人工細胞製品の一貫性、安全性、機能を向上させることです。最近の研究では、レポーター遺伝子や単一のCARまたはTCR配列29などの小さな遺伝子コンストラクトの非ウイルス性統合が成功裏に実証されていますが、これらの方法をより大型の多重遺伝子発現カセットに拡張する必要があります。これらの大型カセットは、ケモカイン受容体やサイトカインアーマーリングの追加など、免疫細胞の機能を強化したり、特異性を向上させたり(ロジックゲートシステムなど)、キルスイッチによる安全性を高めたりするために必要です。この目的のために、我々は、より大きな遺伝的カーゴを効率的に部位特異的に統合することができる非ウイルス性アプローチの開発を目指した25。
プロトコル全体には、いくつかの重要なステップがあります。毒性を最小限に抑えるためには、高品質でクリーンなナノプラスミドまたはミニサークルが必要です。この研究では、市販のプラスミドが最高のパフォーマンスを発揮しました。T細胞の活性化からエレクトロポレーションまでの36時間の期間も、理想的な結果を得るために重要です。また、エレクトロポレーション直後の細胞の取り扱いや操作を最小限にすることで、細胞が回復することも重要です。また、エレクトロポレーション後に新しいT細胞活性化ビーズを培養物に再添加して、可能な限り最高のカーゴ統合頻度と細胞増殖を達成することも重要です。
本明細書に記載されているように、プロトコールは、市販のエレクトロポレーションシステムを使用します( 材料の表を参照)。他のエレクトロポレーションシステムも適しているかもしれませんが、デバイス固有のエレクトロポレーション条件の最適化や、場合によってはエレクトロポレーション後のセルの取り扱いが必要になる可能性があります。
HMEJが介在するヒトT細胞の工学には、いくつかの制限があります。このプロトコルはプラスミドで機能しますが、最適な結果を得るには、貨物の配送にナノプラスミドまたはミニサークルを使用する必要がありますが、これらは標準的なプラスミドほど製造が容易ではありません。さらに、非常に大きなマルチシストロニックカセットの組み込みが成功したことが実証されていますが、遺伝子統合の頻度が低下し始めるカーゴの上限がある可能性があります。
この研究では、HMEJが、特にがん免疫療法の文脈において、操作されたT細胞を産生するための強力で効率的な非ウイルス性ゲノム工学法として紹介されています。従来のウイルスベクターの限界を克服することにより、このアプローチは、機能を強化した遺伝子改変T細胞を生成するための費用対効果が高く、スケーラブルで、より安全な代替手段を提供します。大型の多重遺伝子カセットを精密に統合する能力は、がん、感染症、自己免疫疾患などの幅広い疾患を治療するための免疫細胞のエンジニアリングに新たな可能性を開きます。さらに、HMEJ法は臨床グレードの製造プロセスとの互換性があるため、実際の治療環境での実用化が保証され、近い将来、よりアクセスしやすく効率的な細胞ベースの治療への道が開かれます。
B.R.W.とB.S.M.は、この原稿の研究を支援するためにIntima Biosciencesが資金提供するスポンサー付き研究契約の主任研究者です。この原稿で概説されている方法とアプローチをカバーする特許が出願されています。
B.R.W.は、Office of Discovery and Translation、NIH助成金R21CA237789、R21AI163731、P01CA254849、P50CA136393、U54CA268069、R01AI146009、国防総省助成金HT9425-24-1-1005、HT9425-24-1-1002、HT9425-24-1-0231、およびChildren's Cancer Research Fund、Fanconi Anemia Research Fund、Randy Shaver Cancer and Community Fundからの資金提供を認めています。B.S.M.は、Office of Discovery and Translation、NIHの助成金R01AI146009、R01AI161017、P01CA254849、P50CA136393、U24OD026641、U54CA232561、P30CA077598、U54 CA268069、国防総省の助成金HT9425-24-1-1005、HT9425-24-1-1002、HT9425-24-1-0231、およびChildren's Cancer Research Fund、Fanconi Anemia Research Fund、Randy Shaver Cancer and Community Fundからの資金提供を認めています。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetic Acid | Millipore Sigma | A6283 | |
1x DPBS, no calcium, no magnesium | Thermo Fisher Scientific | 14190144 | |
2.5% CTS Immune Cell Serum Replacement | Thermo Fisher Scientific | A2596101 | |
Amaxa P3 Primary Cell 4D-Nucleofactor X Kit L | Lonza | V4XP-3024 | |
Amaxa P3 Primary Cell 4D-Nucleofactor X Kit S | Lonza | V4XP-3032 | |
Bovine Serum Albumin | Thermo Fisher Scientific | 15561020 | |
Chemically Modified Guide RNAs | Integrated DNA Technologies | na | Custom design |
CleanCap Cas9 mRNA | Trilink | L-7206 | |
CTS OpTmizer T cell Expansion Media SFM +OpTmizer T cell Expansion Supplement | Thermo Fisher Scientific | A1048501 | |
DNase I | Stem Cell Technologies | 07900 | |
Dynabeads Human T-Activator CD3/CD28 | Thermo Fisher Scientific | 11141D | |
DynaMag-2 | Thermo Fisher Scientific | 12321D | |
Human IL15 | PeproTech | 200-15 | |
Human IL2 | PeproTech | 200-02 | |
Human IL7 | PeproTech | 200-07 | |
L-Glutamine | Thermo Scientific | 25030081 | |
Lonza 4D nucelofector Core | Lonza | AAF-1003B | |
Lonza 4D nucelofector X Unit | Lonza | AAF-1003X | |
Minicircle | System Biosciences | MN910A-1 | Custom design |
N-Acetyl-L-cysteine | MiliporeSigma | A9165 | |
Nanoplasmid | Aldevron | na | Custom design |
Penicillin/Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15-140-122 |
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