DE69836164T2 - Herstellung des rekombinanten Faktors VIII in einem proteinfreiem Nährmedium - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Technisches Gebiet: Diese Offenbarung befasst sich allgemein mit der Herstellung von rekombinantem Faktor VIII und speziell mit der Herstellung von rekombinantem Faktor VIII in einem Medium, das frei von Serum oder Protein ist.
- Stand der Technik: Hämophilie A ist ein X-chromosomal-rezessiver Gendefekt, der auf ein defektes oder mangelhaftes Faktor-VIII-Molekül zurückzuführen ist und zu einer Blutungsneigung führt. Um Blutungsepisoden zu kontrollieren, werden Bluter mit Faktor VIII behandelt. Ursprünglich ist Faktor VIII aus dem menschlichen Blut isoliert worden. Die Therapie mit aus dem Plasma stammendem Faktor VIII ist mit der Übertragung verschiedener menschlicher Viren, wie z.B. Hepatitisviren und menschlichen Immunschwächeviren in Verbindung gebracht worden.
- Mit dem Aufkommen der DNA-Rekombinationstechnologie ist die Struktur des menschlichen Faktors VIII und seines Gens aufgeklärt worden. Das Transkriptionsprodukt des Gens, das von 26 Exons abgeleitet wird, ist ein Messenger-RNA-Molekül mit einer Länge von 9000 Basen, das für ein großes Protein aus 2351 Aminosäuren kodiert. Studien der Struktur von Faktor VIII zeigen, dass dieser ein Glykoprotein ist, das eine signifikante Anzahl an Kohlenhydratresten enthält.
- Die für Faktor VIII kodierende cDNA wurde kloniert und in Babyhamster-Nieren-(BHK-21-) Zellen und Chinahamster-Ovarialzellen stabil exprimiert. Es sind kommerzielle Verfahren entwickelt worden, um rekombinanten Faktor VIII zur Behandlung von Hämophilie A zu produzieren. Derzeit wird rekombinanten Faktor VIII mittels gentechnisch veränderter Säugetierzellen hergestellt, wodurch eine Abhängigkeit von Plasma verhindert wird und mögliche Risiken einer Virusübertragung minimiert werden.
- Genamplifikation ist bisher das Verfahren der Wahl gewesen, um für therapeutische Proteine hochproduktive Zelllinien abzuleiten. Die Strategie der Amplifikation umfasst die Verbindung einer Transkriptionseinheit, die für das gewünschte Protein kodiert, mit einem amplifizierbaren Marker, wie z.B. Dihydrofolat-Reductase. Dann werden Transfektionsverfahren eingesetzt, um die Vektor-DNA in die Rezipientenzellen zu übertragen. Zellpopulationen werden anhand von erhöhter Resistenz gegen das Arzneimittel der Wahl, wie z.B. Methotrexat, selektiert. Die Schaffung eines stabilen Zellklons wird mittels Grenzverdünnungsklonierung erreicht. Diese Zellklone werden dann an ein serumfreies Produktionsmedium angepasst und bezüglich der Produktion des gewünschten Proteins überwacht.
-
EP 0.534.383 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung des menschlichen Gerinnungsfaktor-VIII-Proteinkomplexes. Dieses Literaturzitat befasst sich nicht mit den in den Ansprüchen dargelegten Merkmalen der vorliegenden Erfindung. - Bei labilen Proteinen, wie z.B. Faktor VIII, ist menschliches Albumin in den Herstellungs- und Reinigungsverfahren als Stabilisator hinzugefügt worden. Obwohl das Albumin durch Pasteurisierung einem Vireninaktivierungsschritt unterzogen wird, wäre es ideal, wenn rekombinanter Faktor VIII bei vollständiger Abwesenheit von menschlichen und tierischen Blutproteinen hergestellt werden könnte. Der Erfinder hat festgestellt, dass dies unter Verwendung eines neuen Zellkulturmediums möglich ist. Details werden nachstehend beschrieben.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Das Verfahren zur kontinuierlichen Produktion relativ großer Mengen an rekombinantem Faktor VIII (rFVIII) aus Säugetierzellen in Abwesenheit jeglicher von Menschen oder Tieren stammender Plasmaproteine umfasst das Kultivieren von Säugetierwirtszellen in einem proteinfreien Medium, das mit einem Polyolpolymer, wie z.B. Pluronic F-68, ergänzt ist. Das bevorzugte Medium umfasst Kupfersulfat, einen Eisensulfat/EDTA-Komplex und die Salze von Spurenmetallen, wie z.B. Mangan, Molybdän, Silicium, Lithium und Chrom.
- DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Jüngste Fortschritte in der Technologie der rekombinanten Proteinexpression haben die Produktion von Proteinen in Säugetierzellen in großen Mengen möglich gemacht. Wirtszellen, die für die Produktion von Faktor VIII geeignet sind, umfassen Zelllinien wie etwa Babyhamsternierenzellen (BHK-Zellen, „baby hamster kidney cells"), Chinahamster-Ovarialzellen (CHO-Zellen, „china hamster ovary cells") und menschliche embryonale Nierenzellen (HEK-Zellen, „human embryonic kidney cells"). Besonders bevorzugt sind Babyhamsternierenzellen, speziell jene, die mit einem Gen transfiziert sind, das die Expression von Faktor VIII lenken kann, wie von Wood et al. (1984) beschrieben (einschließlich Derivate, wie z.B. Klonierungsvarianten und deren Nachkommenschaft). Eine solche Zelllinie wurde bei der American Type Culture Collection unter der Zugriffsnummer ATCC CRL-8544 hinterlegt.
- Die gewünschte Wirtszelllinie, die das Faktor VIII-Gen trägt, ist typischerweise so angepasst, dass sie sich in Suspensionskultur in einem proteinfreien Produktionsmedium vermehrt, das mit Lipoprotein ergänzt wurde. Das zur Kultivierung der Wirtszelllinie gewählte Grundmedium ist für die vorliegende Erfindung nicht entscheidend, und es kann jedes beliebige fachbekannter, für die Züchtung von Säugetierzellen geeigneter Medien oder eine Kombination davon sein. Medien, wie z.B. Dulbecco's Modified Eagle Medium, Ham's Medium F-12, Eagle's Minimal Essential Medium und RPMI-1640 Medium und dergleichen, sind im Handel erhältlich. Die Hinzufügung von Wachstumsfaktoren, wie z.B. rekombinantem Insulin, ist auf dem Gebiet üblich.
- Aufgrund der Labilität von Faktor VIII ist die Produktivität der gentechnisch veränderten Wirtszellen unter proteinfreien Bedingungen stark verringert. Menschliches Serumalbumin wird üblicherweise als serumfreie Ergänzung der Kultur zur Produktion von rekombinanten Proteinen eingesetzt. Menschliches Serumalbumin erfüllt zahlreiche Aufgaben, einschließlich (1) als Träger für Fettsäuren, Cholesterin und lipophile Vitamine, Steroidhormone und Wachstumsfaktoren; (2) als Schutzmittel gegen Schäden aufgrund von Scherkräften; (3) als Puffer für pH-Änderungen und (4) als Regler des osmotischen Drucks. Eine andere entscheidende Rolle von Albumin ist es vielleicht, labile Proteine wie Faktor VIII vor Proteolyse zu schützen, indem es als Substrat für Proteasen dient.
- Die Verunreinigungen in Albuminformulierungen können auch zur stabilisierenden Wirkung von Albumin beitragen. Faktoren, wie z.B. Lipoprotein [Chan (1996)], sind als Ersatz für menschliches Serumalbumin zur Produktion von rekombinantem Faktor VIII unter serumfreien Bedingungen identifiziert worden.
