Tools for the development of intensified perfusion processes for mammalian cell culture

Tid: Ti 2022-06-14 kl 13.00

Plats: FD5, Roslagstullsbacken 21, Stockholm

Videolänk: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_vf2gdwkYTOatngRI16Emxw

Språk: Engelska

Ämnesområde: Bioteknologi

Respondent: Hubert Schwarz , Industriell bioteknologi, Cell Technology Group

Opponent: Professor Mark Smales, School of Biosciences, University of Kent

Handledare: Universitetslektor Véronique Chotteau, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Industriell bioteknologi, Proteinvetenskap

Exportera till kalender

QC 2022-05-19

Abstract

Rekombinant proteinbaserade bioläkemedel har blivit en oumbärlig del av modern medicin för behandling av en mängd olika sjukdomar. Deras tillverkning är huvudsakligen baserad på däggdjursceller producerade i fed-batch odlingar i bioreaktorer, följt av nedströms reningsprocess utfärd batchvis. Trots att betydande förbättringar har skett under de senaste decennierna för att öka deras produktionstitrar, är deras höga kapitalinvesteringskostnader och begränsningar i produktionsflexibilitet problematiska. Till följd av detta övergår den biofarmaceutiska industrin sakta mot kontinuerlig tillverkning med perfusionsbioreaktorer och integrerade kontinuerliga nedströmsprocesser. Potentialen att upprätthålla mycket höga celltätheter under långa processtider i en perfusionsodling ger högre volymetrisk produktivitet jämfört med fed-batch. Denna intensifierade produktion för rekombinanta proteiner kan utföras i mindre volymer vilket minskar storlek på utrustning och kapitalkostnader. Nya utmaningar uppstår dock vid övergång till kontinuerlig process. Dessa inkluderar brist på nedskalningsmodeller för att effektivisera processutveckling, begränsad kunskap om optimering av odlingsmedium och strategier for perfusion, samt brist på verktyg för in-line monitoring av relevanta odlingsparametrar för att säkerställa stabil perfusionsproduktion med konsekvent produktkvalitet.

Denna avhandling presenterar verktyg för utveckling av intensifierade perfusionsprocesser baserade på däggdjursceller. Monoklonal antikropps-producerande Chinese Hamster Ovary celler (CHO) eller erytropoietin-producerande humana embryonala njurceller (HEK293) användes som modellorganismer i studierna. Ett småskaligt perfusionssystem på 200 mL utvecklades, optimerat för långtidsodlingar i stabilt tillstånd med celltätheter på minst 10⁸ celler/ml. Den volymetriska produktiviteten ökade linjärt med celltätheten, vilket visade framgångsrik processintensifiering med perfusion vid hög celltäthet. Tack vare den lilla storleken på perfusionsbioreaktorn, kunde ett större antal experiment med minskad arbetsbelastning och materialförbrukning genomföras inom en kortare tidsram i följande studier. För att kontrollera skapandet av biprodukter, såsom laktat, och N-glykosyleringen av antikroppar, vilket är en viktig kvalitetsegenskap, implementerades en ny feedingsstrategi för sockerarter inklusive glukos, mannos och galaktos. Med denna feedingsstrategi levereras sockerarterna för att matcha en målcellspecifik konsumtionshastighet, oberoende av den cellspecifika perfusionshastigheten (CSPR). Vidare utvecklades en perfusionsprocess med hög celltäthet vid en CSPR på 15 pL cell^-1 dag^-1 med hög specifik antikroppsproduktivitet efter sekventiell skanning av flera steady-states med olika celltätheter och perfusionshastigheter. Dynamiken i odlingsparametrar från dessa utvecklingskörningar möjliggjorde kalibrering av prediktiva modeller baserade på Raman-spektroskopi, för att möjliggöra realtidsmonitorering av flera parametrar i en perfusionsodling. Till exempel förutspåddes N-glykosyleringsprofilen med tillfredsställande noggrannhet i valideringsexperiment. Dessutom överfördes den perfusionsprocessen utvecklad i liten skala till en 30 L pilotskalaprocess, där den drevs framgångsrikt i 20 dagar. Driften i steady-state säkerställde en konsekvent produktkvalitet och den integrerade kontinuerliga nedströmsprocessen tog bort de flesta föroreningar, samtidigt som ett högt utbyte uppnåddes. Slutligen presenteras en strategi för optimering av perfusionsmedium för CHO-cellodlingar drivna vid mycket låg CSPR, genom att använda mikrobioreaktorer i kombination med Design of Experiment-metodik.

Sammanfattningsvis presenterar denna avhandling en verktygslåda med strategier för utveckling och kontroll av intensifierade perfusionsprocesser, samt stöder den biofarmaceutiska industrin i deras anpassning till kontinuerlig bioprocessteknik för kommersiell tillverkning av rekombinanta proteiner.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-312457

Till kalendern