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哺乳動物CAR表達慢病毒載體

概述

利用嵌合抗原受體 (Chimer校話ic antigen recep有小tor,CAR) 載體生産可識别腫瘤相關抗原的工程T細胞(也微作稱爲CAR T細胞)已成(chéng)爲一種(zhǒng)極富前景的癌症治動紙療工具。在 CAR T細胞免疫療法中,來自坐還患者(自體)或健康供體(同種(zhǒng)異體)的T細胞經(jīng)過(g問黑uò)改造表達CAR。CAR受體可以靶向(xiàng)識别腫瘤細東志胞表面(miàn)抗原,活化T細胞使其發(fā)揮免疫作用以幫助殺傷飛熱腫瘤細胞。

CAR受體的結構由四個主要部分組成(ch機風éng):(1)一個胞外抗原識别結構域,由已知特異性的抗體的單鏈短土可變區片段 (Single chain variable fragm從但ent,scFv) 組成(chéng)。 scFv促進(jìn)抗原結合,朋短包含一個輕鏈可變區片段和一個特異的單克隆抗體的重鏈片段,兩(liǎng坐河)者通過(guò)一個柔性的肽鏈相連;(2)一個位于市吃胞外的鉸鏈區或間隔區,將(jiāng)scFv與CAR的跨膜結構域連接起(朋鐘qǐ)來,并爲CAR的結構提供靈活性和穩定性;作聽(3)跨膜結構域,將(jiāng) CAR 錨定在質膜上,從而將(jiāng在看)胞外的鉸鏈區和抗原結合結構域同細胞内結構域關聯起(qǐ)來。它在增強受體表達在吧和穩定性方面(miàn)起(qǐ)著(zhe身鐵)關鍵作用;(4)胞内信号域,通常源自T細胞受體的CD3 zeta 鏈并刀秒包含免疫受體酪氨酸激活基序(Immunoreceptor tyrosi理學ne-based activation motif,ITAM著銀)。抗原結合CAR後(hòu),ITAM被(b又他èi)磷酸化并激活下遊信号傳導,從熱很而導緻T細胞的後(hòu)續活化。此外,該胞内結構域還(hái)可以引入一個或山計多個與CD3 zeta信号域串聯的共刺激域(來源于CD28、CD137等從筆),以改善T細胞增殖效率和活化的持久性的技。

CAR的結構在過(guò)去幾年中随著(zhe)對(duì)胞内結光街構域的修改而不斷發(fā)展。第一代CAR僅包含一個衍生于CD3 ze讀村ta鏈的信号域。雖然這(zhè)種(zhǒng)CAR可以激長路活T細胞,但是由于表達此類CAR的T細胞的細胞毒性和增殖能(néng)力偏低,有習它們在體内的抗腫瘤活性并不理想。第二代CAR除了包含一個CD歌光3 zeta信号域,還(hái)具有一個胞商大内的共刺激域,因此表達第二代CAR的T細胞顯著改善了其體内增殖能(néng)力大北、擴增能(néng)力和活化的持久性。爲了進(jìn)一步優化CAR 件到T細胞的抗腫瘤功效,第三代CA技她R除了CD3 zeta外,還(hái)引入了兩(li農司ǎng)個胞内順式作用的共刺激結構域。此後(hòu),通過(g子對uò)修飾胞内結構域以進(jìn)行誘導表達多日或組成(chéng)型表達細胞因子,第四代CAR從第二代CAR開(kāi)發(問土fā)獲得。第五代和最新一代CAR也是從第二代CA南舞R衍生而來,整合了細胞因子受體的胞内結構域。

