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Blitzlicht

Komplettes Portfolio für die Zellkulturentwicklung

Das Verringern von Produktionskosten („Cost-of-goods“) und der Entwicklungszeit („Time-to-market“) werden immer mehr zu erfolgsbestimmenden Faktoren im schnellwachsenden 163 Mrd. US-$-Markt für therapeutische Proteine und Antikörper. Der kombinierte Einsatz flexibler Einwegausrüstung für die Bioprozessentwicklung sowie innovativer Prozessanalysetechnik (Process Analytical Technology, PAT) ermöglicht dabei deutliche Effizienzsteigerungen in der Bioprozessentwicklung. Pall und die Pall-Division ForteBio haben unlängst ihr Produktportfolio für die schnelle Entwicklung und online-Überwachung qualitätsgesicherter Zellkulturprozesse für die biopharmazeutische Produktion vervollständigt. Neben einem brandneuen wellendurchmischten Einwegbioreaktorsystem steht Bioprozess- und Medienentwicklern ein Mikroreaktorsystem für die Hochdurchsatz-Prozessentwicklung sowie ein Analysesystem zur Echtzeit-Überwachung fermentationskritischer Proteine zur Verfügung.

Der Pall XRS 20 Single-Use-Bioreaktor und der Micro-24 MicroReactor beschleunigen die Auswahl der optimalen Zelllinien in der frühen Prozessentwicklung und vereinfachen die nachfolgende Prozessgestaltung. Systeme für die labelfreie Proteinanalyse von Pall ForteBio gestatten darüber hinaus die schnelle Quantifizierung von Proteinen und das Echtzeit-Monitoring der Proteinexpression, der Proteinselektivität und der biologischen Aktivität. Gemeinsam verbessern die Systeme die Effizienz und Wirtschaftlichkeit in der Zellkulturentwicklung und tragen zum Erreichen der Ziele der Quality-by-Design-Initiative der Food and Drug Administration (FDA) bei. Der Pall XRS 20-Bioreaktor ist ein wellendurchmischtes Einwegbioreaktorsystem, das sich für die Kultivierung von Säugerzellen in Suspensionskulturen unter kontrollierten Bedingungen eignet (Abb. 1). Es kann sowohl für Forschungsprojekte als auch für die GMP-gerechte Produktion von Volumina von zwei bis 20 Litern eingesetzt werden.


Single-Use-Bioreaktor im 20-Liter-Maßstab

In dem Bioreaktor ist das neuartige Konzept der biaxialen Durchmischung realisiert. Die resultierende Taumelbewegung verbessert die Mischleistung, den Sauerstoffeintrag sowie den Stofftransfer. Dies ermöglicht eine schnellere Nährstoffzufuhr und Entfernung von Metaboliten, so dass höhere Zelldichten und Vitalitäten erreicht werden. Verglichen mit konventionellen Systemen ergeben sich dadurch höhere Expressionsraten und Proteinkonzentrationen (Abb. 2).
Das System nutzt einen einfach installierbaren AllegroTM XRS 20 Single-Use-Biocontainer mit integrierten Filtern, Sensoren und Schlauchsets. Die Kontrolle aller relevanten Prozessparameter erfolgt über eine Touchscreen-Steuerung. Die Kultivierungseinheit ist während der Fermentation komplett geschlossen. Dies vermindert das Verletzungsrisiko durch sich bewegende Bauteile und schützt gleichzeitig lichtempfindliche Medienkomponenten.


Parallel-Bioreaktoren zur Prozessentwicklung

Die frühe Prozessentwicklung umfasst neben der Zelllinien- und Klonauswahl auch das Screening von Medien und der Substratzusammensetzung. Palls Micro-24 MicroReactor ermöglicht eine Prozess­entwicklung in hohem Durchsatz (High Throughput Process Development, HTPD) bei gleichzeitiger Kontrolle der Prozessparameter. Der Parallel­bioreaktor gestattet das systematische und zielgerichtete Auffinden der für den jeweiligen Prozess optimal geeigneten Zelllinien, die das gewünschte Zielmolekül in höchster Ausbeute und Qualität schnellstmöglich produzieren. Der MicroReactor arbeitet mit betabestrahlten Einwegkassetten, mit denen sich in separaten Reaktorzellen bis zu 24 verschiedene Fermentationen zugleich durchführen lassen.

