Een stapsgewijze methode om neutraliserende antilichamen tegen AAV te detecteren met behulp van een colorimetrische celgebaseerde test
Summary
Een uitgebreid laboratoriumprotocol en analyseworkflow worden beschreven voor een snelle, kosteneffectieve en eenvoudige colorimetrische celgebaseerde test om neutraliserende elementen tegen AAV6 te detecteren.
Abstract
Recombinante adeno-geassocieerde virussen (rAAV) hebben bewezen een veilige en succesvolle vector te zijn voor het overbrengen van genetisch materiaal om verschillende gezondheidsproblemen in zowel het laboratorium als de kliniek te behandelen. Reeds bestaande neutraliserende antilichamen (NAbs) tegen AAV-capsiden vormen echter een voortdurende uitdaging voor de succesvolle toediening van gentherapieën in zowel grote dierexperimentele modellen als menselijke populaties. Voorlopige screening op gastheerimmuniteit tegen AAV is noodzakelijk om de werkzaamheid van op AAV gebaseerde gentherapieën te waarborgen als zowel een onderzoeksinstrument als een klinisch levensvatbaar therapeutisch middel. Dit protocol beschrijft een colorimetrische in vitro test om neutraliserende factoren tegen AAV serotype 6 (AAV6) te detecteren. De test maakt gebruik van de reactie tussen een AAV die codeert voor een alkalisch fosfatase (AP) reporter gen en het substraat NBT / BCIP, dat een onoplosbare kwantificeerbare paarse vlek genereert bij combinatie.
In dit protocol worden serummonsters gecombineerd met een AAV die AP tot expressie brengt en geïncubeerd om potentiële neutraliserende activiteit mogelijk te maken. Virusserummengsel wordt vervolgens toegevoegd aan cellen om virale transductie mogelijk te maken van eventuele AAV’s die niet zijn geneutraliseerd. Het NBT/BCIP-substraat wordt toegevoegd en ondergaat een chromogene reactie, die overeenkomt met virale transductie en neutraliserende activiteit. Het aandeel van het gekleurde gebied wordt gekwantificeerd met behulp van een gratis softwaretool om neutraliserende titers te genereren. Deze test toont een sterke positieve correlatie tussen kleuring en virale concentratie. Beoordeling van serummonsters van schapen voor en na toediening van een recombinant AAV6 leidde tot een dramatische toename van de neutraliserende activiteit (125 tot >10.000-voudige toename). De test vertoonde voldoende gevoeligheid om neutraliserende activiteit te detecteren in >1:32.000 serumverdunningen. Deze test biedt een eenvoudige, snelle en kosteneffectieve methode om NAbs tegen AAV’s te detecteren.
Introduction
Adeno-geassocieerde virussen (AAV) worden steeds vaker gebruikt als vectoren voor de levering van gentherapieën aan proefbehandelingen voor verschillende gezondheidsproblemen die van invloed zijn op het cardiovasculaire, pulmonale, circulatoire, oculaire en centrale zenuwstelsel1,2,3,4,5. De populariteit van AAV-vectoren als toonaangevend gentherapieplatform komt voort uit hun positieve veiligheidsprofiel, transgenexpressie op lange termijn en brede weefselspecifieke tropismen1,6. Succesvolle resultaten in dierstudies hebben de weg vrijgemaakt voor meer dan vijftig klinische onderzoeken naar AAV-gentherapie die met succes hun werkzaamheidseindpunten hebben bereikt7, evenals de release van het eerste commercieel beschikbare AAV-gentherapiegeneesmiddel dat is goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration8. Na de eerste successen is AAV blijven tractie krijgen in de basis- en klinische onderzoekssectoren als een vector bij uitstek en is het momenteel de enige in vivo gentherapie die is goedgekeurd voor klinisch gebruik in de VS en Europa9. Niettemin blijft de aanwezigheid van reeds bestaande neutraliserende antilichamen (NAbs) tegen AAV-vectorcapsiden een belemmering voor zowel preklinisch onderzoek als de werkzaamheid van klinische onderzoeken. NAbs zijn aanwezig in zowel naïeve menselijke als dierlijke populaties en remmen gentransductie na in vivo toediening van een AAV-vector1. AAV-seropositiviteit is een uitsluitingscriterium voor de meeste gentherapiestudies en daarom is voorlopige screening op gastheerimmuniteit cruciaal in zowel het laboratorium als de kliniek. Het opzetten van een test die de aanwezigheid van NAbs tegen AAV kan detecteren, is een essentiële stap in de pijplijn van elk op AAV-gentherapie gebaseerd onderzoeksproject. Dit rapport richt zich op AAV6 dat van belang is geweest voor onderzoekers vanwege de efficiënte en selectieve transductie in dwarsgestreepte spieren (hart- en skeletspieren)1,10,11,12. Gentherapie wordt beschouwd als een veelbelovende strategie voor het richten op het hart, omdat het moeilijk is om specifiek op het hart te richten zonder invasieve openhartprocedures.