我們的CAR表達慢病毒載體可用于生産慢病毒并高效地看和向(xiàng)T細胞轉導CAR表達盒。CAR表達慢病毒載體首先在刀在大腸杆菌中進(jìn)行克隆,其中CAR表達盒包含scFV結構冷聽域、鉸鏈區、跨膜區和胞内CD3 zeta信号源、共刺激域,并位于慢病毒載體購綠的兩(liǎng)個長(cháng)末端重複序列(Long termina又光l repeats,LTR)之間。慢病毒載體構建完成(chéng)後訊可(hòu)與輔助質粒一起(qǐ)轉染進快物(jìn)入包裝細胞。在包裝細胞中,位于兩(月商liǎng)個LTR之間的DNA片段會(huì廠市)被(bèi)轉錄成(chéng)RNA,由一劇輔助質粒表達的病毒蛋白將(jiāng)其包裝形成(chén去黑g)病毒顆粒。包裝後(hòu)的活體病毒將西外(jiāng)會(huì)被(bèi)釋放到窗如上清液中,可以直接收集或進(jìn)一步濃縮病毒飛河轉染靶細胞。

當病毒轉導靶細胞時(shí),釋放到照國宿主細胞中的病毒RNA借助逆轉錄酶逆轉錄成(chéng)雙鏈DNA,然後(h他小òu)随機整合進(jìn)宿主細胞的基因組中。在病毒載用風體中,位于兩(liǎng)個LTR的DNA片就數段和病毒基因組都(dōu)會(huì慢視)穩定整合到靶細胞的基因組中。

通過(guò)改造優化,我們的慢病毒載體删除了與病毒包裝和轉導相關的基因(這湖數(zhè)些基因由輔助質粒進(jìn)行表達,用于病姐算毒包裝過(guò)程),使産生的慢病毒顆粒是複費開制缺陷型的。即包裝的病毒隻具有轉導靶細胞的能(néng)力,而無法在靶細男腦胞中進(jìn)行大量複制,因而具有很高鄉服的生物安全性。

關于該載體系統的更多信息,請參考以下文獻。

參考文獻主題
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亮點

我們的CAR表達慢病毒載體适用于第三代議看慢病毒系統,可進(jìn)行第二代CAR表達。經(jīng)花空優化,該載體在大腸杆菌體内具有很高的拷貝數,包裝街舊的活病毒具有很高的滴度,對(duì)大離文多數宿主細胞具有高效的轉導能(né答訊ng)力,能(néng)有效地把載體整合到靶細胞基因組并實現外源基因的高水金綠平表達。

試驗驗證

圖1 通過(guò)使用表達CAR的Jurkat細胞和表達CD1土女9的靶細胞(Ramos細胞)檢測表面(m劇間iàn)CD69分子的上調,驗證活化的CAR誘導的T細胞。(A)攜帶靶向(xi女也àng)CD19的CAR基因的慢病毒轉導Jurkat細胞,與表達CD19生慢的Ramos細胞共同培養。與CD19結合的Jurkat細胞被做拍(bèi)激活,表現出CD69表面(miàn)抗原物小上調表達。(B)孵育後(hòu)兒議流式細胞術分析CAR jurkat細胞的激活程度。與C生間D19+Ramos細胞(藍色)共同培養後(hòu)的裡動CAR jurkat細胞顯著增加了CD69的表達量,表明J劇月urkat細胞在CAR介導下被(bèi)信知激活。

優勢

CAR表達盒的穩定整合:常規質粒轉染隻能(néng)實現CAR少遠的瞬時(shí)表達,這(zhè)種(zhǒng)質粒會(huì)随著(zh錢小e)宿主細胞的分裂而不斷丢失,在快速分裂的細胞中顯得尤水鄉爲顯著。相反,慢病毒轉導能(néng)穩定地將(jiāng)CAR內答表達盒整合到細胞的染色體中,使其可以長(cháng)期表達CAR秒熱。

滴度高:我們的病毒載體可以包裝出高滴度的病毒。我們提供的病什員毒包裝服務,病毒滴度可以達到>109 TU/ml。在這(zhè)樣(yàng)的病毒滴度下,如果選擇合适的這房劑量去轉導體外培養的哺乳動物細胞,則轉導效率可接兒這近100%。

高轉導效率:慢病毒對(duì)T細胞表現出良好(hǎo)的轉導效率城如。在開(kāi)發(fā)基于慢病毒的CAR T細胞時(s務動hí),爲達到臨床注射的細胞數量要音森求,來自患者的少數T細胞需要被(bèi)方便地轉導和擴增。

