王歡禹 常昊宛 章崇祺 金衛(wèi)林 魏芳
(上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,上海 200240)
嵌合抗原受體T細(xì)胞治療(chimeric antigen receptor T cell therapy,CAR T cell therapy)是目前較為有效的腫瘤免疫治療方法,主要是通過(guò)慢病毒等方式改造病人外周血中分離的T細(xì)胞,獲得表達(dá)特異性嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)的T細(xì)胞,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的特異性治療[1]。嵌合抗原受體是將識(shí)別腫瘤相關(guān)抗原(tumor-associated antigen,TAA)的單鏈抗體(single chain antibody fragment,scFv)、跨細(xì)胞膜錨定序列以及T細(xì)胞的活化序列在體外進(jìn)行基因重組而成的人工融合基因。它能夠?qū)⒖贵w對(duì)腫瘤抗原的高親和性和T淋巴細(xì)胞的殺傷機(jī)制相結(jié)合,使其能特異性地識(shí)別和殺傷腫瘤細(xì)胞[2]。與T細(xì)胞抗原受體(T cell receptor,TCR)不同,CAR可以不依賴于主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex,MHC)的識(shí)別,高度特異性地靶向抗原[3]。迄今為止,CAR T細(xì)胞在血液惡性腫瘤的治療療效顯著。2017年8月,F(xiàn)DA批準(zhǔn)使用靶向CD19的CAR(Kymriah)治療小兒復(fù)發(fā)或難治性急性淋巴細(xì)胞白血?。ˋLL);同年10月,F(xiàn)DA批準(zhǔn)了另一種靶向CD19的CAR(Yescarta)用于治療成人復(fù)發(fā)或難治性大B細(xì)胞淋巴瘤。此外,歐洲藥品管理局(EMA)也于2018年6月批準(zhǔn)了這兩種藥物的使用。然而對(duì)實(shí)體瘤的CAR T細(xì)胞治療的療效尚待進(jìn)一步的研究及提高[4],而決定這一療法成功與否的關(guān)鍵因素之一就是選擇合適的腫瘤標(biāo)志性抗原為靶點(diǎn)。目前在實(shí)體瘤中在實(shí)驗(yàn)及臨床前對(duì)多個(gè)靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的靶向CAR T治療[5-6]。隨著人們對(duì)不同腫瘤類型的更深入了解,更多靶向腫瘤特異抗原的CAR T也在不斷涌現(xiàn)。這些靶向腫瘤特異的標(biāo)志性抗原的新型CAR-T細(xì)胞,需要使用敏感的CAR分子檢測(cè)方法對(duì)CAR-T細(xì)胞染色及鑒定以確定其有效性。
當(dāng)前最常見(jiàn)的CAR分子檢測(cè)方法包括熒光染色流式細(xì)胞檢測(cè)[7]、與CAR蛋白共表達(dá)的熒光蛋白流式細(xì)胞檢測(cè)[8]、qPCR檢測(cè)CAR載體在基因組中整合的頻率等[9]。但這3類檢測(cè)方法之間的敏感性和適用性的系統(tǒng)性比較研究目前尚不多見(jiàn)。同時(shí)對(duì)處于研發(fā)階段的新型CAR分子中單鏈可變區(qū)部分的輕鏈重鏈排布的順序和靶向同一位點(diǎn)的不同CAR分子是否會(huì)對(duì)不同檢測(cè)方法的結(jié)果有所影響,以及檢測(cè)方法的選擇還需在同一水平進(jìn)行試驗(yàn),提供系統(tǒng)化的參考。
因此,本文使用多種CAR分子(包括正在研發(fā)階段的4種新型CAR分子)對(duì)這些方法之間的敏感性和適用性進(jìn)行比較。對(duì)6種分別靶向多種腫瘤過(guò)表達(dá)的間皮素(mesothelin)及肝細(xì)胞生長(zhǎng)因 子 受 體(mesenchymal-epithelial transition factor,MET),膠質(zhì)瘤中高表達(dá)的異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)廣譜點(diǎn)突變蛋白[10](IDH1 R132H)(基于靶向同一位點(diǎn)R132H兩種不同scFv序列),以及原發(fā)性滲出性淋巴瘤(primary effusion lymphoma,PEL)過(guò)表達(dá)的 IL-4Rα[11-12](包含同一scFV的輕重鏈不同排列順序,即HL代表N端-重鏈-輕鏈-C端,LH代表N端-輕鏈-重鏈-C端)的CAR分子在Jurkat細(xì)胞的表達(dá)水平逐一評(píng)估,為后續(xù)新型CAR分子鑒定提供參考。
