Apresentado aqui é um protocolo para o esclarecimento primário da cultura celular CHO usando um separador acústico. Este protocolo pode ser usado para o esclarecimento primário de culturas de frascos de shake ou colheitas de bioreatores e tem a aplicação potencial para esclarecimento contínuo do material de sangramento celular durante operações de bioreator de perfusão.
O esclarecimento primário é um passo essencial em um processo de biomamatificação para a remoção inicial de células de produtos terapêuticos dentro do fluido de cultura celular colhida. Embora métodos tradicionais como centrifugação ou filtragem sejam amplamente implementados para remoção de células, os equipamentos para esses processos têm grandes pegadas e a operação pode envolver riscos de contaminação e incrustação de filtros. Além disso, os métodos tradicionais podem não ser ideais para esquemas contínuos de bioprocessamento para esclarecimento primário. Assim, uma aplicação alternativa usando ondas acústicas (sonoras) foi investigada para separar continuamente as células do fluido da cultura celular. Apresentado neste estudo é um protocolo detalhado para o uso de um separador de ondas acústicas em escala de banco (AWS) para a separação primária do fluido cultural contendo um anticorpo IgG1 monoclonal de uma colheita bioreatorial de células CHO. Os dados representativos são apresentados da AWS e demonstram como alcançar esclarecimentos celulares eficazes e recuperação do produto. Finalmente, são discutidas aplicações potenciais para AWS em bioprocessamento contínuo. No geral, este estudo fornece um protocolo prático e geral para a implementação da AWS em esclarecimento primário para culturas celulares CHO e descreve ainda seu potencial de aplicação em bioprocessamento contínuo.
Um passo crítico em um processo de biomafafacturing envolvendo proteínas terapêuticas secretadas é a remoção da biomassa do fluido de cultura celular colhida (HCCF). Tradicionalmente, os biomanufaturadores têm adotado a centrifugação seguida da filtragem de profundidade como seus principais métodos de esclarecimento na produção de anticorpos monoclonais1. No entanto, a centrifugação pode levar a um alto estresse de tesoura nas células, resultando em aumento de detritos celulares no HCCF. Isso pode potencialmente levar à incrusção do filtro durante a filtragem e resultar em contaminantes extras pós-filtração que podem reduzir posteriormente a eficiência da cromatografia a jusante1,2,3. Além disso, a personalização das centrífugas para um determinado processo pode ser cara e pode exigir conexões adicionais para sistemas limpos no local e esterilizados no local que também podem ser um fator limitante para a escalabilidade. O uso de filtros de profundidade pode compensar as limitações da centrifugação e também aproveitar a tecnologia de uso único4. No entanto, os filtros de profundidade são usados principalmente como esclarecimento secundário porque não podem suportar altas densidades de cultura celular5. Alternativamente, dispositivos de retenção de células de filtragem de fluxo tangencial (TFF) foram empregados para mitigar o estresse da cisalhamento, mas podem experimentar desafios como a polarização da membrana e os baixos rendimentos da colheita6. As questões acima decorrentes do uso de centrifugação mais filtragem de profundidade ou TFF criam uma oportunidade para a melhoria do processo de esclarecimento primário do HCCF.
A separação acústica foi introduzida como uma tecnologia que pode ser utilizada para a colheita de proteínas secretadas de culturas celulares com produtos proteicos de alta qualidade7,8. A separação acústica é alcançada através da propagação e reflexão de ondas permanentes multidimensionais que interagem com fluidos suspensos e partículas retidas9,10. Essas partículas experimentam três forças: arrasto de fluidos, gravidade e radiação acústica. Quando cada uma das forças se opõe igualmente umas às outras, atingindo o equilíbrio, as partículas são suspensas e presas dentro da onda ultrassônica em pé10. Em uma suspensão da cultura celular, as células são mantidas dentro deste plano de nódulo de pressão de ondas paradas, o nó cresce à medida que as células se fundem, e eventualmente esses aglomerados de nós celulares caem da força gravitacional9. Essas células sedimentadas são então removidas da mídia, o que permite que a mídia clarificada seja bombeada para um processamento mais a jusante. A utilização de ondas ultrassônicas como método de separação começou a se traduzir em aplicações biológicas que vão desde a separação de partículas lipídicas e glóbulos vermelhos11 até a cultura celular de perfusão de mamíferos12. Com suas capacidades relativas para reduzir custos, mão-de-obra e estresse celular, evitando centrifugação, filtragem de profundidade ou TFF, os biomanufadores estão explorando as aplicações potenciais do uso da separação acústica.
Este estudo fornece um protocolo geral para operar um separador de ondas acústicas (AWS) para esclarecimento da cultura celular CHO, apresenta dados representativos e demonstra como alcançar esclarecimentos celulares eficazes e recuperação de produtos.
Descrito é um protocolo passo-a-passo para a implementação de um AWS em escala de banco no esclarecimento primário de um modelo de anticorpo monoclonal de HCCF de uma linha celular CHO. Como mostrado nos resultados representativos, o uso da AWS no esclarecimento primário resultou em esclarecimento celular efetivo e recuperação do produto. Além disso, o baixo nível de manutenção e requisitos operacionais e a capacidade de scale-up permitem um potencial de aplicação mais amplo no esclarecimento primário.
