导读:CAR-NK细胞可以通过CAR的病毒和非病毒递送来制造。病毒载体的使用成本高、监管要求高、存在一些安全问题。有几种非病毒方法,如RNA电穿孔和DNA转染,但这些方法由于转染NK细胞的效率低而存在局限性。随着mRNA技术的日益成熟,科学家开始尝试采用mRNA-LNP技术来制备CAR-NK细胞。
2023年,Promab Biotechnologies研发团队在International Journal of Molecular Sciences发表文章:CAR-NK Cells Generated with mRNA-LNPs Kill Tumor Target Cells In Vitro and In Vivo,证实采用mRNA技术制备的CAR-NK细胞在体内具有高水平的抗肿瘤活性。
01
自然杀伤(NK)细胞的临床应用
自然杀伤细胞(Natural killer cell,NK细胞)、T细胞、B细胞可并称为三大淋巴细胞。作为固有免疫的重要组成部分,NK细胞从"出生"(即形成)时就具有杀伤能力,无需额外训练或激活,这种天生的杀伤能力,使NK细胞成为机体抵抗病原体和肿瘤的第一道防线。相比较而言,T细胞需要经过后天的"训练"过程才能获得杀伤能力,这种训练包括在胸腺中的选择和成熟,以及在外周组织中接触特定抗原后的活化。NK细胞和T细胞在免疫系统中扮演互补角色,NK细胞提供快速但相对非特异的反应,而T细胞提供后续的、更为特异的免疫应答。
NK细胞主要通过三种机制杀死靶细胞:首先,通过释放含有穿孔素和颗粒酶的细胞质颗粒直接杀死靶细胞。其次,IFN-γ、TNF-α等细胞因子的释放,通过与肿瘤细胞表面相应受体的相互作用诱导肿瘤细胞凋亡;第三,Fc受体CD16与抗体的Fc区结合,可触发抗体依赖性细胞介导的细胞毒性(ADCC)杀死细胞。
NK细胞最早发现于1975年,随后科学家不断尝试将其应用于肿瘤免疫治疗,借助多种技术手段提升NK细胞疗法的功效,例如,基因编辑,CAR-NK等,将NK细胞疗法的治疗范围从血液瘤不断拓展到实体瘤领域。
据报道,2021年全球NK细胞治疗市场规模为3.478亿美元,预计到2031年将达到15.795亿美元,预测期内复合年增长率高达16.2%。近年来NK细胞疗法赛道的国内投资也明显升温,越来越多的公司和资本进入该领域。今年1月,恩凯赛药自主研发的非基因修饰NK细胞注射液—NK010获得FDAI期临床试验许可;今年5月,其基因修饰NK细胞注射液NK042获CDE批准开展临床试验。2月7日,先博生物自主研发的CD19靶向性的CAR-NK细胞注射液获得CDE临床默示许可,成为国内首个中重度难治性系统性红斑狼疮(SLE)适应症通用型NK产品获批IND。
嵌合抗原受体(CARs)是融合蛋白,CAR-NK细胞的CAR结构通常由三个组分组成:细胞外抗原结合区(通常为scFv)、间隔区和跨膜结构域以及细胞内激活结构域。自然杀伤(NK)细胞作为独特的先天免疫细胞,在癌症免疫治疗和病原体清除方面表现出快速而有效的细胞毒性,无需事先致敏或抗原识别。CAR-NK细胞被设计为通过基因修饰表达CAR,将识别靶细胞(例如病毒感染细胞和癌细胞)表面抗原的抗体(或受体)与激活免疫细胞所需的信号分子连接起来。这种修饰可以抵消抑制性受体,从而增强NK细胞对靶细胞的特异性杀伤作用。
近年来,CAR-T细胞已被用于治疗血液癌症(白血病、淋巴瘤和多发性骨髓瘤),几款上市产品展示出非常好的治疗效果。与 CAR-T细胞疗法相比,CAR-NK细胞不易引起细胞因子释放综合征(CRS)和神经毒性,不会引发移植物抗宿主病(GVHD)。NK细胞也是同种异体细胞治疗的良好候选者,因为它们对T细胞的HLA-TCR识别信号具有独立性。NK细胞具有细胞毒性活性,功能与CD8 + T细胞最相似。NK细胞排斥的低风险使得CAR-NK中的NK细胞可以从各种来源产生。NK细胞来源于脾脏、肝脏、次级淋巴器官、胸腺、肠、扁桃体和子宫。与 B 细胞和 T 细胞不同,NK 细胞可以在没有事先致敏的情况下非特异性杀死肿瘤细胞和病毒感染的细胞。这些优势使CAR-NK细胞成为一种很有前景的肿瘤免疫细胞疗法,有望在某些方面超越CAR-T细胞疗法。
随着mRNA等非病毒载体的发展,Promab Biotechnologies团队利用mRNA制备了CAR-NK细胞,并评估了其抗肿瘤活性。
02
报告基因GFP mRNA-LNP转染NK细胞
研究人员采用Miltenyi NK细胞分离试剂盒从PBMC中分离NK细胞。将分离的CD56阳性NK细胞与表达41BB配体和膜结合IL-21的K562饲养细胞(丝裂霉素C预处理)孵育。对于三种不同的供体,K562-4-1BBL/mbIL-21 饲养细胞系的平均 NK 细胞扩增为 8878 倍。98%的扩增NK细胞表现为CD56阳性和CD3阴性。