Neutraliserende activiteit wordt meestal bepaald met behulp van een celgebaseerde in vitro of in vivo transductie remmingstest. In vivo NAb-assays omvatten meestal het toedienen van serum van een proefpersoon (bijv. Menselijk of groot dier) aan muizen, gevolgd door een AAV met een reporter-gen, gevolgd door testen op de expressie van het reporter-gen of het bijbehorende antigeen. In vitro assays bepalen NAb-titers door serum of plasma van een mens of groot dier in seriële verdunningen te incuberen met een recombinant AAV (rAAV) dat een reporter-gen tot expressie brengt. Cellen zijn geïnfecteerd met het serum/virusmengsel en de mate waarin de genexpressie van de reporter wordt geremd, wordt beoordeeld in vergelijking met controles. In vitro assays worden veel gebruikt voor NAb-screening vanwege hun relatief lagere kosten, snelheid bij het testen en grotere capaciteit voor standaardisatie en validatie13,14 in vergelijking met in vivo assays. Van in vivo assays wordt vaak gemeld dat ze een grotere gevoeligheid hebben15,16, maar dezelfde claim is gemaakt met betrekking tot in vitro assays14,17.
Tot op heden hebben in vitro NAb-assays voornamelijk luminescentie (luciferase) gebruikt als het reporter-gen om neutralisatie te detecteren. Hoewel een op licht gebaseerde methode in veel contexten verdienstelijk is, kan een colorimetrische / chromogene NAb-test in sommige omstandigheden voordelig zijn. Colorimetrische assays om neutralisatie te beoordelen zijn met succes gebruikt voor andere virussen zoals influenza en adenovirus18,19. Hun aantrekkelijkheid komt voort uit hun eenvoud, lagere kosten en de behoefte aan alleen alledaagse laboratoriumapparatuur en gereedschappen20. NAb-assays die een op luminescentie gebaseerd reporter-gen gebruiken, vereisen dure substraatkits, een luminometer en bijbehorende software voor analyse21. Deze colorimetrische test heeft het voordeel dat alleen een lichtmicroscoop en een zeer goedkoop substraat nodig zijn. Rapportage van de gevoeligheid van colorimetrische versus luminescente assays heeft tegenstrijdige resultaten opgeleverd. Eén studie suggereerde dat op luminescentie gebaseerde ELISA-assays een grotere gevoeligheid en vergelijkbare reproduceerbaarheid vertonen als colorimetrische assays22, terwijl een andere vond dat op colorimetrische gebaseerde ELISA-assays een grotere gevoeligheid verlenen23. Hier wordt een gedetailleerd protocol gegeven voor een in vitro NAb-test tegen AAV die gebruik maakt van de chromogene reactie tussen een AAV-codering van een alkalisch fosfatase (AP) reportergen en een nitroblauw tetrazolium / 5-broom-4-chloor-3-indolylfosfaat (NBT / BCIP) substraat. Dit stapsgewijze protocol is ontwikkeld op basis van een eerder rapport dat een hPLAP (human placental alkaline phosphatase) reporter gen (AAV6-hPLAP) gebruikte om neutraliserende activiteit tegen AAV24 te detecteren. Deze test is kosteneffectief, tijdbesparend, eenvoudig in te stellen en vereist minimale technische vaardigheden, laboratoriumapparatuur en reagentia. Bovendien geeft de eenvoud van deze test het potentieel om te worden geoptimaliseerd voor brede toepassingen in verschillende soorten cellen, weefsels of virale serotypen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit rapport beschrijft een colorimetrische test die de mate van AAV-neutralisatie in een bepaald serummonster beoordeelt door een chromogene reactie te evalueren die overeenkomt met de mate van in vitro virale transductie. De ontwikkeling van het protocol was gebaseerd op de bekende chromogene reactie tussen het enzym alkalische fosfatase en NBT/BCIP, die op grote schaal is gebruikt als kleuringsinstrument voor de detectie van eiwitdoelen in toepassingen zoals immunohistochemie en als een reportertool voor het e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door een National Health and Medical Research Council Project Grant aan JRM en CJT (ID 1163732) en gedeeltelijk door het Operational Infrastructure Support Program van de Victoriaanse overheid. SB wordt ondersteund door een gezamenlijke Baker Heart and Diabetes Institute-La Trobe University Doctoral Scholarship. KLW wordt ondersteund door The Shine On Foundation en een Future Leader Fellowship van de National Heart Foundation of Australia (ID 102539). JRM wordt ondersteund door een National Health and Medical Research Council Senior Research Fellowship (ID 1078985).