- Der Versuch der Erfinder, ein Produktionsmedium zu entwickeln, das frei von von menschlichem Plasma stammenden Albumin ist, führte zu der hierin offenbarten Erfindung, einem proteinfreien Grundmedium zur Produktion von rekombinantem Faktor VIII. Das bevorzugte Medium besteht aus modifiziertem Dulbecco's Minimum Essential Medium und Ham's F-12 Medium (50:50 nach Gewicht), ergänzt mit 10 μg/ml rekombinantem Insulin (Nucellin, Eli Lilly) und FeSO4·EDTA (50 μM). Mit Ausnahme von Faktor-VIII-Produktion vermehren sich gentechnisch veränderte BHK-Zellen in diesem proteinfreien Grundmedium gut.
- Überraschenderweise zeigte der Zusatz eines Polyols, wie z.B. Pluronic F-68, keine Wirkung auf das Wachstum, erhöhte aber die spezifische Faktor-VIII-Produktivität der BHK-Zellen. Glücklicherweise erhöht der Zusatz von Kupfersulfat die Produktion von Faktor VIII weiter. Auch die Aufnahme einer Reihe von Spurenmetallen, wie z.B. Mangan, Molybdän, Silizium, Lithium und Chrom, führt zu einer weiteren Zunahme der Faktor-VIII-Produktion. Für die Faktor-III-Produktion wurde dann ein kontinuierliches Verfahren unter den Bedingungen der Freiheit von von menschlichem Plasma stammendem Protein entwickelt. Weitere Informationen bezüglich des Einsatzes von Pluronic-Polyolen sind bei Papoutsakis (1991) und Schmolka (1977) zu finden.
- Pluronic F-68, ein Polyglykol, (BASF, Wyandot) wird üblicherweise verwendet, um Schäumen zu vermeiden, das bei Rührkulturen auftritt, und Zellen in Anschwänzkulturen vor Scherbelastung und Blasenschäden zu schützen. Pluronic F-68 ist ein nichtionisches Block-Copolymer mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 8400, bestehend aus einem Mittelblock aus Poly(oxypropylen) (20 Gew.-%) und Blö cken aus Poly(oxyethylen) an beiden Enden. Die umfassende Forschungsarbeit über die Rolle von Pluronic F-68 zeigt, dass Pluronic F-68 als oberflächenaktive Substanz wirkt und Zellschäden vorbeugt, indem ein Ableiten der Zellen von Blasen, die während des Rührens oder Anschwänzens in den Bioreaktoren gebildet werden, ermöglicht wird. Allerdings haben einige Wissenschafter unter Kulturbedingungen, bei denen die Scherbelastung minimal ist, positive Wirkungen von Pluronic F-68 auf das Wachstum festgestellt (Mizrahi, 1971, Murhammer und Goochee, 1990). Die Co-Reinigung von Lipiden mit Pluronic F-68 während der Reinigung des Produkts stellt einen Einzelbeweis dar, dass das Pluronic-Polymer das Albumin nicht nur als oberflächenaktive Substanz ersetzen kann, sondern auch als Lipidträger wirken kann. Pluronic F-68 kann verhindern, dass Membranschäden die Zellen töten, bevor eine Reparatur erfolgen kann – möglicherweise durch direkte Interkalation in die Membran. Die Rolle von Pluronic F-68 als Metallionenpuffer ist gänzlich unbekannt.
- Obwohl es Berichte darüber gibt, dass Pluronic F-68 im Medium die volumetrische Produktivität erhöhen kann, scheint der Wirkmechanismus die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der Zelle zu sein [Schneider (1989); Qui (1996)]. Nach dem Wissensstand der Erfinder ist dies das erste Mal, dass eine Erhöhung der spezifischen Produktion eines speziellen Proteinprodukts durch Pluronic F-68 beobachtet wurde. Da die Lebensfähigkeiten und Wachstumsraten im System der Erfinder mit und ohne Pluronic F-68 vergleichbar sind, kann im System der Erfinder die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der Zellen nicht der Wirkmechanismus von Pluronic F-68 sein. Allerdings gibt es, unabhängig vom Mechanismus, unmittelbare und dramatische Auswirkungen des Zusatzes von F-68.
