Generation of CRISPR-Cas9-edited Tacrolimus-resistant SARS-CoV-2-specific T-cells for adoptive cell therapy in transplant patients

Abstract

Solid organ transplant recipients require permanent immunosuppression to prevent graft rejection. This impairs their immune response to infections and vaccines, putting transplant recipients at increased risk of developing viral complications. Transplant recipients are more likely to suffer from severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) when infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) than the healthy population. Although SARS-CoV-2 vaccination can reduce disease severity, transplant recipients partially show no, weak, or short-lived vaccine response. Therefore, SARS-CoV-2-specific adoptive T-cell transfer is considered as a therapeutic or preventive strategy for severe COVID-19 courses in transplant recipients. Adoptive antiviral T-cell therapy is an appealing treatment strategy for viral infections in immunocompromised or immunosuppressed patients; however, immunosuppression also impairs its efficacy. The present work established the production of SARS-CoV-2-specific T-cell products (TCPs) being resistant to the immunosuppressive drug tacrolimus (Tac). These could be used as a novel advanced therapeutic treatment approach against SARS-CoV-2 after transplantation. In addition, the combination of Tac and Tac-resistant SARS-CoV-2-specific TCPs could provide an innovative treatment approach for severe COVID-19 courses in non-transplant patients by not only preventing excessive immune responses that may occur as "bystander" T cell activation in COVID-19-associated immunopathology, but also by enabling efficient viral elimination. Tac-resistant SARS-CoV-2-specific TCPs were generated by virus-free CRISPR-Cas9-based gene editing of eight unvaccinated SARS-CoV-2 convalescents. The functionality of Tac-resistant TCPs in the presence of Tac was comparatively characterized with non-edited TCPs as a complete product at the proteome and single cell level using methods such as flow cytometry, cellular indexing of transcriptomes and epitopes (CITE-seq), and T cell receptor sequencing (TCR-seq). Promising study results suggest that a combination of Tac and adoptive transfer of Tac-resistant SARS-CoV-2-specific TCPs could prevent severe COVID-19 in immunosuppressed transplant patients, as well as immunopathology outside of the transplant field with concomitant viral elimination.

Die Empfänger von soliden Organtransplantaten benötigen eine dauerhafte Immunsuppression, um die Abstoßung des Transplantats zu verhindern. Dies beeinträchtigt ihre Immunantwort gegen Infektionen und Impfstoffe, so dass Transplantatempfänger einem er-höhten Risiko ausgesetzt sind, virale Komplikationen zu entwickeln. Transplantatempfänger leiden bei einer Infektion mit dem severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2) häufiger unter einem schweren Verlauf der Coronavirus Erkrankung 2019 (COVID-19) als die gesunde Bevölkerung. Obwohl die SARS-CoV-2-Impfung den Schweregrad der Erkrankung verringern kann, zeigen Transplantatempfänger teilweise keine, nur eine schwache oder kurzlebige Impfantwort. Daher wird der SARS-CoV-2-spezifische adoptive T-Zell-Transfer als Therapie oder zur Vorbeugung von schweren COVID-19 Verläufen in Transplantatempfängern in Betracht gezogen. Die adoptive antivirale T-Zell-Therapie ist eine attraktive Behandlungsstrategie von Virusinfektionen bei immungeschwächten oder immunsupprimierten Patienten, allerdings beeinträchtigt die Immunsuppression auch deren Wirksamkeit. In der vorliegenden Arbeit wurde die Herstellung von SARS-CoV-2-spezifischen T-Zellprodukten etabliert, die gegen das Immunsuppressivum Tacrolimus (Tac) resistent sind. Diese könnten als neuartiger fortschrittlicher therapeutischer Behandlungsansatz gegen SARS-CoV-2 nach einer Transplantation eingesetzt werden. Darüber hinaus könnte die Kombination aus Tac und Tac-resistenten SARS-CoV-2-spezifischen T-Zellprodukten eine innovative Behandlungsstrategie für schwere COVID-19 Verläufe bei nicht transplantierten Patienten darstellen, da nicht nur eine überschüssige Immunantwort, die als „Bystander“-T-Zell-Aktivierung in der COVID-19-assoziierten Immunpathologie auftreten kann, verhindert, sondern auch eine effiziente Viruseliminierung ermöglicht werden könnte. Tac-resistente SARS-CoV-2-spezifische T-Zellprodukte wurden durch virusfreie CRISPR-Cas9-basierte Gen-Editierung von acht ungeimpften SARS-CoV-2-Rekonvaleszenten hergestellt. Die Funktionalität der Tac-resistenten T-Zellprodukte in Anwesenheit von Tac wurde vergleichend mit nicht-editierten T-Zell-Produkten als Gesamtprodukt auf Proteomebene und auf Einzelzellebene charakterisiert, wobei Methoden wie die Durchflusszytometrie, die zelluläre Indexierung von Transkriptomen und Epitopen (CITE-seq) und die T-Zell-Rezeptor Sequenzierung (TCR-seq) verwendet wurden. Die vielversprechenden Studienergebnisse deuten darauf hin, dass eine Kombination von Tac und dem adoptiven Transfer von Tac-resistenten SARS-CoV-2-spezifischen T-Zellprodukten schwere COVID-19-Erkrankungen bei immunsupprimierten Transplantationspatienten, sowie Immunpathologien außerhalb des Transplantationsfeldes bei gleichzeitiger Viruseliminierung, verhindern könnte.