1.1.1 細(xì)胞株、菌株和質(zhì)粒 大腸桿菌感受態(tài)菌株Stbl3;人外周血T淋巴細(xì)胞Jurkat細(xì)胞系;慢病毒表達(dá)質(zhì)粒和慢病毒包裝質(zhì)粒均由本實(shí)驗(yàn)室保存。
1.1.2 試劑及儀器 去內(nèi)毒素質(zhì)粒中提試劑盒購(gòu)自O(shè)mega公司;胎牛血清購(gòu)自Biological Industries公司;RPMI 1640細(xì)胞培養(yǎng)基和Opti-MEM購(gòu)自Thermo Fisher Scientific 公司 ;BamH I、Xba I、Sal I、Avr II和T4 DNA連接酶購(gòu)自NEB公司;Biotin-protein L購(gòu)自金斯瑞生物科技有限公司;Biotin-SP Goat Anti-Mouse IgG、Biotin-SP Rabbit Anti-Human IgG購(gòu)自美國(guó)Jackson ImmunoResearch公司;PE-Streptavidin購(gòu)自BD公司;DNA純化回收試劑盒購(gòu)自天根生化科技有限公司;BSA購(gòu)自生工生物;引物合成和測(cè)序由北京擎科生物科技有限公司上海分公司完成;實(shí)驗(yàn)所需的主要儀器包括CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱、C6流式細(xì)胞儀、qPCR儀、低溫冷凍離心機(jī)、搖床等。
1.2.1 六種新型CAR分子表達(dá)載體構(gòu)建 構(gòu)建Meso-BBζ(靶向 Mesothelin)、Met-BBζ(靶向 Met)、CAR1-2-BBζ-GFP( 靶 向 IDH1 R132H)、CAR2-4-BBζ-GFP( 靶 向 IDH1 R132H)、Dupixent HL-BBζ-GFP(靶向 IL-4Rα)、Dupixent LH-BBζ-GFP(靶向IL-4Rα)6種CAR分子表達(dá)載體。
1.2.2 慢病毒包裝及感染 將表達(dá)6種CAR的載體DNA與病毒包裝質(zhì)粒共轉(zhuǎn)染入293T細(xì)胞,培養(yǎng)24 h和48 h時(shí)收集細(xì)胞培養(yǎng)液,高速離心濃縮。使用24 h和48 h的病毒感染Jurkat細(xì)胞系,得到穩(wěn)定表達(dá)CAR的6種Jurkat細(xì)胞。
1.2.3 流式抗體染色及檢測(cè)[7]取1 × 106個(gè)細(xì)胞,預(yù)冷的 1 × PBS(含 4% BSA)洗 3次,100 μL重懸,加入0.5 μg Biotin-protein L(Biotin-SP Goat Anti-Mouse IgG/Biotin-SP Rabbit Anti-Human IgG 5 μg),4℃,45 min;預(yù)冷的1 × PBS(含4% BSA)洗3次,50 μL 重懸,加入 2 μL PE-Streptavidin,避光 4℃,15 min;預(yù)冷的1 × PBS(含4% BSA)洗3次,流式細(xì)胞儀檢測(cè)。
