PNAS：免疫浸润肾类器官芯片模型评估T细胞双特异性抗体

　　T细胞双特异性抗体(TCBs)是一类新兴的免疫治疗药物，有几种TCBs已被FDA批准用于治疗白血病、淋巴瘤和骨髓瘤。tcb用一端标记肿瘤细胞，用另一端吸引免疫细胞，迫使它们杀伤肿瘤细胞。然而，tcb发展的一个主要挑战是在体内表达tcb靶向抗原的部位具有“靶向，非肿瘤”毒性。Jennifer Lewis的团队和来自瑞士和德国罗氏创新中心的研究人员进行了一项新的合作，现在创造了一种免疫浸润的人类肾脏类器官芯片模型，该模型允许tcb的肾脏毒性。

　　

越来越多的基于细胞和分子的免疫疗法通过动员患者的免疫系统对抗肿瘤细胞，给顽抗癌症患者带来了新的希望。一类新兴的免疫疗法，被称为T细胞双特异性抗体(TCBs)，越来越重要，美国食品和药物管理局(FDA)批准了几种TCBs用于治疗白血病、淋巴瘤和骨髓瘤。这些抗体药物用一端标记肿瘤细胞，用另一端吸引免疫细胞，迫使它们杀死肿瘤细胞。

tcb和其他免疫治疗药物开发的一个主要挑战是，tcb靶向的抗原不仅可以存在于肿瘤细胞上，也可以存在于体内的健康细胞上。这可能导致“靶标上，肿瘤外”的细胞死亡和重要器官的不必要的损伤，如肾脏，肝脏和其他器官，这可能会使参加临床试验的患者处于危险之中。目前，还没有人体体外肾脏模型能够充分概括临床前阶段评估靶外肿瘤效应所需的器官的3D结构、细胞多样性和功能。

现在，一项新的跨学科、跨组织的研究创建了一种免疫浸润肾组织模型，用于研究tcb和潜在的其他免疫治疗药物的靶向、非肿瘤作用。由生物工程师和免疫肿瘤学家组成的团队在哈佛大学Wyss生物启发工程研究所、哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)、哈佛医学院(HMS)以及瑞士和德国的罗氏创新中心进行了这项研究，他们开发了一种免疫浸润的人类肾脏类器官芯片模型，该模型由含有血管和形成肾单位的微小肾脏组织片段组成。它可以被循环免疫细胞浸润。他们使用该模型来了解临床前TCB工具化合物的特异性毒性，该化合物针对某些肿瘤中特征明确的肿瘤抗原Wilms ' tumor 1 (WT-1)。重要的是，WT-1在肾脏中的表达水平也要低得多，这使得它成为研究其潜在的靶向、非肿瘤作用的重要器官。他们的研究结果发表在《美国科学院院刊》上。

“与我们在罗氏的合作者一起，我们扩展了我们的血管化肾脏类器官芯片模型，包括含有细胞毒性T细胞的免疫细胞群，这些细胞不仅可以杀死肿瘤细胞，还可以杀死其他呈递目标抗原的细胞，”Wyss Core教员Jennifer Lewis博士说。该研究的资深作者。“我们的临床前人类体外模型提供了关于哪些细胞被给定的TCB靶向以及如果有的话，会产生哪些脱靶损伤的重要见解。”刘易斯还是海洋与海洋学院Hansj?rg生物启发工程的Wyss教授，也是Wyss研究所3D器官工程计划的联合负责人。

将免疫系统植入肾脏类器官芯片

2019年，刘易斯的研究小组与布莱根妇女医院的Joseph Bonventre医学博士以及合著者Ryuji Morizane医学博士一起发现，将由人类多能干细胞产生的肾类器官暴露于分化过程中不断流动的液体中，相对于静态对照，可以增强其芯片上的血管化和肾小球和小管室的成熟。研究人员的观察是通过3D打印的微流控芯片实现的，其中肾脏类器官在分化过程中受到营养和分化因子负载介质的控制。该芯片装置允许研究人员通过透明窗口使用共聚焦显微镜直接实时观察组织。

