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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet:
Diese Erfindung betrifft ein Säugetierzellkulturverfahren
im Produktionsmaßstab
und insbesondere ein neues Impfgut-Folgevermehrungsverfahren („seed-train
expansion") für Säugetierzellen.
Kryokonservierte Zellen werden verwendet, um direkt in einen neu
entworfenen Bioreaktor zu inokulieren, der als Impfgutquelle im
Produktionsmaßstab dient.
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Hintergrund:
Der Beginn einer neuen Zellenimpfgut-Folgevermehrung für eine Produktionskampagne
zur Expression eines Säugetierzellkultursystems
ist ein kritischer Verfahrensschritt. Unbeständigkeiten und Fehler im Betrieb
kompromittieren oftmals das Verfahren, was zu signifikanten Verspätungen und
Inokulum-Variabilität
führt.
In typischen Produktionsprotokollen beginnt eine neue Impfgut-Folgevermehrung
aus einem 1- bis 2-ml-Kryoröhrchen (Master
Working Cell Bank, MWCB). Die Zellkonzentration dieses Behälters liegt
normalerweise im Bereich von 5–10
Millionen Zellen/ml. Die Zellen werden aufgetaut, gewaschen, um
das Gefrierschutzmittel zu entfernen, und danach erstmals in kleinen
Gewebskulturflaschen gezüchtet
(beimpft). Bei Säugetierzellkulturen
ist es standardmäßig üblich, Inokulationsdichten
von 0,5 bis 1 × 106 Zellen/ml zu verwenden. Das Beimpfen von
Zellen bei niedrigeren Zellkonzentrationen nach der Kryokonservierung
kann zu einer verlängerten
Verzögerungsphase
vor dem Beginn der Wachstumsphase führen sowie zu schlechter Zellleistung
oder sogar zum Zelltod. Dies ist besonders bei den serumfreien oder
sogar in den proteinfreien Zellkulturmedien hervorgehoben, die der
modus operandi in der aktuellen Zellkulturherstellung geworden sind.
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Die
Zellen werden gemäß ihrer
spezifischen Wachstumsrate (Zelldichte) subkultiviert und normalerweise
alle 2–3
Tage in mehrere Zellkulturflaschen aufgeteilt. Ist einmal genügend Biomasse
produziert worden, werden die Zellen in größere Kultivierungsflaschen,
wie z.B. Rollflaschen, Schüttelflaschen oder
rotierende Flaschen, expandiert. Nachdem genug Zellmasse angehäuft worden
ist, wird ein Bioreaktor, der für
den Reaktor im Produktionsmaßstab
zu der Impfgutkultur wird, inokuliert. Diese be schriebene Impfgut-Folgevermehrung
ist ein allgemein übliches Verfahren
für mehrere
Säugetierzelllinien
und wird in der kommerziellen Herstellung und in der Wissenschaft
auf breiter Basis verwendet. Ein Überblick über eine kommerzielle Impfgut-Folgevermehrung unter
Verwendung von T-Flaschen und Rollflaschen ist ebenso bei Whitaker
et al., Journal of the American Chemical Society, 28–43 (1998),
zu finden.
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Typische
Protokolle zur Maßstabsvergrößerung,
deren Vollendung unter optimalen Bedingungen etwa vier bis sechs
Wochen benötigen,
sind arbeitsintensiv und anfällig
für Verunreinigungen
und Variabilität.
Die Bedingungen in kleinem Rahmen sind nicht klar definiert, normalerweise
gibt es keinen Sollwert für
pH und DO während
der T-Flaschen-Periode, der Rollflaschenperiode oder der Schüttelflaschenperiode,
was während
des ganzen Verfahrens zu mehr Variabilität führen kann und die Qualität des Inokulum
und des Produkts kompromittieren könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfinder haben einen neuen Bioreaktor und ein Verfahren für die Impfgut-Folgevermehrung von
Säugetierzellen
entwickelt. Dieses Verfahren eliminiert die Verwendung von Gewebskulturflaschen, Rollflaschen
oder Schüttelflaschen.