Materials
| 0.05% Trypsin/EDTA | Gibco | 25300-054 | |
| 50 mL conical centrifuge tube | Falcon | 14-432-22 | Or equivalent |
| 75 cm2 square flasks | Falcon | 353136 | Or equivalent |
| 96 well flat bottomed plate | Falcon | 353072 | |
| AAV6-CMV-hPLAP Vector | Muscle Research & Therapeutics Lab (University of Melbourne, Australia) AAV6-CMV-hPLAP can be provided upon request. | ||
| Aluminium foil | |||
| Anti-AAV6 (intact particle) mouse monoclonal antibody, (ADK6) | PROGEN | 610159 | Positive control monoclonal antibody |
| BCIP/NBT | SIGMAFAST | B5655 | |
| Cell and tissue culture safety cabinet | |||
| Electronic Pipette | 5 & 10 mL stripette inserts | ||
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10099-141 | |
| Haemocytometer | |||
| High glucose Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | 11965118 | |
| HT1080 cells | ATCC | ||
| ImageJ Software | Freely available: https://imagej.nih.gov/ij/download.html | ||
| Incubator | 37 °C, 5% CO2 | ||
| Light microscope with camera | Capable of taking photos with a 4x objective lens | ||
| Oven | For a 65 °C incubation | ||
| Paraformaldehyde | MERCK | 30525-89-4 | |
| Penicillin Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Phosphate buffered saline | |||
| Pipettes and tips | 20 μL, 200 μL & 1 mL single pipettes and tips & 200 μL multichannel pipette | ||
| Stericup quick release filter | Millipore | S2GPU10RE | Used for combining media reagents |
| Trypan blue solution | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| VACUETTE TUBE 8 ml CAT Serum Separator Clot Activator | Greiner BIO-ONE | 455071 | Used for serum collection & processing from sheep |
| Water bath |
References
- Bass-Stringer, S., et al. Adeno-associated virus gene therapy: Translational progress and future prospects in the treatment of heart failure. Heart, Lung and Circulation. 27 (11), 1285-1300 (2018).
- Casey, G. A., Papp, K. M., MacDonald, I. M. Ocular gene therapy with adeno-associated virus vectors: current outlook for patients and researchers. Journal of Ophthalmic and Vision Research. 15 (3), 396-399 (2020).
- Lykken, E. A., Shyng, C., Edwards, R. J., Rozenberg, A., Gray, S. J. Recent progress and considerations for AAV gene therapies targeting the central nervous system. Journal of Neurodevelopmental Disorders. 10 (1), 16 (2018).
- Guggino, W. B., Cebotaru, L. Adeno-Associated Virus (AAV) gene therapy for cystic fibrosis: Current barriers and recent developments. Expert Opinion on Biological Therapy. 17 (10), 1265-1273 (2017).
- Perrin, G. Q., Herzog, R. W., Markusic, D. M. Update on clinical gene therapy for hemophilia. Blood. 133 (5), 407-414 (2019).
- Wang, D., Tai, P. W. L., Gao, G. Adeno-associated virus vector as a platform for gene therapy delivery. Nature Reviews Drug Discovery. 18 (5), 358-378 (2019).
- Kuzmin, D. A., et al. The clinical landscape for AAV gene therapies. Nature Reviews Drug Discovery. 20 (3), 173-174 (2021).