1.2.4 實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè) 絕對(duì)定量[13]:選擇CAR載體上WPRE(woodchuck hepatitis virus posttranscriptional regulatory element)基因?yàn)槎繖z測(cè)基因,ALB(albumin)基因?yàn)閮?nèi)參基因。制備標(biāo)準(zhǔn)品的基因片段,標(biāo)準(zhǔn)品PCR引物:ALB,F(xiàn)- AGGCCATATTCAGTAGAAAAAGATG,R-TGGGGAGGCTATAGAAAATAAGG;WPRE,F(xiàn)-ACAGCCACCAAGGACACCTAC,R-GAAGGAAGGTCCGCTGGATTGA。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品基因片段濃度,將標(biāo)準(zhǔn)品成比例稀釋成4個(gè)梯度,計(jì)算每微升標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒的拷貝數(shù),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行梯度濃度稀釋,取4個(gè)不同稀釋比例(102-108拷貝)的標(biāo)準(zhǔn)品,標(biāo)準(zhǔn)品與細(xì)胞基因組樣品同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR,每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品梯度和每一個(gè)樣品均設(shè)置兩個(gè)重復(fù),得到標(biāo)準(zhǔn)品和樣品的循環(huán)閾值,計(jì)算循環(huán)閾值的平均值。并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)品的Ct值和拷貝數(shù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,將待測(cè)樣品的Ct值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算獲得待測(cè)樣品的WPRE 和Alb的拷貝數(shù)[13]。從而計(jì)算每個(gè)細(xì)胞整合的慢病毒數(shù)目,計(jì)算公式為:每個(gè)細(xì)胞CAR分子的拷貝數(shù)=(WPRE基因拷貝數(shù)均值/ALB基因均值)×2,進(jìn)而推測(cè)CAR分子表達(dá)水平。相對(duì)定量:以Jurkat-Dupixent-HL-GFP細(xì)胞作為標(biāo)準(zhǔn)品,將Jurkat-Dupixent-HLGFP細(xì)胞用Jurkat細(xì)胞混合稀釋成不同綠色熒光蛋白表達(dá)比例的細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)品,選擇綠色熒光蛋白表達(dá)比例分別為0(Jurkat)、20%、40%、60%的標(biāo)準(zhǔn)品梯度。每一個(gè)梯度和樣品細(xì)胞分別取1.5×106個(gè)細(xì)胞提取基因組,進(jìn)行WPRE基因的實(shí)時(shí)熒光定量PCR,內(nèi)參基因是ALB,每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品梯度和每一個(gè)樣品均設(shè)置兩個(gè)重復(fù),得到標(biāo)準(zhǔn)品和樣品的循環(huán)閾值,計(jì)算循環(huán)閾值的平均值。計(jì)算得到WPRE相對(duì)于ALB基因的相對(duì)表達(dá)量,根據(jù)GFP比例和WPRE基因的相對(duì)表達(dá)量繪制曲線,將待測(cè)樣品的WPRE基因的相對(duì)表達(dá)量代入標(biāo)準(zhǔn)曲線,可以確定CAR是否在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)以及大致表達(dá)水平。
成功構(gòu)建6種帶有CAR分子的慢病毒載體。后4種CAR分子為新型的CAR分子,故構(gòu)建其與綠色熒光蛋白GFP通過(guò)T2A系統(tǒng)同時(shí)表達(dá)的載體(圖1)。對(duì)CAR載體進(jìn)行雙酶切(圖2)及測(cè)序驗(yàn)證,確證其構(gòu)建的正確性(圖3)。
圖2 CAR載體酶切圖Fig. 2 Map of restriction enzyme digestion of CAR vectors
圖3 CAR分子scFv段測(cè)序圖譜(部分)Fig. 3 Sequencing profiles of scFv segments in CAR molecules(partial)