“考虑到这个体外模型代表了肾脏中的大多数细胞类型，并结合了免疫系统，它可以支持评估tcb的靶标和脱靶效应以及复杂的细胞相互作用，”刘易斯实验室的前博士后研究员金伯利·霍曼博士说，他是最初工作的第一作者，也是这项新研究的共同通讯作者。此后，霍曼离开刘易斯的实验室，加入基因泰克，担任复杂体外系统实验室主任，继续为项目合作者提供专业知识。

为了应对这一挑战，该团队首先推进了他们的体外系统，使人类免疫细胞(统称为外周血单核细胞(PBMCs))能够通过它进行连续循环，并检索用于分析免疫细胞分泌蛋白的样本。他们证明，在5天的时间内，最佳流速能够支持“免疫效应”细胞(PBMCs的一个亚群，具有杀死其他细胞的能力)的生存能力，并且这些细胞实际上渗透到芯片上肾类器官中的肾元样结构和微血管中。

临床前WT-1靶向工具TCB (WT1-TCB)是在靶细胞(即表达WT-1的肿瘤细胞)表面HLA蛋白呈递时特异性结合WT-1抗原的。HLA通过熟悉人体正常的蛋白质储备，帮助免疫系统区分健康细胞上的蛋白质与肿瘤和外来入侵者产生的蛋白质。该团队首先调查了正常的WT-1蛋白是否在任何关键的肾细胞群中表达。他们发现WT-1在足细胞中表达，但在近端和远端小管细胞中检测不到。此外，他们发现这些分化的肾细胞类型中有很大一部分也表达HLA。

对TCB进行测试

为了了解WT1-TCB的特异性靶向作用，研究人员将它们与可以结合所有肾细胞类型抗原的非特异性TCB (esk1样TCB，阳性对照)和只能结合免疫细胞的TCB (DP47，阴性对照)产生的TCB进行了比较。当在高流量条件下将这三种化合物与pbmc一起引入肾脏类器官芯片模型超过5天时，确实引起了显著不同的效果。正如预期的那样，DP47导致很少的细胞死亡，而esk1样TCB通过招募免疫效应细胞以剂量依赖性的方式靶向并杀死所有类型的细胞。

“重要的是，我们的中心发现是WT1-TCB工具化合物导致选择性杀死肾类器官中表达wt -1的足细胞，而不影响远端和近端小管中的细胞。这令人信服地证明，我们的工程人类体外肾类器官芯片系统作为一种临床前药物开发工具，可用于评估tcb作为一种新型免疫疗法的靶上、肿瘤外毒性，”Katharina Kroll博士解释说，她是这项研究的第一作者之一，与Lewis一起完成了研究生工作，现在是她所在小组的博士后研究员。然而，当前肾脏类器官芯片系统的一个重要警告是，tcb和pbmc不像在体内那样通过相同的途径递送，它们通过肾小球室内血液的灌注和过滤进入肾细胞。然而，作者假设tcb在体内接近肾小球细胞上的WT1靶点的可能性很小。为了验证这一假设，Kroll现在正在领导一项工作，通过创建一个可灌注的血管化肾脏类器官芯片模型，使该团队的模型更具生理学相关性。

“詹妮弗·刘易斯团队的这一有趣的工业合作很好地展示了如何在学术研究、技术开发和特定治疗领域相互满足和推动的情况下促进药物开发，以改善那些迫切需要新疗法的患者群体。”Wyss创始董事Donald Ingber说，他是医学博士，也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的血管生物学Judah Folkman教授，以及哈佛大学John A. Paulson工程和应用科学学院的Hansj?rg Wyss生物启发工程教授。

该研究的其他作者包括刘易斯小组的共同第一作者玛丽安娜·玛塔;位于瑞士巴塞尔和德国慕尼黑罗氏创新中心的罗氏制药研究与早期开发部门的Virginie Micallef、Alejandro Carpy、Annie Moisan、Marcel Gruber、Antje-Christine Walz和Estelle Marrer-Berger;以及Morizane HMS集团的Ken Hiratsuka。该研究由罗氏巴塞尔创新中心的罗氏制药研究与早期开发、美国国立卫生研究院国家推进转化621科学中心(尽管UH3拨款奖励# TR002155)以及国际伦理研究基金会通过向Katharina Kroll提供奖学金资助。

文章标题

Immune-infiltrated kidney organoid-on-chip model for assessing T cell bispecific antibodies