- Russell, S., et al. Efficacy and safety of voretigene neparvovec (AAV2-hRPE65v2) in patients with RPE65-mediated inherited retinal dystrophy: A randomised, controlled, open-label, phase 3 trial. Lancet. 390 (10097), 849-860 (2017).
- Weber, T. Anti-AAV Antibodies in AAV gene therapy: Current challenges and possible solutions. Frontiers in Immunology. 12, 658399 (2021).
- Weeks, K. L., et al. Phosphoinositide 3-kinase p110alpha is a master regulator of exercise-induced cardioprotection and PI3K gene therapy rescues cardiac dysfunction. Circulation: Heart Failure. 5 (4), 523-534 (2012).
- Gregorevic, P., et al. Systemic delivery of genes to striated muscles using adeno-associated viral vectors. Nature Medicine. 10 (8), 828-834 (2004).
- Bernardo, B. C., et al. Gene delivery of medium chain acyl-coenzyme A dehydrogenase induces physiological cardiac hypertrophy and protects against pathological remodelling. Clinical Science (London). 132 (3), 381-397 (2018).
- Meliani, A., et al. Determination of anti-adeno-associated virus vector neutralizing antibody titer with an in vitro reporter system. Human Gene Therapy Methods. 26 (2), 45-53 (2015).
- Falese, L., et al. Strategy to detect pre-existing immunity to AAV gene therapy. Gene Therapy. 24 (12), 768-778 (2017).
- Wang, D., et al. Adeno-Associated virus neutralizing antibodies in large animals and their impact on brain intraparenchymal gene transfer. Molecular Therapy – Methods & Clinical Development. 11, 65-72 (2018).
- Wang, M., et al. Prediction of adeno-associated virus neutralizing antibody activity for clinical application. Gene Therapy. 22 (12), 984-992 (2015).
- Kruzik, A., et al. Detection of biologically relevant low-titer neutralizing antibodies against adeno-associated virus require sensitive in vitro assays. Human Gene Therapy Methods. 30 (2), 35-43 (2019).
- Lehtoranta, L., Villberg, A., Santanen, R., Ziegler, T. A novel, colorimetric neutralization assay for measuring antibodies to influenza viruses. Journal of Virological Methods. 159 (2), 271-276 (2009).
- Johnston, P. B., Grayston, J. T., Loosli, C. G. Adenovirus neutralizing antibody determination by colorimetric assay. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine. 94 (2), 338-343 (1957).
- Xiaoli Zhu, T. G. . Nano-Inspired Biosensors for Protein Assay with Clinical Applications. , 237-264 (2019).
- Jungmann, A., Muller, O., Rapti, K. Cell-based measurement of neutralizing antibodies against adeno-associated virus (AAV). Methods in Molecular Biology. 1521, 109-126 (2017).
- Samineni, S., et al. Optimization, comparison, and application of colorimetric vs. chemiluminescence based indirect sandwich ELISA for measurement of human IL-23. Journal of Immunoassay and Immunochemistry. 27 (2), 183-193 (2006).
- Siddiqui, J., Remick, D. G. Improved sensitivity of colorimetric compared to chemiluminescence ELISAs for cytokine assays. Journal of Immunoassay and Immunochemistry. 24 (3), 273-283 (2003).
- Arnett, A. L., Garikipati, D., Wang, Z., Tapscott, S., Chamberlain, J. S. Immune responses to rAAV6: The Influence of canine parvovirus vaccination and neonatal administration of viral vector. Frontiers in Microbiology. 2, 220 (2011).
- Australian code for the care and use of animals for scientific purposes. National Health and Medical Research Council Available from: https://www.nhmrc.gov.au/about-us/publications/australian-code-care-and-use-animals-scientific-purposes (2013)
- Coecke, S., et al. Guidance on good cell culture practice. A report of the second ECVAM task force on good cell culture practice. Alternatives to Laboratory Animals. 33 (3), 261-287 (2005).
- Journal of Visualized Experiments. General Laboratory Techniques. Journal of Visualized Experiments Database. , (2018).
- AAV-HT1080 Cells. Stratagene Available from: https://www.chem-agilent.com/pdf/strata/240109.pdf (2003)
- Strober, W. Trypan blue exclusion test of cell viability. Current Protocols in Immunology. 111 (3), 1-3 (2015).
- Bieber, S., et al. Extracorporeal delivery of rAAV with metabolic exchange and oxygenation. Scientific Reports. 3, 1538 (2013).