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Der
neue Inokulations-Bioreaktor der Erfinder ist so gebaut, dass er
ein verbessertes Verfahren einer Säugetierzellenimpfgut-Folgevermehrung
erleichtert, und zeichnet sich durch das Vorhandensein eines „Inokulationswells" aus, der mit dem
Inneren des Bioreaktors in Verbindung steht und der das Wachstum
von Säugetierzellen
zur kommerziellen Impfgut-Folgevermehrung erleichtert.
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Das
Verfahren der Erfinder zur Impfgut-Folgevermehrung von kryokonservierten
Zellen umfasst die Verwendung eines spezifischen Inokulations-Bioreaktors
mit einem Inokulationswell zur Expansion der Zellen vor ihrem Transfer
in einen Produktionsbioreaktor. Spezifischer umfasst das Verfahren
der Erfinder die Zugabe der kryokonservierten Zellen zu Medien in
dem Inokulationswell des Inokulations-Bioreaktors, das Ermöglichen
des Wachstums der Zellen bis zu einer vorbestimmten Konzentrati on
in einem Inokulationswell durch Beobachten und Anpassen der Bedingung
der Medien und der Umgebung sowie das darauf folgende schrittweise
Vergrößern des
Volumens der Medien im Reaktor, so dass ein optimales Zellwachstum
beibehalten wird. Ist die gewünschte
Zelldichte und das Volumen einmal erreicht, so werden die Zellen
in einen Produktionsbioreaktor transferiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Inokulations-Bioreaktor einen „Inokulationswell", der sich am Boden
der Reaktorkammer befindet. Dieser Inokulationswell ist mit Fermentationssensoren
(pH, gelöster
Sauerstoff, Temperatur, optische Dichte etc.) ausgestattet, um bei
der Sicherstellung optimaler Kulturbedingungen zu helfen. Insbesondere
wird bevorzugt, wenn der Inokulationswell so adaptiert ist, dass
er einen Impellerantrieb durch eine Flüssigkeitsbewegungsvorrichtung
eines kontinuierlich gerührten
Reaktors (CSTR) umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
den Stand der Technik des Impfgut-Folgevermehrungsverfahrens.
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2 zeigt
das bevorzugte Verfahren dieser Erfindung.
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3 zeigt
das Konzept des Inokulationswell-Inokulationsbioreaktors.
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4 zeigt
eine kontinuierliche Perfusionskultur, die im Bioreaktor, der den
5-l-„Inokulationswell" enthält, durchgeführt wird,
beginnend mit BHK-Zellen, die im 50-ml-Beutel kryokonserviert sind. Die
lebensfähige
Zelldichte (VCD [•])
und das Viabilitätsprofil
[] werden gezeigt. Während
der Kultur war die Lebensfähigkeit
der Zellen hoch. Die Target-Zelldichte von 20 Millionen Zellen/ml
bei einer Größe von 5
l wurde innerhalb von 12 Tagen erreicht.
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5 zeigt
die Wirkung eines DMSO-Waschschritts während der Impfgut-Folgevermehrung
von BHK-Zellen. In der 12-l-Kultur (leere Symbole) wurde ein DMSO-Waschschritt durchgeführt, während die
zweite 5-l-Kultur (ausgefüllte
Symbole) direkt ohne Waschen der Zellen inokuliert wurde. Wie angegeben,
wurde keine negative Wirkung beobachtet, sowohl die Zell-Lebensfähigkeit
als auch das Zellwachstum zeigten keinen Unterschied.
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6 zeigt
eine kontinuierliche 12-l-Bioreaktor-Kultur, die mit im 50-ml-Beutel
kryokonservierten BHK-Zellen begonnen wurde, es wurde keine DMSO-Waschung
vor der Inokulation durchgeführt.
Die lebensfähige
Zelldichte (VCD [•])
und das Viabilitätsprofil
[] werden gezeigt. Die Target-Zelldichte von 20 Millionen Zellen/ml
bei einer Größe von 12
l wurde innerhalb von 14 Tagen erreicht.