自定義啓動子:我們的慢病毒載體已經(jīng)年黑過(guò)優化,其5' LTR的車地啓動子已進(jìn)行了自失活。用間懂戶可以自定義啓動子驅動CAR表達。這(zh看說è)相對(duì)于隻能(néng)依賴自身5' LT場少R啓動子驅動CAR表達的MMLV載體來說(shuō)是一個鐘用巨大的優勢。

基因拷貝數相對(duì)均一:通常情況下,采用病毒轉導的方式可以比較均一的將(j技自iāng)外源基因轉入靶細胞中,而傳統的慢明質粒轉染則呈現出較高的不均一性,導土麗緻某些細胞會(huì)獲得較多拷貝質粒而歌鐘某些則會(huì)獲得較少甚至完全沒(méi)有。

體内外實驗均有效:我們的載體不僅擁有良好(hǎo)的體外細胞轉導能(néng)力,同樣(y說知àng)适用于體内活體動物實驗。

安全性:我們的病毒載體系統具備了以下兩(liǎng)大特點,因畫上而具有非常高的安全性。一、病毒包裝和轉導所必需的基因由三個輔助質粒分船店開(kāi)表達。二、5' LTR的啓動子自失活。因此,在進刀金(jìn)行病毒包裝和病毒轉導的時(shí)候不會(huì)産生具有複制問雜能(néng)力的病毒顆粒,使書輛用我們的載體對(duì)人體的健康威脅也是最低的。

不足之處

載體容量受限:野生型的慢病毒基因組大小約爲9.2 kb,而在我們的慢理器病毒載體中,病毒包裝和轉導的必要元件約爲2.8 kb,餘下6.4 k讀有b的空間容納客戶的目的序列。當病毒載體超過(guò)以上大小內樂限制,病毒的包裝滴度可能(néng)會(huì)降低。我們的CAR表達慢去遠病毒載體除了CAR序列外,還(h路在ái)包含有其他功能(néng)性元件如亮件啓動子、抗藥基因等,因此會(hu道月ì)超過(guò)6.4 kb的默認容量限制,導答空緻滴度受到一定影響。

插入突變風險:由于CAR表達慢病毒載體序列可以插入細胞基因要工組,因此存在一定的插入突變風險。然而對(duì)比逆轉錄病毒,這得民(zhè)種(zhǒng)風險會(huì)相對(duì弟輛)低。逆轉錄病毒的生成(chéng)的DNA序列朋湖有插入基因轉錄起(qǐ)始位點附近和原癌基因的傾向(xiàng)。

技術複雜:使用慢病毒載體時(shí),需要在包裝農土細胞中産生活病毒,然後(hòu)測定病毒滴度。因此慢病毒轉染相對(呢輛duì)于常規質粒轉染,技術難度更高,周期更長(cháng)。

高生産成(chéng)本:生成(chéng)GMP級别的工個慢病毒比質粒載體要顯然更高,現已是其中一個限制基于慢病毒的CAR T細胞的妹呢臨床應用發(fā)展的主要因素。

載體關鍵元件

RSV promoter: Rous sarcoma virus promoter. It dri司區ves transcription of viral RNA in 呢會packaging cells. This RNA is then pac吧答kaged into live virus.

5' LTR-ΔU3: A deleted version of the HIV-1 5'機歌 long terminal repeat. In wildtype l服購entivirus, 5' LTR and 3' LTR are 開又essentially identic議刀al in sequence. They reside on空業 two ends of the viral genome and point但愛 in the same direction. Upon viral inte自明gration, the 3' LTR seque黑科nce is copied onto the 5'票南 LTR. The LTRs carry both promot光生er and polyadenylation function, s理草uch that in wildtype virus, t化說he 5' LTR acts as a promoter to drive t車員he transcription of the viral gen海和ome, while the 拿會3' LTR acts as a polyaden哥新ylation signal to termi會做nate the upstream transcript. On our ve從了ctor, 5' LTR-ΔU3 is deleted for 林草a region that is re頻事quired for the LTR's p制東romoter activity normally facilit山亮ated by the viral transcription factor中刀 Tat. This does not affect the prod作草uction of viral RNA during packaging 物為because the promoter function is s去物upplemented by the RSV promoter engine吧金ered upstream of Δ5' L視章TR.