É importante ressaltar que os resultados representativos sugerem que a taxa de bomba de alimentação é fundamental para a separação das células. Além disso, devido a limitações na detecção de alta densidade celular na medição da turbidez, a densidade celular de trabalho é outro fator a ser considerado ao usar um sistema AWS. Como a sonda de turbidez será saturada ao executar material de alimentação de alta densidade celular, pode ser melhor calcular a eficiência de separação celular medindo as densidades celulares do material alimentar e o fluido de cultura celular esclarecido offline. Com uma medição de esclarecimento off-line precisa, uma estratégia de processo que pode ser considerada na resolução desses problemas é usar várias câmaras em série. Embora este protocolo esteja focado principalmente no uso de uma única câmara, este sistema pode operar três câmaras adicionais para esclarecimento sequencial das células que podem afetar minimamente a condição das células e resultar em alta recuperação do produto. Além disso, outros parâmetros, como energia para AWS e taxas de fluxo de remoção de células, podem ser ainda mais otimizados para tipos de células específicas ou modo de operação. No geral, recomenda-se uma otimização dos parâmetros de operação e estratégia utilizando essas considerações antes da implementação da AWS.
Entre muitos potenciais de aplicação, o uso de AWS em bioprocessamento contínuo é promissor. Como a AWS pode substituir a centrifugação e reduzir drasticamente a área da superfície do filtro14,o uso de AWS permitiria um fluxo constante de material livre de células para processos subsequentes de filtragem e cromatografia compatíveis com a biomataturação contínua. Devido a essa compatibilidade e disponibilidade de tecnologia de perfusão para alta densidade celular (por exemplo, >50 x 106 células/mL) e maior duração da cultura (por exemplo, >14 dias), a AWS tem o potencial de desenvolver uma nova estratégia de sangramento celular contínuo, além do esclarecimento primário.
Em alguns casos, até 30% da proteína terapêutica produzida é removida durante a operação de estado estável no material de sangramento celular15,16. Além disso, para que os anticorpos monoclonais removidos sejam agrupados com o material coletado padrão, certos atributos de qualidade devem ser atendidos. Quando essas especificações não são atendidas, o resultado pode ser uma rejeição do material que pode afetar o rendimento do produto. Para compensar essa perda de produto, um esclarecimento contínuo do material de sangramento celular utilizando AWS pode ser implementado em uma condição de estado estável durante um processo de perfusão de longo prazo17. Essa estratégia pode reduzir a perda do produto no material de sangria e utilizar mais da proteína produzida. Além disso, as células após o esclarecimento contínuo usando AWS poderiam potencialmente ser adicionadas de volta ao bioreator se desejadas para maior densidade celular e produtividade. Assim, o esclarecimento contínuo do material de sangramento celular com AWS pode oferecer uma oportunidade para aumentar o rendimento e/ou diminuir a área de superfície do filtro secundário em um determinado processo.
Em resumo, a utilidade da AWS não se limita a um simples esclarecimento primário, mas pode ter utilidade para aplicações em bioprocessamento contínuo que podem melhorar a taxa de fabricação e a flexibilidade operacional.
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de reconhecer Nilou Sarah Arden e Zhong Zhao por sua revisão construtiva deste manuscrito. Os autores também gostariam de agradecer a Lindsey Brown pela contribuição essencial durante este projeto. O financiamento interno parcial e apoio para este trabalho foi fornecido pelo Programa CDER Critical Path (CA #1-13) e pelo CDER Manufacturing Science, Innovation Center of Excellence Program (Berilla-CoE-19-49). Este projeto foi apoiado em parte pelo Programa de Participação em Estágio/Pesquisa no Escritório de Produtos de Biotecnologia, Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA, administrado pelo Oak Ridge Institute for Science and Education através de um acordo interagências entre o Departamento de Energia dos EUA e a FDA.
Esta publicação reflete as opiniões do autor e não deve ser interpretada para representar as opiniões ou políticas da FDA.
Acoustophorectic chamber | Pall | CAS-AC-K1 Cadence acoustic chamber kit | |
ActiCHO P | GE | SH31025.01 | powder medium |
AWS | Pall | CAS-SYS (60500101-SP) | |
Cadence Acoustic Separator Software | Pall | Cadence Acoustic Separator Interface Ver. 1.0.4 | |
CHO-K1 cells | VRC | VRC01 | |
Computer | Dell | Latitude 3470 | Windows 7, 64 bit OS |
Isopropanol (70%) | LabChem | LC157605 | 20L prepped 70% IPA |
L-glutamine | Corning | 25-005-CV | 200 mM stock solution |
Masterflex L/S 14 tubing | Cole-Parmer | 96400-14 | peroxide-cured silicone tubing, 25ft |
Masterflex L/S 16 tubing | Cole-Parmer | 96400-16 | peroxide-cured silicone tubing, 25ft |
Tubing set | Pall | CAS-FP-K1 Tubing set | |
Turbidity probe | Pall | CAS-TS-S1 (60500106) |