包裝慢病毒并感染Jurkat細(xì)胞,獲得表達(dá)不同CAR分子的Jurkat細(xì)胞,即Jurkat-Meso,Jurkat-Met,Jurkat-CAR1-2-GFP,Jurkat-CAR2-4-GFP,Jurkat-Dupixent-HL-GFP 和 Jurkat-Dupixent-LH-GFP。流式細(xì)胞儀檢測(cè)不同染色方法所示的CAR表達(dá)水平(圖4)。分別計(jì)算IgG抗體染色和蛋白質(zhì)L染色平均熒光強(qiáng)度(MFI),如圖5所示。從平均熒光強(qiáng)度和陽(yáng)性率來(lái)看,兩種方法的配對(duì)t檢驗(yàn)分析,均有顯著性差異(P值均為0.031 3),IgG抗體染色較優(yōu)。表明IgG抗體染色較蛋白質(zhì)L染色陽(yáng)性峰偏移程度更高,對(duì)CAR分子的反應(yīng)靈敏性更高,染色效果好。
圖4 流式細(xì)胞儀檢測(cè)CAR表達(dá)結(jié)果Fig. 4 Results of CAR expression detected by flow cytometry
圖5 兩種染色方法平均熒光強(qiáng)度及陽(yáng)性率比較Fig. 5 Comparison of two staining methods shown as average fluorescence intensity and positive percentage
對(duì)于Jurkat-CAR1-2-GFP,Jurkat-CAR2-4-GFP,Jurkat-Dupixent-HL-GFP和Jurkat-Dupixent-LH-GFP四種細(xì)胞,IgG抗體染色和蛋白質(zhì)L染色法檢測(cè)效率低,靶向同一位點(diǎn)的不同scFv序列以及同一scFv序列的不同輕重鏈排布的樣品均沒(méi)有顯示染色優(yōu)勢(shì)。對(duì)熒光法染色檢測(cè)不可行的CAR分子,GFP共表達(dá)的水平可體現(xiàn)編碼CAR分子的慢病毒在細(xì)胞的感染效率。
PCR得到ALB和WPRE基因片段(圖6)。在絕對(duì)定量法中,建立標(biāo)準(zhǔn)品起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)值和循環(huán)閾值的標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖7)。標(biāo)準(zhǔn)品(按100倍稀釋)WPRE拷貝數(shù)與循環(huán)閾值作圖,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線y=-4.016 9x+40.018(R2為0.995 4);標(biāo)準(zhǔn)品(按100倍稀釋)ALB拷貝數(shù)與循環(huán)閾值作圖,標(biāo)準(zhǔn)曲線y=-4.071x+38.493(R2為0.994 9)。根據(jù)樣品循環(huán)閾值計(jì)算得到樣品WPRE和ALB基因的拷貝數(shù),繼而得到每個(gè)細(xì)胞整合CAR拷貝數(shù)。其中,無(wú)法用IgG抗體和蛋白質(zhì)L染色法檢測(cè)的表達(dá)4種新型CAR分子Jurkat細(xì) 胞 :Jurkat-CAR1-2-GFP,Jurkat-CAR2-4-GFP,Jurkat-Dupixent-HL-GFP和Jurkat-Dupixent-LHGFP中每個(gè)細(xì)胞平均整合的CAR分子拷貝數(shù)分別為0.36、0.66、3.50、3.29。
圖6 PCR片段DNA標(biāo)準(zhǔn)品的瓊脂糖凝膠電泳圖Fig. 6 Agarose gel electrophoresis profile of the standard DNA samples by PCR
圖7 標(biāo)準(zhǔn)品標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(絕對(duì)定量法)Fig. 7 Standard curve diagrams of standard samples(absolute quantitative method)
