Development and characterisation of advanced cell therapies based on multipotent mesenchymal stromal cells and virus-specific Tlymphocytes

Abstract

El desenvolupament de noves teràpies s’està duent a terme arreu del món per poder fer front a les necessitats clíniques que actualment no disposen de tractament. En particular, els avenços en productes medicinals de teràpia avançada (ATMP) són una gran promesa per al tractament de malalties sense altres opcions terapèutiques. Tanmateix, els investigadors i les autoritats reguladores que implementen aquestes teràpies lluiten per estandarditzar tant els protocols com els productes finals. Entre els reptes s’inclouen l’elevada intervariabilitat de donants i mecanismes d’acció complexos. A més, és necessari demostrar l’activitat biològica d’aquestes teràpies mitjançant assajos de potència. Aquesta tesi consisteix en el desenvolupament i caracterització de dos ATMP basats en cèl·lules multipotents estromals mesenquimals (MSC) i cèl·lules T específiques de virus (VST). D'una banda, s’ha fet l’avaluació d'un test de potència i identitat per la producció de MSC aïllades de la gelatina de Wharton (WJ) i de la medul·la òssia (BM). L’objectiu proposat per MSC era realitzar: a) un assaig de potència per avaluar la capacitat immunomoduladora de les MSC; b) la revisió de l’expressió del HLA-DR pels criteris de definició de les MSC; i c) l'aplicació d’una eina per gestionar el risc. En aquest treball es presenta l’optimització d’un assaig d’immunopotència, validat i aprovat per l’autoritat competent per a l’alliberament de producte. S’ha estudiat l’expressió del HLA-DR, marcador suposadament negatiu, en les BM-MSC de grau clínic. Els resultats van mostrar una correlació entre l’expressió del HLA-DR i els nivells d’IL-17F i IL-33. L'expressió del HLA-DR no va afectar la identitat de les MSC, ni el potencial de diferenciació ni la capacitat immunomoduladora. Per reforçar aquests resultats, es van realitzar estudis interlaboratori obtenint resultats similars. L'ús de suplements basats en sèrum humà o lisat plaquetari no mostrava diferències en l'expressió de HLA-DR en MSC. També es va implementar la gestió de riscos com a eina de qualitat per detectar debilitats d’un bioprocés. Aquests enfocaments s’han dut a terme per MSC en assajos clínics. D'altra banda, es va realitzar el desenvolupament d'un protocol d'expansió ex vivo de VST. La teràpia amb VST està destinada a pacients immunocompromesos, susceptibles de patir una reactivació o infecció de novo de l’herpesvirus entre d’altres. És el cas del citomegalovirus (CMV), que pot produir una infecció lleu en individus sans, però té una elevada morbiditat i mortalitat en individus immunocompromesos. Els medicaments antivirals disponibles poden produir toxicitat i no sempre són efectius. La immunoteràpia adoptiva ofereix una alternativa als pacients en una situació crítica i sense altres opcions terapèutiques. Per satisfer aquesta demanda es va elaborar un protocol de fabricació de VST fàcilment transferible als estàndards farmacèutics. Amb el mètode proposat, després d’un cocultiu de 14 dies amb cèl·lules dendrítiques polsades amb pp65, es van obtenir un gran nombre de VST. El cultiu es basava en la tecnologia G-Rex i es suplementava amb IL-2, IL-7, IL-15, i anticossos anti-CD3 i anti-CD28. El producte final es va caracteritzar àmpliament i estava format per limfòcits T CD4+ i CD8+, on la subpoblació majoritària corresponia a les cèl·lules T efectores de memòria, població coneguda per proporcionar una funció efectora. Cal destacar la citotoxicitat de les cèl·lules expandides específicament enfront al pp65. Els estudis d’al·loreactivitat amb HLA totalment incompatibles, van mostrar una lisi cel·lular per sota del 5%. En resum, s’ha descrit un protocol transferible a les normes de correcta fabricació actuals i un producte segur i eficaç in vitro, funcional després de la descongelació. El darrer fet, facilitaria la generació d’un banc al·logènic de VST. Les perspectives de futur inclourien la fabricació de cèl·lules T específiques per a múltiples virus.

Innovative therapies are being developed worldwide to tackle unmet clinical needs. In particular, progress in advanced therapy medicinal products (ATMP) has shown great promise for the treatment of diseases with no other option available. However, researchers and regulatory authorities deal with the sophisticated nature of these medicines, and struggle to standardise both production protocols and final product formulation. Challenges related to the living nature of these products include high donor intervariability and complex mechanisms of action, which are sometimes not completely understood. Additionally, these newly therapies need to demonstrate biological activity with potency assays. This dissertation comprises the development and characterisation of two different ATMP based on multipotent mesenchymal stromal cells (MSC) and virus-specific T cells (VST). On the one hand, assessment of identity and potency for product release of MSC isolated from Wharton’s jelly (WJ) and bone marrow (BM) in the context of current good manufacturing practice (cGMP) production is performed. In this regard, we aimed at proposing: a) a potency assay for assessing immunomodulation capacity of MSC; b) the revision of HLA-DR expression profile for MSC definition criteria; and c) the application of risk management methodologies in the assessment of product quality. The optimisation of an immunopotency assay, validated, and approved by the competent authority for product release is presented. Moreover, other quality attributes of MSC are addressed. Regarding BM-MSC, the apparently random expression of HLA-DR, a marker that was expected negative in expansion cultures of MSC, is studied in clinical grade productions. Our findings showed correlation of HLA-DR expression with levels of IL-17F and IL-33. Expression of HLA-DR did not affect MSC identity, differentiation potential nor immunomodulatory capacity. To further strengthen these outcomes, interlaboratory studies were performed obtaining similar results. Furthermore, the use of either human sera or platelet lysate supplements showed no differences in terms of HLA-DR expression. A risk management assessment methodology was also implemented as a tool for quality by design to detect weaknesses of an established bioprocess involving MSC products already in clinical trials. On the other hand, regarding T lymphocytes, the development of a protocol for ex vivo expansion of VST was performed. VST therapy is intended for immunocompromised patients, which are susceptible of reactivation or de novo infection of herpesviruses among others. This is the case of cytomegalovirus (CMV) that undergoes a mild infection in healthy individuals but has been associated to a high morbidity and mortality in immunocompromised individuals. Unfortunately, available antiviral drugs can produce toxic side effects and are not always effective. Adoptive immunotherapy offers an alternative approach for those patients in a critical situation with no other therapeutic option. Therefore, we developed a protocol for VST scale-up manufacture easily transferable to pharmaceutical standards. Following with the method proposed, we obtained large number of CMV pp65-specific T cells after 14-day co-culture with pp65 pulsed dendritic cells. Culture was based on G-Rex bioreactor technology and supplemented with IL-2, IL-7, IL-15, anti-CD3 and anti-CD28 antibodies. The final product was extensively characterised in terms of identity, purity and potency. VST product was comprised of both CD4+ and CD8+ T lymphocytes, and effector memory T cells represented the major subset, which are known to provide effector function. Most importantly, we successfully demonstrated pp65 specific cytotoxicity of the expanded cells. Interestingly, complete HLA mismatch alloreactivity resulted in less than 5% cell lysis. In summary, a feasible protocol transferable to cGMP was described for an in vitro safe and effective product, which remain functional after thawing, thus providing practical evidence for the generation of an allogeneic third-party bank. Future perspectives would include the manufacture of multivirus-specific T cells.