Modellgestützte Entwicklung der transienten Genexpression in Zellkulturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Produktion von pharmazeutischen Proteinen mittels transienter Genexpression in Mammaliazellen ist von industrieller Bedeutung und stellt eine schnelle und effiziente Alternative zur herkömmlichen, langwierigen Etablierung von stabil exprimierenden Zelllinien dar. Für Suspensionszellkulturen liegen allerdings noch nicht genügend systematische und quantitative Untersuchungen hinsichtlich der Transfektionsmechanismen und -effizienz vor. Das Projekt „TransExpress“ („Modellgestützte Entwicklung der transienten Genexpression in Zellkulturen“) behandelt die systematische modellgestützte Untersuchung transienter Transfektionsvorgänge in Suspensions-Säugerzelllinien. Hierbei kommen dynamische, stochastische und räumlich aufgelöste Modellierungs-Methoden zum Einsatz, wobei insbesondere Aktivtransport, Zellmorphologie und Zellpopulation berücksichtigt werden. Zur Untersuchung zellzyklusspezifischer Parameter sind synchronisierte Kultivierungen notwendig, um den Einfluss einzelner Zellzyklus-Phasen identifizieren zu können. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die valide Synchronisierung der Kultur gelegt worden, da bekannte und sehr häufig verwendete chemische Verfahren meist nicht zu tatsächlich synchronisierten Kulturen führen und auch physikalische Verfahren starke Artefakte erzeugen können, welche nachfolgende Messungen beeinträchtigen. An die mit hoher zeitlicher Auflösung (mindestens 4 Proben pro Zellzyklus) gewonnenen Daten kann das kombinierte populationsaufgelöste Modell angepasst und somit zellzyklusspezifische Parameter bestimmt werden. Im Rahmen des Projektes wurde für mehrere Säuger-Produktionszelllinien erfolgreich ein kombinierter experimenteller und nummerischer Ansatz etabliert, der folgende Vorgehensweise/Arbeiten beinhaltet: 1. Entwicklung einer Synchronisierungsmethodik mit hoher Zellausbeute, 2. Charakterisierung der Synchronisationsqualität, 3. Kultivierung im geregelten Bioreaktor (auch unter Hochzelldichtebedingungen), 4. numerische Anpassung zellzyklusspezifischer Parameter und Überprüfung der Anpassungssignifikanzeneines räumlich aufgelösten Modells. Diese Kombination ermöglicht erstmalig die systematische und modellgestützte Untersuchung und Optimierung dynamischer Prozessein variierend zusammengesetzten Suspensions-Säugerzellkulturen unter physiologischen, also produktionsrelevanten Bedingungen. Für transiente Transfektionsvorgänge in synchronisierten Kulturen zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Transfektionseffizienz von der Phasenverteilung der Kultur zum Transfektionszeitpunkt. Der umgekehrte Einfluss des Transfektions- und Produktionsprozesses auf die Synchronität der Kultur kann außerdem gut modellbasiert vorhergesagt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010). Spatiotemporal modeling of transient transfection processes in mammalian cell culture. Chemie IngenieurTechnik, 82(9):1503
Jandt, U., Shao, S., Binius, S., Wirth, M., and Zeng, A.
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(2011). Spatiotemporal modeling and analysis of transient gene delivery. BiotechBioeng, 108(9):2205–2217
Jandt, U., Shao, S., Wirth, M., and Zeng, A.-P.
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(2012). Synchronisation einer eukaryotischen Produktionszelllinie für systembiologische Untersuchungen. In GVC/DECHEMA Vortrags- und Diskussionstagung
Platas Barradas, O.,Jandt, U., Babitzky, A., Sandig, V., Pörtner, R., Scheper, T., and Zeng, A.-P.
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(2013). An integrated synchronization approach for studying cell-cycle dependent processes of mammalian cells under physiological conditions. In Proc. ESACT
Platas Barradas, O.,Jandt, U., Sandig, V., Pörtner, R., and Zeng, A.-P.
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(2013). Modellgestützte Untersuchungen synchronisierter Zellkulturen. In GVC/DECHEMA Vortrags- und Diskussionstagung, number 1027
Jandt, U., Platas Barradas, O., Pörtner, R., and Zeng, A.-P.
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(2014) Mammalian cell culture synchronization under physiological conditions and population dynamic simulation. Appl Microbiol Biotech, May 2014, Volume 98, Issue 10, pp 4311–4319
Jandt, U., Platas Barradas, O., Pörtner, R., and Zeng, A.-P.
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Synchronized mammalian cell culture: Part I – a physical strategy for synchronized cultivation under physiological conditions. Biotech Prog, Vol 31 Issue 1, January/February 2015, Pages 165-174
Platas Barradas, O., Jandt, U., Becker, M., Bahnemann, J., Pörtner, R., and Zeng, A. P.
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Synchronized mammalian cell culture: Part II – population ensemble modeling and analysis for development of reproducible processes. Biotech Prog, Vol 31 Issue 1, January/February 2015, Pages 175-185
Jandt, U., Platas Barradas, O., Pörtner, R., and Zeng, A.-P.