- Winbanks, C. E., Beyer, C., Qian, H., Gregorevic, P. Transduction of skeletal muscles with common reporter genes can promote muscle fiber degeneration and inflammation. PLoS One. 7 (12), 51627 (2012).
- Thomas, C. J., et al. Evidence that the MEK/ERK but not the PI3K/Akt pathway is required for protection from myocardial ischemia-reperfusion injury by 3′,4′-dihydroxyflavonol. European Journal of Pharmacology. 758, 53-59 (2015).
- Barger, A., et al. Use of alkaline phosphatase staining to differentiate canine osteosarcoma from other vimentin-positive tumors. Veterinary Pathology. 42 (2), 161-165 (2005).
- Gregorevic, P., et al. Evaluation of vascular delivery methodologies to enhance rAAV6-mediated gene transfer to canine striated musculature. Molecular Therapy. 17 (8), 1427-1433 (2009).
- Sharma, A., Ghosh, A., Hansen, E. T., Newman, J. M., Mohan, R. R. Transduction efficiency of AAV 2/6, 2/8 and 2/9 vectors for delivering genes in human corneal fibroblasts. Brain Research Bulletin. 81 (2-3), 273-278 (2010).
- Smejkal, G. B., Kaul, C. A. Stability of nitroblue tetrazolium-based alkaline phosphatase substrates. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 49 (9), 1189-1190 (2001).
- Falese, L., et al. Strategy to detect pre-existing immunity to AAV gene therapy. Gene Therapy. 24 (12), 768-778 (2017).
- Orlowski, A., et al. Successful transduction with AAV Vectors after selective depletion of anti-aav antibodies by immunoadsorption. Molecular Therapy – Methods & Clinical Development. 16, 192-203 (2020).
- Goossens, K., et al. Differential microRNA expression analysis in blastocysts by whole mount in situ hybridization and reverse transcription quantitative polymerase chain reaction on laser capture microdissection samples. Analytical Biochemistry. 423 (1), 93-101 (2012).
- Entrican, G., Wattegedera, S. R., Griffiths, D. J. Exploiting ovine immunology to improve the relevance of biomedical models. Molecular Immunology. 66 (1), 68-77 (2015).
- Walters, E. M., Prather, R. S. Advancing swine models for human health and diseases. Molecular Medicine. 110 (3), 212-215 (2013).
- Rapti, K., et al. Neutralizing antibodies against AAV serotypes 1, 2, 6, and 9 in sera of commonly used animal models. Molecular Therapy. 20 (1), 73-83 (2012).
- Tellez, J., et al. Characterization of naturally-occurring humoral immunity to AAV in sheep. PLoS One. 8 (9), 75142 (2013).
- Gupta, S., et al. Recommendations for the validation of cell-based assays used for the detection of neutralizing antibody immune responses elicited against biological therapeutics. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 55 (5), 878-888 (2011).
- Gupta, S., et al. Recommendations for the design, optimization, and qualification of cell-based assays used for the detection of neutralizing antibody responses elicited to biological therapeutics. Journal of Immunological Methods. 321 (1-2), 1-18 (2007).
- Shankar, G., et al. Recommendations for the validation of immunoassays used for detection of host antibodies against biotechnology products. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 48 (5), 1267-1281 (2008).
- U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration. Center for Drug Evaluation and Research (CDER). Immunogenicity Testing of Therapeutic Protein Products — Developing and Validating Assays for Anti-Drug Antibody Detection. U.S. Department of Health and Human Services Food and Drug Administration. , (2019).
- Baatartsogt, N., et al. A sensitive and reproducible cell-based assay via secNanoLuc to detect neutralizing antibody against adeno-associated virus vector capsid. Molecular Therapy – Methods & Clinical Development. 22, 162-171 (2021).
- Watano, R., Ohmori, T., Hishikawa, S., Sakata, A., Mizukami, H. Utility of micro mini pigs for evaluating liver-mediated gene expression in the presence of neutralizing antibody against vector capsid. Gene Therapy. 27 (9), 427-434 (2020).
- Majowicz, A., et al. Therapeutic hFIX activity achieved after single AAV5-hFIX treatment in Hemophilia B patients and NHPs with pre-existing anti-AAV5 NABs. Molecular Therapy – Methods & Clinical Development. 14, 27-36 (2019).