在相對(duì)定量法中,Jurkat-Dupixent-HL-GFP細(xì)胞按綠色熒光蛋白表達(dá)比例加入對(duì)照J(rèn)urkat細(xì)胞制備標(biāo)準(zhǔn)品梯度,與樣品同時(shí)提取基因組,進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR,建立不同綠色熒光蛋白表達(dá)比例和WPRE相對(duì)表達(dá)量之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖8),得到R2為0.997 7的標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.988 9x+0.239 8。根據(jù)樣品基因組中WPRE相對(duì)表達(dá)量,計(jì)算得到綠色熒光蛋白表達(dá)比例(CAR分子表達(dá)比例),可以推測(cè)CAR分子的表達(dá)水平,結(jié)果見(jiàn)圖9。
圖8 HL-GFP百分比與WPRE相對(duì)表達(dá)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖(相對(duì)定量法)Fig. 8 Standard curve of the percentage of HL-GFP and the relative expression of WPRE(relative quantitative method)
將定量qPCR法與GFP共表達(dá)的結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)兩種不同策略之間有一定的對(duì)應(yīng)性,且進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)分析,相對(duì)定量法與綠色熒光蛋白共表達(dá)法的結(jié)果沒(méi)有明顯差異,即在標(biāo)準(zhǔn)曲線所示的范圍內(nèi),WPRE基因含量越高,編碼CAR分子的病毒轉(zhuǎn)染效率越高。由此樣品基因組中WPRE基因含量在一定程度上反映了編碼CAR分子的病毒轉(zhuǎn)染效率(圖 9)。
圖9 四種新型CAR分子3種不同檢測(cè)方法的比較圖Fig. 9 Comparison of 3 different methods in detecting 4 novel CAR molecules
從適用性、直觀性等方面比較5種實(shí)驗(yàn)方法(表1),綠色熒光蛋白與CAR分子共表達(dá)的流式細(xì)胞檢測(cè)法、相對(duì)定量和絕對(duì)定量的實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)法可適用于所有的CAR分子檢測(cè);IgG抗體和蛋白質(zhì)L染色的流式細(xì)胞檢測(cè)法均可以直接反應(yīng)CAR分子的表達(dá)比例。通過(guò)將CAR分子與不同顏色的熒光蛋白共表達(dá),以及通過(guò)檢測(cè)CAR分子上特定的序列來(lái)檢測(cè)CAR分子的相對(duì)定量和絕對(duì)定量實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)法可間接反應(yīng)CAR分子表達(dá)。
表1 五種方法CAR檢測(cè)方法的優(yōu)劣比較表Table 1 Comparison of the five methods in detecting CAR moleculars
此外,IgG抗體染色和蛋白質(zhì)L染色的流式細(xì)胞檢測(cè)適用于檢測(cè)一部分CAR分子上的單鏈抗體片段,可直觀反應(yīng)能被染色CAR分子的表達(dá)比例,但是無(wú)法適用于本文中的4個(gè)新型CAR分子。
本研究以感染6種CAR分子(包括正在研發(fā)階段的4種新型CAR分子)的Jurkat-Meso,Jurkat-Met,Jurkat-CAR1-2-GFP,Jurkat-CAR2-4-GFP,Jurkat-Dupixent-HL-GFP和Jurkat-Dupixent-LH-GFP細(xì)胞為樣本,通過(guò)5種最常見(jiàn)的嵌合型抗原受體檢測(cè)方法來(lái)比較這幾種方法的優(yōu)劣。