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7 zeigt
eine 5-l-Kultur rekombinanter CHO-Zellen, die mit im 50-ml-Beutel
kryokonservierten CHO-Zellen begonnen wurde, es wurde keine DMSO-Waschung
vor der Inokulation durchgeführt. Die
lebensfähige
Zelldichte (VCD [•])
und das Viabilitätsprofil
[] werden gezeigt. Die Target-Zelldichte wurde innerhalb von 6 Tagen
erreicht.
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8a zeigt
zwei 5-l-Kulturen, die mit im 50-ml-Beutel, eine zweite Kultur mit
in einem 100-ml-Beutel, kryokonservierten rBHK-Zellen begonnen wurde,
es wurde keine DMSO-Waschung vor der Inokulation durchgeführt. Die
lebensfähige
Zelldichte (VCD [•])
und das Viabilitätsprofil
[] werden gezeigt. Die Target-Zelldichten von 20 Millionen Zellen/ml
bei einer Größe von 5
l wurde bei beiden Kulturen innerhalb von 10 Tagen erreicht.
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8b zeigt
zwei 12-l-Kulturen, die mit in 50-ml- und 100-ml-Beuteln kryokonservierten
rekombinanten CHO-Zellen begonnen wurde, es wurde keine DMSO-Waschung
vor der Inokulation durchgeführt.
Die lebensfähige
Zelldichte (VCD [•])
und das Viabilitätsprofil
[] werden gezeigt. In beiden Kulturen wurden keine negativen Auswirkungen
bemerkt.
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SPEZIFISCHE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Materialien und Verfahren
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Dieses
Impfgut-Folgevermehrungsverfahren wurde anfänglich für eine rekombinante Baby-Hamsternieren-(BHK-)Zelllinie
sowie eine Chinahamster-Ovarial-(CHO-)Zellinie entwickelt, die menschliche
Proteine exprimierten. Die für
diese Erfindung verwendeten Zellen wurden einem 12-l-Perfusions-Bioreaktor
entnommen, der 20 × 106 Zellen/ml enthält. Die Zellen wurden kultiviert
und in Säugetierzellkulturmedium
eingefroren, das auf einer im Handel erhältlichen DMEM/Ham-F12-Formulierung
(1:1), hergestellt von JRH (Lenexa, KS) oder Life Technologies (Grand
Island, NY), basiert und mit Eisen, Pluronic F68 (BASF, Pardipanny,
NJ), rekombinantem menschlichem Insulin (Humulin, Eli Lilly, Indianapolis,
IN) ergänzt
und im Wesentlichen frei von anderen Proteinen ist. Das Gefriermittel
enthielt 7,5 % Dimethylsulfoxid (Sigma, St. Louis, MO) als Gefrierschutzmittel.
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Die
zur Lagerung verwendeten Kryokonservierungsbeutel (CryocyteTM 250 ml oder 500 ml, Nexell Therapeutics
Inc. Irvine, CA) enthielten 50–100 ml
Zellsuspension und wurden vor dem Transfer in ein Flüssig-N2-Gefriergerät (Forma Scientific, OH) in einem –40-°C-Gefriergerät (Revco,
Asheville, NC) eingefroren. Die Zellen wurden auf etwa 40 × 106 Zellen/ml in 50 ml oder auf 20 × 106 Zellen/ml in 100 ml konzentriert, um eine
anfängliche
Bioreaktor-Zelldichte von 1 Million Zellen/ml in 2 l Volumen sicherzustellen.
Zelldichten von 0,5–1 × 106 Zellen/ml werden normalerweise verwendet,
um ein neues Impfgut-Folgevermehrungsverfahren zu beginnen.
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Die
BHK-Zellen im Kryokonservierungsbeutel wurden unter Verwendung eines
37-°C-Wasserbads
aufgetaut. Die Zellsuspension wurde in ein Zentrifugenröhrchen transferiert,
mit frischem Medium (1:1) verdünnt
und bei 1000 bis 1200 U/min leicht zentrifugiert. Der Überstand
wurde verworfen, das Zellpellet wurde in frischem Medium resuspendiert und
in eine sterile Flasche transferiert, um den „Inokulationswell"-Bioreaktor zu inokulieren. Dieser Waschschritt
wird verwendet, um das meiste des DMSO zu entfernen, und wird bei
Säugetierzellkultur häufig angewendet.
