Neue Ansätze zur populationsbasierten kinetischen Untersuchung und Modellierung von Hochzelldichte-Zellkulturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Säugerzellkulturen in Suspension zeigen eine starke Dynamik und ein hohes Ausmaß an interner Regulation, welche unter anderem durch das Fortschreiten der Zellen durch den Zellzyklus, aber auch durch Ausbildung unterscheidbarer, miteinander interaktierender Sub-Populationen, sowie die Sekretion und Aufnahme wachstumsabhängiger Botenstoffe bestimmt wird. Ziel dieses Projektes war es, unter möglichst realen Bedingungen, d.h. unter geringstmöglichen Störungen, das Verhalten von produzierenden Säugerzellkulturen bis zum Bioreaktormaßstab zu bestimmen. Als Modellzellkulturen wurden Chinese Hamster Ovary (CHO)-Zellen verwendet, welche einen Antikörper produzieren, sowie Human Embryonic Kidney-Zellen in Suspension (HEK293s). Im vorgestellten Projekt wurde erstmalig eine Verknüpfung von gut charakterisierten und annähernd physiologischen Kultivierungs- und Perturbationsbedingungen (physikalische Synchronisation) mit Populationsbilanzmodellierung und rigoroser statistischer Auswertung erzielt. Diese Kombination erlaubt zum einen die Identifikation von Zusammenhängen von Wachstums- und Produktionsparametem mit Kultivierungsbedingungen; so wurden beispielsweise signifikante Abhängigkeiten der zellmassespezifischen Produktionsraten von Aptikörper-produzierenden CHO-DP12 Zellen vom Zellzyklus und von einem postulierten "Autocrine“-Faktor identifiziert. Umgekehrt erlaubt diese statistisch abgesicherte Herangehensweise die Abschätzung oberer Grenzen potentieller Zusammenhänge bei gegebenen Messungenauigkeiten: So konnte der Einfluss von "Autocrine"-Effekten auf die Aufnahmeraten der Hauptsubstrate Glukose und Glutamin als gering bzw. nicht signifikant eingestuft werden. Auf ähnliche Welse wurden, im Widerspruch zu Literaturangaben, starke Zellzyklusabhängigkeiten in der Transfektionseffizienz von HEK293s-Zellen ausgeschlossen. Zusätzlich können mit neu entwickelten CHO-Zellinien-Derivaten sowohl Zellzyklus als auch Wachstumszustand at-line oder online via Fluoreszenz gemessen und diese Information zur Bestimmurig innerer Zustände genutzt werden, beispielsweise zur Früherkennung von Mangelzuständen. Die gesamte Methodik erlaubt somit die adaptive Kontrolle von Säugerzell-Kultivierungsprozessen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015). Growth kinetics and validation of near-physiologically synchronized HEK293s cultures. Eng. Life Sci., 15:509-518
Castillo, A. E. & Fuge, G., Jandt, U., Zeng, A.-P.
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(2016). Cell Culture Technology. Industrial Biotechnology: Products and Processes, Wiley-VCH, 129-158
Pörtner, R., Jandt, U., Zeng, A.-P.
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(2017). CHO cells engineered for fluorescence read out of cell cycle and growth rate in real time. Biotechnol. Prog., 33,1408-1417
Fuge G., Hong Y., Riecken K., Zeng A.-P., Jandt U.
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(2017). Weak cell cycle dependency but strong distortive effects of transfection with Lipofectamine 2000 in near-physiologically synchronized cell culture. Eng. Life Sci., 17(4):348-356
Fuge, G., Zeng, A.-P., Jandt, U.
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(2018), Population Dynamics in Antibody Producing CHO Cell Cultures. Chemie Ingenieur Technik, 90: 1285-1286
Möller, J., Pörtner, R., Zeng, A. and Jandt, U.
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(2018). Model-Based Identification of Cell-Cycle Dependent Metabolism and Putative Autocrine Effects in Antibody Producing CHO Cell Culture. Biotechol. Bioeng.
Möller, J., Körte, K., Pörtner, R., Zeng, A.-P., Jandt, U.