Ψ: HIV-1 packaging signal re什答quired for the pac時房kaging of viral RNA into vi河能rus.

RRE: HIV-1 Rev respon又一se element. It allows the 國聽nuclear export of viral RNA機志 by the viral Rev火睡 protein during viral packaging.

cPPT: HIV-1 central polypurine tr我拍act. It creates a "DNA flap" tha白計t increases nuclear importation of市看 the viral genome during target cell 麗銀infection. This improves vector i農謝ntegration into the host g雪光enome, resulting in higher t得醫ransduction effici個民ency.

Promoter: The promoter driving your downstrea少數m CAR expression cassette is pla場知ced here. 

Kozak: Kozak consensus sequence. It i離著s placed in fro南中nt of the start c窗呢odon of the ORF of i答靜nterest because it is believ著木ed to facilitate translation 村船initiation in eukaryotes.

CD8-leader:&nbs做樂p;Leader signal peptide of T cell surfac放不e glycoprotein CD8 alpha chain. Dire日鐘cts transport and localization of the 兵們protein to the T c湖放ell surface. 

scFv: Single chain varia土民ble fragment derived from a monocl相街onal antibody of known specif來我icity. Recognizes cells in 個地an antigen-specific manner. 購子

Hinge: Extracellular hinge region of the CAR.子知 Connects scFv wi用線th the transmembrane region 些計providing stability and flexibility f路文or efficient CAR express民放ion and function; en道新hances efficiency of tumor recogni姐外tion; improves expan服吃sion of CAR T cells. 

Costimulatory domain: Intracellular costimulatory domai下影n of the CAR. Improv購近es overall survi音煙val, proliferation, and persis上司tence of activated書銀 CAR T cells. 

CD3zeta: Intracellular domain of the T cell re店但ceptor-CD3ζ chain. Acts as a stimulato銀那ry molecule for activating T cell-m了議ediated immune response. 

WPRE: Woodchuck hepatitis virus p嗎花osttranscriptional 裡我regulatory element. It enh呢姐ances viral RNA stabi們通lity in packaging cells, leading校草 to higher titer of packaged vir花愛us.

mPGK promoter: Mouse phosphoglycerate遠樂 kinase 1 gene promoter. It dri音你ves the ubiquito來很us expression the down舊近stream marker gene.

Marker: A drug selection gene (such as看刀 neomycin resistance和到), a visually detectable gene (such a近分s EGFP), or a dual生了-reporter gene (suc海雪h as EGFP/Neo). This allows cells t友了ransduced with t頻聽he vector to be selected 唱志and/or visualize有小d.

3' LTR-ΔU3: A truncated version of t就低he HIV-1 3' long terminal 南冷repeat that deletes the歌木 U3 region. This lead學木s to the self-inactivation of the pro通年moter activity of the 嗎外5' LTR upon viral vect器村or integration into知冷 the host genome (due to城些 the fact that 3' LTR is copied東雪 onto 5' LTR during viral inte會紙gration). The polyadenylation signal 票那contained in 3' LTR-ΔU3 ser影畫ves to terminates a多子ll upstream transcripts produc數刀ed both during viral packaging and aft商也er viral integration into t黑民he host genome.

SV40 early pA: Simian virus 40 ear多些ly polyadenylation signal. It體又 further facilitates transcr山匠iptional termination after the 3' LTR 術看during viral RNA transcrip女愛tion during packaging. This elevate兵費s the level of functional亮議 viral RNA in packaging cells,但裡 thus improving viral titer.

Ampicillin: Ampicillin resistance gen路紙e. It allows the pl音姐asmid to be maintained by ampicill哥就in selection in 文答E. coli.

pUC ori: pUC origin of repli公學cation. Plasmids 玩畫carrying this origin exis南商t in high copy numbers們從 in E. coli.