Später
wurde dieser DMSO-Waschschritt eliminiert, und die Zellen wurden vom
Beutel direkt in den Bioreaktor transferiert. (Elimination des DMSO-Waschschritts
ermöglicht
den Betrieb und Erhalt eines geschlossenen Systems, wodurch die
Möglichkeit
für eine
Verunreinigung des Systems reduziert wird. Siehe Beispiel 2.)
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Dieselbe
Technologie wurde auch für
rekombinante CHO-Zellen verwendet.
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Es
wurden zwei verschiedene Bioreaktoren verwendet. Beide von ihnen
wiesen das gemeinsame Merkmal der Fähigkeit der Inokulation in
einen „Inokulationswell" mit einem Volumen
von 2 Litern auf.
- 1. 5-l-Kulturen wurden in
7-l-Applikon-Bioreaktoren durchgeführt (Schiedam, Niederlande),
die zur Belüftung
mit einer gesinterten Edelstahl-Fritte ausgestattet waren (Mott
Metallurgical, Farmington, CT). Eine Zelltrennungsvorrichtung wurde
verwendet, um Zellen innerhalb des Gefäßes zu halten und um einen
Betrieb im kontinuierlichen Perfusionsmodus zu ermöglichen.
Das Reaktorsystem ist in der Lage, zumindest 20 Millionen Zellen/ml
in einem Volumen von 5 l zu unterstützen. pH, gelöster Sauerstoff,
Temperatur und optische Dichte wurden durch Sonden gemessen, die
in die Kultur eingetaucht waren, wenn ein Volumen von zumindest
2 l verwendet wurde. Der Reaktor wurde mit einem Edelstahl-Inokulationswell
mit einem Volumen von 2 l entworfen.
- 2. 12-l-Kulturen wurden in einem maßgeschneiderten 15-l-Bioreaktor
durchgeführt.
Der Edelstahl-Inokulationswell des Reaktors war derselbe (2 l Volumen)
wie beim 7-l-Gefäß. Es wurde
jedoch ein konischer Flansch verwendet, um den Durchmesser und das
Volumen des oberen Teils (3) zu vergrößern. Eine
Belüftung
wurde durch eine gesinterte Edelstahl-Fritte erreicht (Mott Metallurgical,
Farmington, CT). Für
die kontinuierliche Perfusionstechnologie wurde eine Zelltrennvorrichtung
verwendet. Dieses Reaktorsystem ist in der Lage, zumindest 20 Millionen Zellen/ml
in einem Arbeitsvolumen von 12 l zu unterstützen.
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Beide
Bioreaktorsysteme wurden unter Verwendung einer DCU von B. Braun
(Digitalen Steuereinheit, B. Braun International, Melsungen, Deutschland)
gesteuert, und zwar zu den anderswo beschriebenen Betriebsbedingungen.
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Das
Verhältnis
zwischen der Größe und der Zelldichte
des verwendeten Kryobehälters
und des Inokulationswells (V
IR min) des
Inokulationsreaktors kann durch die folgende Formel bestimmt werden:
wobei X
bag die
Zelldichte im Kryobehälter
und V
bag das Volumen ist. X
IR
start ist die gewünschte
Start-Zelldichte im Inokulationswell des Inokulationsreaktors, normalerweise
1 × 10
6 Zellen/ml.
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Das
Endvolumen des Inokulationsreaktors (V
IR max)
hängt vom
Volumen des Produktionsreaktors ab, der verwendet wird, und kann
mittels folgender Formel bestimmt werden:
wobei X
PR die
angestrebte anfängliche
Zelldichte im Produktions-Bioreaktor ist (normalerweise 1 × 10
6 Zellen/ml), V
PR das
Volumen des Produktionsreaktors ist und X
IR die
Endzelldichte im Inokulum-Bioreaktor ist. Der Inokulationswell des
Bioreaktors ist normalerweise klein (bei den vorliegenden Beispielen
wurde ein 2-l-Inokulationswell verwendet), und das Volumen kann
durch Erhöhen
des Durchmessers und der Höhe
des Bioreaktors vergrößert werden.