目前存在多種通過(guò)流式染色鑒定嵌合抗原受體表達(dá)的方法[14],其中比較常用的兩種CAR分子檢測(cè)方法是通過(guò)IgG抗體和蛋白質(zhì)L結(jié)合細(xì)胞表面表達(dá)的CAR分子。這兩種方法因IgG抗體和蛋白質(zhì)L可能與細(xì)胞表面非CAR蛋白發(fā)生交叉反應(yīng)可能引入假陽(yáng)性。此外,對(duì)于一個(gè)細(xì)胞上表達(dá)兩種不同CAR分子的檢測(cè)也存在不適用的問(wèn)題,同時(shí)這兩種染色劑只能結(jié)合一部分CAR分子中單鏈抗體片段(scFv)的輕鏈部分,不能結(jié)合所有CAR分子中單鏈抗體片段(scFv)的輕鏈部分,如本文使用的Jurkat-CAR1-2-GFP,Jurkat-CAR2-4-GFP,Jurkat-Dupixent-HL-GFP和Jurkat-Dupixent-LH-GFP四株細(xì)胞就不能被這兩種染色劑檢測(cè)到,但Jurkat-Meso,Jurkat-Met兩種細(xì)胞上的CAR分子可以通過(guò)IgG抗體染色和蛋白質(zhì)L抗體染色檢測(cè)到。從峰值偏移水平、陽(yáng)性率以及平均熒光強(qiáng)度顯著性分析可以看出IgG抗體染色比蛋白質(zhì)L染色的效果更佳。隨著嵌合抗原受體T細(xì)胞療法的發(fā)展,更多檢測(cè)嵌合抗原受體的方法報(bào)道相繼出現(xiàn),如數(shù)字PCR(dPCR)精確定量CAR-T細(xì)胞[15]、分析單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)集CAR mRNA的含量[16]、共聚焦顯微鏡以高空間分辨率可視化CAR[17]等。文章中使用的5種方法是目前最常見(jiàn)且廉價(jià)方便的檢測(cè)方法,并在同一水平同時(shí)利用這些檢測(cè)方法分析其敏感性和適用性,提供了系統(tǒng)化的參考。
將CAR分子通過(guò)T2A系統(tǒng)與綠色熒光蛋白共表達(dá)的方法可用于所有嵌合抗原受體表達(dá)水平的檢測(cè),然而此方法僅適用于研究。此外,在載體中額外引入GFP的序列會(huì)影響病毒的包裝效率。在本文中,這為我們提供qPCR相對(duì)定量檢測(cè)CAR表達(dá)水平的參考值,以便通過(guò)綠色熒光蛋白表達(dá)比例和qPCR循環(huán)閾值之間的標(biāo)準(zhǔn)曲線,從而計(jì)算表達(dá)CAR分子細(xì)胞的比例。qPCR絕對(duì)定量的方法早先應(yīng)用于檢測(cè)病毒滴度[13],近幾年有關(guān)于監(jiān)測(cè)外周血嵌合抗原受體T細(xì)胞的qPCR分析方法的報(bào)道[9],與相對(duì)定量的方法相比,結(jié)果精確性高,能計(jì)算得到平均每一個(gè)細(xì)胞基因組整合CAR分子的數(shù)目,可體現(xiàn)CAR分子表達(dá)水平的趨勢(shì)。
綜上所述,qPCR的絕對(duì)定量方法是在基因水平上檢測(cè)細(xì)胞基因組中整合的CAR分子數(shù)目,可大致推測(cè)CAR分子表達(dá)水平趨勢(shì)。而具體CAR分子的表達(dá)水平和含有CAR分子細(xì)胞比例的結(jié)果還需在蛋白質(zhì)水平上得到驗(yàn)證,可通過(guò)qPCR的相對(duì)定量、流式抗體染色或偶聯(lián)GFP蛋白,通過(guò)流式細(xì)胞儀直觀的檢測(cè)。
在 穩(wěn) 定 表 達(dá)Meso-CAR、Met-CAR、CAR1-2-GFP、CAR2-4-GFP、Dupixent-HL-CAR-GFP、Dupixent-HL-CAR-GFP的6種Jurkat細(xì)胞中,CAR分子與綠色熒光蛋白共表達(dá)可用于CAR表達(dá)水平的試驗(yàn)階段的檢測(cè),免疫球蛋白G抗體染色的靈敏性較蛋白質(zhì) L染色好,對(duì)于免疫球蛋白G抗體及蛋白質(zhì) L無(wú)法識(shí)別的CAR分子,則可以使用相對(duì)或絕對(duì)定量實(shí)時(shí)熒光PCR方法,兩者均可以反映CAR表達(dá)水平的趨勢(shì)。