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应用文章 | 使用脂质纳米颗粒对人类原代 T 细胞进行基因编辑

2023-03-31     来源:本站     点击次数:1034

 

嵌合抗原受体 (CAR) 在 T 细胞上的表达将患者的细胞转化为基于细胞的癌症疗法,并彻底改变了当今的癌症治疗格局。尽管这项技术取得了成功,并获得了业界的积极响应,但市场对于借助 CRISPR/Cas 介导的基因编辑技术实现更复杂基因工程的需求日益高涨。复杂基因工程的应用包括:破坏肿瘤微环境所利用的抑制途径、提高 CAR T 细胞的效率4,5和使用同种异体供体生产通用 CAR T 细胞。业界迫切希望在下一代 T 细胞疗法中同时实现基因编辑和转基因表达,这凸显了在细胞功能、细胞产量、生产简化和放大工艺中发挥关键作用的遗传物质递送方法的重要性

 

一种有前景的新型 T 细胞工程方法是,使用 RNA 来表达治疗性蛋白质和基因编辑核酸酶。RNA 通常通过电穿孔递送至细胞,但在多步基因工程中使用连续电脉冲时,需要在效率和细胞活力之间进行仔细权衡。脂质纳米颗粒 (LNP) 则无需进行这种权衡,使其成为一种具有吸引力的 RNA 递送替代方法。LNP 是完全合成的脂质配方,用于在将 RNA 递送到细胞之前对其进行包封和保护。目前,LNP 的生产已经成熟,并且可放大用于大规模基因递送和基因编辑,而这是满足当下和未来临床需求的关键。RNA-LNP 复合物在结构上与低密度脂蛋白 (LDL) 类似,并可以利用 LDL 的内源性摄取途径,通过受体介导的内吞作用进入细胞。这种温和的摄取机制能够成功地进行 T 细胞基因工程,同时保持高细胞活力

在本文中,我们报告了一种使用 GenVoy-ILM T Cell Kit for mRNA 对 T 细胞进行连续基因工程的新型方法。我们利用优化的生产工作流程来递送各种RNA(图 1)。在本案例研究中,我们介绍了 CRISPR/Cas9 介导的 T 细胞受体 (TCRɑβ) 敲除 (KO) 技术,并探讨了使用多步 LNP 工程(一种有前景的同种异体 CAR T 细胞疗法)来产生 TCRɑβ KO CAR T 细胞。我们还详细描述了 LNP 生产和细胞培养处理方案,以及 T 细胞基因编辑的优化策略,以确保使用 GenVoy-ILM T Cell Kit for mRNA 成功进行基因工程。

图 1.使用脂质纳米颗粒对人类

原代 T细胞进行基因编辑。

基因敲除是通过递送 Cas9 mRNA 和合成向导RNA (sgRNA) 实现的。在递送和翻译后,Cas9 蛋白和 sgRNA 在细胞内结合,并穿梭到细胞核中进行靶基因的双链断裂。如果没有 DNA 供体模板,绝大多数断裂会通过易突变的非同源末端连接 (NHEJ) 进行结合,从而永久性敲除靶蛋白。

原代 T 细胞的基因编辑可以通过许多酶来实现,包括转录激活因子样效应核酸酶 (TALEN)、锌指核酸酶 (ZFN) 和成簇的规则间隔短回文重复序列 (CRISPR) Cas9。其中,CRISPR/Cas9 因易于进行靶标选择和优化而越来越受欢迎。在 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑中,Cas9 蛋白通过向导RNA被导向靶DNA,并诱导双链断裂,这些断裂大多通过非同源末端连接 (NHEJ) 修复。RNA 导向的CRISPR/Cas9 系统能够灵活地进行靶标选择和多重基因编辑,为 CAR T 细胞治疗创造了巨大的潜力

传统上,病毒载体用于 T 细胞工程,但存在几个限制,包括有限的包载量、不良免疫反应和高生产成本。为了避免病毒载体的这些缺点,电穿孔的使用日益普及;然而,如上所述,同时实现基因编辑和蛋白质表达所需的连续电脉冲可能对细胞有害。这会降低细胞活力和产量,造成基因失调,并增加细胞衰竭标记基因的表达。

尽管 LNP 相关研究的数量有限,但 Billingsley 等人的两项近期研究表明,与电穿孔和/或慢病毒转染相比,原代 T 细胞中 LNP 介导的 CD19 CAR mRNA 表达具有同等的肿瘤杀伤效力。

GenVoy-ILM™ T Cell Kit for mRNA 提供了一种临床相关、可放大的 LNP 基因编辑方法,以推进细胞治疗领域的发展,其利用的LNP技术也是变革新冠肺炎mRNA疫苗开发工作的强大技术。这项工作旨在展示 LNP 在治疗性蛋白表达和先进 T 细胞工程中的强大作用。我们对用于包封商用 Cas9 mRNA 和向导 RNA (sgRNA) 的 LNP 的封装、包载比率和多导向组合进行了优化。此外,我们展示了 LNP 可以无缝整合到标准原代 T 细胞培养工作流程中,以及多次 LNP 添加如何产生基因编辑的 CAR T 细胞。借助 NanoAssmblr® Spark 微流控平台,这些研发规模的 RNA-LNP 在不到 5 分钟的时间内产生,并直接添加到细胞中。

这项工作表明,使用 GenVoy-ILM T Cell Kit for mRNA 生产的 LNP 能够高效地进行靶标敲除(两个 sgRNA 为 80 ± 8%)和 CAR 蛋白表达 (91 ± 5%),同时保持高细胞活力 (> 90%)。所得的基因编辑 CAR T 细胞与白血病细胞共培养,并显示出效的靶标特异性杀伤作用,而基因编辑本身对治疗潜力没有负面影响。

图 2.原代 T 细胞基因编辑和多步工程工作流程。


第 1 天 - 解冻并活化冻存的人类原代 Pan T 细胞。第 1-4 天 – 生产 LNP,评估 RNA 包封效率以确定剂量。第 4 天 - 活化的 T 细胞与基因编辑 RNA-LNP 一起孵育。第 4-11 天 - 细胞扩增以增加细胞数量用于随后的实验。第 13 天 - 用 CAR mRNA-LNP 处理基因编辑细胞,表达治疗性抗 CD19 CAR 蛋白。第 14 天 – CAR 处理后约 24 小时,进行针对肿瘤靶标的细胞毒性试验。
 

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