制备GFP-mRNA-LNP并转染扩增的 NK 细胞,可产生>98%的GFP阳性细胞。将GFP-mRNA-LNP转染后16h的NK 细胞冻存在 D10 冻存培养基中,解冻后的转染NK细胞能够维持GFP表达水平,并且在解冻后72h显示出高水平的GFP表达(94.5%)。
03
基于mRNA-LNP技术制备CAR-NK细胞
制备CD19-Flag-CAR mRNA-LNP和人源化BCMA-CAR mRNA-LNP,转染扩增约500倍的NK细胞。CD19-CAR mRNA-LNP转染产生78.8%的CAR阳性细胞群,BCMA-CAR mRNA-LNP转染产生95.3%的CAR阳性细胞群。与NK细胞类似,CD19-CAR-NK细胞为CD3阴性,并表达高水平的CD56(99%),激活受体CD337(NKp30)(99%)和CD16(95%)。在BCMA-CAR mRNA-LNP转染生成的BCMA-CAR-NK细胞中,可观察到类似的高水平表达的NK细胞标志物。
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基于mRNA-LNP技术的CAR-NK细胞
的体外杀伤效果
在不同的效应细胞与靶细胞比例下,使用BCMA-CAR-NK和未转染的NK细胞进行实时细胞毒性测定(RTCA)。结果显示,BCMA-CAR-NK 以剂量依赖性方式杀死 RPMI-8226 细胞,杀死多发性骨髓瘤RPMI8226细胞和MM1S的能力要比 NK 细胞更强。
在RTCA杀伤试验后收集上清液,使用ELISA测试NK和CAR-NK细胞的IFN-γ分泌水平。与未转染的NK细胞相比,BCMA-CAR-NK细胞以剂量依赖性方式分泌高水平IFN-γ。BCMA-CAR-NK细胞还以剂量依赖性方式分泌针对靶RPMI8226细胞和MM1S细胞的颗粒酶B。
05
mRNA-LNP制备的CAR-NK细胞的
体内肿瘤抑制活性
为了测试人CAR-NK细胞的体内活性,我们在免疫缺陷的NSG小鼠模型中使用了Nalm-6-荧光素酶白血病癌细胞。在第 0 天,将 1 × 10 5 个 Nalm-6-luc+ 细胞静脉注射到 NSG 小鼠中。然后,在第 1、3、6 和 8 天将 5 × 10 个 6 冷冻 CD19-CAR-NK 和 NK 细胞注射到小鼠体内,并在第 6、9、12 和 15 天进行成像。NK和CD19-CAR-NK均阻断Nalm-6-荧光素酶+肿瘤生长。重要的是,到第15天,CD19-CAR-NK细胞比NK细胞更明显地阻断Nalm-6-荧光素酶肿瘤生长。因此,通过CD19-CAR mRNA-LNP转染NK细胞生成的CD19-CAR-NK细胞在体内对Nalm-6白血病肿瘤具有更高的疗效。
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总结
Promab Biotechnologies研发团队的这项研究使用 CD19-CAR mRNA-LNP 和 BCMA-CAR mRNA-LNP 转染扩增的 NK 细胞,从而实现高转染效率,CAR-NK 细胞的 CAR 表达率为 >78%。
与未转染的 NK 细胞相比,使用 BCMA-CAR mRNA-LNP 生成的人源化 BCMA-CAR-NK 细胞以剂量依赖性方式杀死多个骨髓瘤细胞系 RPMI8226 和 MM1S。BCMA-CAR-NK细胞对多发性骨髓瘤靶细胞分泌的IFN-γ和颗粒酶B也明显多于NK细胞。使用 CD19-CAR mRNA-LNP 生成的 CD19-CAR-NK 细胞以剂量依赖性方式杀死 Daudi 和 Nalm-6 白血病细胞系,同时,分泌 IFN-γ 和颗粒酶 B 的水平明显高于 NK 细胞。此外,CD19-CAR-NK细胞在体内显著降低了Nalm-6肿瘤的生长。
未来,CAR-NK细胞还可以与编码不同细胞信号分子的mRNA-LNPs联合使用,可以增强NK细胞的扩增并减少其耗竭,例如检查点抑制剂(PD-L1、PD-1、LAG-3、TIGIT和TIM-3)和其他免疫调节剂,如细胞因子、趋化因子、受体配体(IL-12、IL-15、IL-2、Il-18、IL-21、FLT-3和4-1BBL)等。这些信号分子与CAR-NK细胞联合使用可更加有效地增强其体内抗肿瘤效果。
参考文献
[1] Golubovskaya V, Sienkiewicz J, Sun J, Zhang S, Huang Y, Zhou H, Harto H, Xu S, Berahovich R, Wu L. CAR-NK Cells Generated with mRNA-LNPs Kill Tumor Target Cells In Vitro and In Vivo. Int J Mol Sci. 2023 Aug 29;24(17):13364. doi: 10.3390/ijms241713364.
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