Das System bietet die Möglichkeit, sowohl die Gelöstsauerstoffkonzentration als auch den pH-Wert sowie die Temperatur in jeder Kammer zu messen und individuell zu kon­trollieren. Die Zugabe von Gasen – Sauerstoff und Stickstoff zur Regelung der Gelöst-sauerstoffkonzentration sowie Kohlendioxid zur Regelung des pH-Werts – erfolgt über eine Injektionsöffnung am Boden der Kammern. Die Gase gelangen über ein Steigrohr an die Flüssigkeitsoberfläche und von dort in die Zellkultur, so dass eine Schädigung empfindlicher Zellen durch Aufschäumeffekte unterbleibt.
Der Micro-24-Bioreaktor ermöglicht ein frühzeitiges Screening von Klonen unter Reaktorbedingungen und beschleunigt das Optimieren von Prozessparametern. Die Ergebnisse lassen sich problemlos auf Rührkessel-Reaktoren größeren Maßstabs übertragen. Der Nährmedieneinsatz ist mit einem Kulturvolumen von nur fünf Millilitern je Reaktionsgefäß äußerst gering.


Labelfreie Proteinanalyse

Die Biolayer-Interferometrie (BLI) misst die Bindung von Molekülen auf Basis der optischen Interferometrie, das heißt der Überlagerung von Lichtwellen, die an zwei Grenzflächen reflektiert werden. Die Messung mit gebrauchsfertigen Biosensoren etabliert sich zusehends als Werkzeug zur Bestimmung der Konzentration von Proteinen oder „Small Molecules“ sowie der Bindungskinetik. Als optische online-Messmethode stellt die BLI eine echte Alternative zu langwierigen, bisher verbreiteten Messmethoden wie dem Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) oder der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) dar. Sie wird in der Arzneimittelentwicklung eingesetzt, um die Konzentration von Antikörpern und anderen Proteinen in Zellkulturüberständen zu bestimmen (Abb. 3).
Die Möglichkeit zur unmittelbaren Quantifizierung aktiver Proteine bietet gegenüber den traditionellen offline-Verfahren erhebliche Vorteile für die Zellkulturentwicklung. Die BLI-Technologie kann niedrigere Proteintiter bestimmen, weist einen höheren Durchsatz auf und kommt ohne kosten- und zeitaufwändige Systemreinigung aus. Anwender erhalten fundierte Entscheidungshilfen für das weitere Vorgehen und können den Bedarf an assay­spezifischen Reagenzien reduzieren und die erforderliche Probenmenge senken.
Im Gegensatz zu ELISA oder HPLC lässt sich die Quantifizierung mittels Pall ForteBio Octet®- oder BLItzTM-Systemen in den meisten Fällen auch für nicht aufbereitete Rohproben einsetzen. Zelltrümmer haben keinen Einfluss, so dass die Probenvorbereitung auf ein Minimum reduziert wird. Die Analyse der dem Bioreaktor entnommenen Proben ist auf diese Weise in einem schnellen Einstufen-Verfahren möglich. Mit einem Octet-High-Throughput-System lassen sich 96 Proben in zwei Minuten untersuchen, was eine sehr schnelle Identifizierung und Selektion der produktiv­sten Klone in gängigen Expressionssystemen eröffnet.

Fazit

Moderne BLI-Systeme, die ohne serviceintensive Mikrofluidik-Komponenten auskommen, werden allen Anforderungen an Genauigkeit, Präzision und Spezifität gerecht und bieten darüber hinaus einen breiten dynamischen Messbereich. Die Entwicklungs- und Optimierungszeiten bis zur Skalierung in den Produktionsmaßstab werden erheblich verkürzt.
Lief die Prozessentwicklung bis vor kurzem noch in Schüttelkolben ab, profitiert die Zellkulturtechnologie nun von neuartigen, auf­einander abgestimmten Bioreaktorsystemen, die die Prozessentwicklung beschleunigen und die Kultivierungsleistung verbessern helfen. Sowohl der neue Pall XRS 20 Single-Use-Bioreaktor als auch der seit drei Jahren etablierte Micro-24 MicroReactor unterstützen die Bioprozessentwicklung mit verbesserter Leistung und vereinfachter Bedienung. Komplementär dazu bietet die Biolayer-Interferometrie (BLI) zur labelfreien Proteinanalyse eine automatisierte Proteinquantifizierung in der Zellkulturentwicklung. Der einfache Dip-and-ReadTM-Ansatz
aller Pall ForteBio-Systeme ermöglicht durch einen direkten Bindungsassay präzise und schnelle Messungen von Konzentrationen und Bindungskinetiken, die für Drug
Discovery und Drug Development sowie die Produktion und die Qualitätskontrolle von Therapeutika von Nutzen sind.

Korrespondenzadressen

Dr. Hendrik Wünsche
Field Applications Specialist (Proteinanalyse)
hendrik_wuensche[at]europe.pall.com

Rainer Marzahl
Field Applications Specialist (Bioreaktoren)
rainer_marzahl[at]europe.pall.com

Dr. Dirk Sievers,
Technical Marketing Manager
dirk_sievers[at]europe.pall.com

Pall Life Sciences, BioPharmaceuticals
Philipp-Reis-Straße 6
63303 Dreieich
www.pall.com/biopharm

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