Da V
IR max nicht einschränkend ist, kann dasselbe „Inokulationswell"-Konzept auf das
Design größerer Bioreaktoren angewandt
werden (siehe
3).
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Die
in den 7-l- und 12-l-Systemen durchgeführten Kulturen wiesen ein anfängliches
Volumen von 2 l auf. Dies ist das minimale Volumen, das notwendig
ist, um den pH-Sensor,
die Elektroden für
gelösten
Sauerstoff und den Temperatursensor einzutauchen. Unter Verwendung
der Kopfraum-Belüftung wird
direkt nach der Inokulation eine Belüftung durchgeführt. Das
Volumen wird schrittweise erhöht,
um die Zelldichte zwischen 0,8 und 1,2 × 106 Zellen/ml
zu halten. Eine Sauerstoffanreicherung mittels Gas-Besprengung wird
verwendet, wenn das Volumen einmal vier Liter erreicht hat. Die
zellspezifische Perfusionsrate wurde zu allen Zeiten bei 0,5–0,7 nl/Zelle/Tag gehalten.
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Eine
Oftline-Probenahme wurde täglich durchgeführt, um
Zell- und Metaboliten-Konzentrationen
zu bestimmen. Zellzählungen
und die Viabilität wurden
unter Verwendung eines Hämacytometers und
dem Trypanblau-Exklusionsverfahren bestimmt. Es wurde ein YSI-Analysegerät (Yellow
Springs Instruments) verwendet, um Glucose-, Lactat-, Glutamat-
und Glutamin-Konzentrationen der Proben zu messen. LDH und Ammoniak
wurden unter Verwendung eines Kodak-Biolysegeräts gemessen (Kodak Instruments,
NY). Es wurde ein NOVA-Blut-Gas-Analysegerät (Nova Biomedical, Waltham,
Mass.) verwendet, um die gelöste
CO2-Menge zu messen und um den pH und den
Wert des gelösten
Sauerstoffs zu überprüfen. Proben
wurden durch das einstufige Koagulationsverfahren auf ihre rFVIII-Aktivität analysiert.
Die Produktqualität
wurde durch einen im eigenen Haus entwickelten Western-Blot-Test
bestimmt.
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BEISPIEL 1
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4 zeigt
eine 12-l-Perfusionskultur. Es wurden 50 ml der in einem EVA-Beutel
kryokonservierten Zellsuspension für die Inokulation verwendet. Die
Zellen wurden mit frischem Medium gewaschen, um das DMSO vor der
Inokulation zu entfernen. Die Kultur lag bei einem anfänglichen
Volumen von 2 l mit der Kopfraum-Belüftung. Die Lebensfähigkeit
der Zellen überstieg
95 % während
des gesamten Verfahrens, und das Volumen wurde, basierend auf der Zelldichte,
schrittweise angehoben. Lag das Volumen einmal bei 4 l, so wurde
Gas-Besprengung verwendet. Einen Tag nachdem das Volumen 12 l erreicht
hatte wurde eine kontinuierliche Mediumperfusion begonnen. Die Perfusionsrate
lag bei 0,5–0,7 nl/Zelle/Tag.
Die Targetzelldichte von 20 × 106 Zellen/ml wurde nach 11 Tagen erreicht.
Das Impfgut-Folgevermehrungsexperiment
zeigt die Eleganz dieser neuen Vermehrungstechnologie klar und deutlich.
Es wurden keine Zwischen-Zellkulturflaschen verwendet, das Risiko
einer möglichen
Verunreinigung wurde dramatisch reduziert, die Medien und die Umgebung
wurden extern kontrolliert, und als Resultat wurde die Zeit, um
einen Produktions-Bioreaktor zu starten, um zumindest 70 % reduziert.
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BEISPIEL 2
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Die
Notwendigkeit des DMSO-Entfernungsschritts (Waschen/Verdünnung) vor
der Inokulation wurde evaluiert. Bei dieser Evaluierung wurden zwei Reaktoren
parallel aus derselben 50-ml-Beutel-Gefriercharge gestartet.
- • 12-l-Reaktor,
in dem ein DMSO-Waschschritt durchgeführt wurde.
- • 5-l-Reaktor,
in dem ein DMSO-Waschschritt ausgelassen wurde.
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Beide
Kulturen wurden unter denselben Bedingungen laufen gelassen (Volumenzunahmeschritte,
Kopfraum-Belüftung
und Besprengungsraten etc.). Die 5-l-Kultur erreichte die Target-Zelldichte von
20 × 106 Zellen/ml innerhalb von 11 Tagen, die 12-l-Kultur einen Tag
später. 5 zeigt
einen Vergleich dieser beiden Kulturen. Es wurde kein Unterschied
beim Zellwachstum oder der Lebensfähigkeit bemerkt. Die Elimination
des DMSO-Waschschritts führt
zu einem weiteren Streamlining des Impfgut-Folgevermehrungsvertahrens
(beginnend mit dem Auftauen der Zellen) und ermöglicht eine Schließung des
Systems während
des Verfahrens.
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BEISPIEL 3
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6 zeigt
das Zeitprofil einer Kultur, die im 12-l-„Inokulationswell"-Reaktor durchgeführt wurde. 50
ml Zellsuspension, in einem Beutel kryokonserviert, wurden zur Ino kulation
verwendet, ohne eine DMSO-Waschung. Die Target-Zelldichte von 20 × 106 Zellen/ml wurde nach 16 Tagen erreicht.
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BEISPIEL 4
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7 zeigt
das Zeitprofil einer CHO-Kultur, die im 5-l-Bioreaktor durchgeführt wurde.
50 ml der kryokonservierten Zellen in einem Beutel wurden zur Inokulation
verwendet. Es wurde kein DMSO-Waschschritt durchgeführt. Die
Targetzelldichte – hier
10 × 106 Zellen/ml – wurde innerhalb von 6 Tagen
erreicht.
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BEISPIEL 5
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Die 8a und 8b zeigen
die Zeitprofile von zwei BHK- und zwei CHO-Kulturen, die in den
Inokulations-Bioreaktoren durchgeführt wurden. 50- und 100-ml-Kryobeutel
wurden zur Inokulation verwendet, es wurde in allen vier Kulturen
kein DMSO-Waschschritt
durchgeführt.
Es wurde sowohl bei der Verwendung der 50-ml-Kryobeutel als auch der 100-ml-Kryobeutel
keins negative Wirkung beobachtet.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Im
Allgemeinen sind die existierenden Impfgut-Folgevermehrungsverfahren
für Säugetierzellkulturen
arbeitsintensiv und anfällig
für mikrobielle Verunreinigung
aufgrund der Verwendung mehrerer Kulturgefäße, wie z.B. T-Flaschen, Rollflaschen
und rotierende Flaschen. Unter Verwendung von 50-ml- oder 100-ml-EVA-Kryokonservierungsbeutel,
die verwendet werden, um direkt in einen maßgeschneiderten „Inokulationswell" in einem Bioreaktor
zu inokulieren, wurde ein neues Impfgut-Folgevermehrungsverfahren
entwickelt. Dieser Reaktor dient als Inokulationsquelle für ein Produktionssystem
in großem
Maßstab.
Diese Verfahrensweise eliminiert die Verwendung jeglicher T-Flaschen,
Rollflaschen oder rotierenden Flaschen während der Maßstabsvergrößerung vollständig. Es
wird ein Verfahren zur Dimensionierung und zum Design des „Inokulationswell"-Reaktors vorgeschlagen.
Gemäß dieser
Methode kann das Verfahren für
die direkte Inokulation eines Produktionsreaktors in jedem beliebi gen
Maßstab
verwendet werden. In diesen Beispielen wurden kryokonservierte Zellen
verwendet, die Kryokonservierung ist jedoch kein Erfordernis dieses
Verfahrens. Säugetierzellen
können
bei Standardtemperaturen anstatt der kryokonservierten Zellen verwendet
werden, und die Wirksamkeit und Nützlichkeit des Systems würde dieselbe
bleiben. Auf ähnliche
Art und Weise kann die Größe des Bioreaktors
angepasst werden, so lange die Konzepte eines Inokulationswells
und des Verwendungsverfahrens beibehalten werden.