- Es wird davon ausgegangen, dass eine Reihe anderer Polyole ähnliche Wirkung zeigen würde. Diese anderen Polyole umfassen nichtionische Block-Copolymere aus Poly(oxyethylen) und Poly(oxypropylen) mit Molekulargewichten im Bereich von 1.000 bis 16.000.
- Zusätzlich zu herkömmlichen Suspensionskultivierungsverfahren, wie z.B. Schüttelkolben, Spinnerflaschen und Rollflaschen ist das Verfahren der vorliegenden Erfin dung auch auf den Einsatz mit Bioreaktoren im Chargenbetrieb anwendbar. Nach der Kultivierung der Wirtszellen kann der Faktor VIII nach Standardverfahren wie Ultrafiltration oder Zentrifugation aus dem verbrauchten Medium gewonnen werden. Falls gewünscht kann der gewonnene Faktor VIII beispielsweise mittels Ionenaustauschchromatographie oder Größenausschlusschromatographie, Immunaffinitätschromatographie oder Metallchelatchromatographie und dergleichen gereinigt werden.
- Wie hierin verwendet ist ein „von menschlichem oder tierischem Protein freies Medium" ein Zellkulturmedium, das frei von jeglichem Protein aus menschlicher oder tierischer Quelle ist. Proteine, die aus menschlichen oder tierischen Quellen isoliert werden, bringen von Natur aus das Risiko einer Virenkontamination mit sich. Das Ziel eines von menschlichem oder tierischem Protein freien Mediums ist es daher, das Risiko einer Virenübertragung zu eliminieren oder zumindest stark einzuschränken.
- Beispiel 1: Babyhamsternieren-(BHK-21) Zellen, die mit einem Gen transfiziert sind, das die Expression von Faktor VIII lenken kann, wurden von Genentech, Inc., South San Francisco, Kalifornien, USA erhalten. Die Zelllinie wurde wie von Wood et al. (1984) detailliert beschrieben präpariert und bei der American Type Culture Collection unter der Zugriffsnummer ATCC CRL-8544 hinterlegt. Von Genentech, Inc. wurde auch eine Klonierungsvariante dieser Zelllinie erhalten und in allen Beispielen verwendet.
- Die BHK-21-Zellen, die das für Faktor VIII kodierende Gen enthielten, wurden als Suspensionskulturen in Schüttelkolben unter Einsatz eines serumfreien Grundmediums, das Folgendes enthielt, kultiviert: Ham's F-12-Medium und Dulbecco's Minimal Essential Medium (50:50 nach Gewicht); Nucellin (rekombinantes Insulin, 5-10 μg/ml), FeSO4·EDTA (50 μM) und MgCl2 (15 mM). Die Zellen wurden versorgt und in 48-Stunden-Intervallen passagiert. Die Zellen wurden 5 Minuten lang bei 800 × g zentrifugiert, gezählt und in einer Dichte von 1 × 106 Zellen pro ml erneut überimpft. Jeder Kolben enthielt 50-100 ml frisches Medium. Die Schüttelkolben wurden auf einen Rotator platziert, bei 37 °C inkubiert und mittels leichtem Schütteln zwischen 90-110 U/min als Suspensionskultur gehalten. In Schüttelkolben wurde die Wirkung eines Polyols, wie z.B. Pluronic F-68 (0,1%), unten als F-68 angeführt, und von Kupfersulfats (50 nM) auf die Produktion von Faktor VIII untersucht. Faktor VIII wurde mithilfe eines chromogenen Tests quantifiziert. Der Test wird kommerziell als Set vertrieben, das als Coatest VIII:C/4 bekannt ist und von Baxter HealthCare Products zu beziehen ist. Die Zellen wurden mithilfe dieses Verfahrens 24 Tage lang versorgt. Die mit dem Coatest VIII:C/4-Set bestimmte Aktivität von Faktor VIII in jedem Medium ist in Tabelle 1 angeführt. TABELLE 1
- * Mittelwert von 36 Proben ± Standardabweichungen. Die Zellen wurden wie oben beschrieben über einen Zeitraum von 24 Tagen auf Faktor-VIII-Produktion überwacht.
- ** Titrationsversuche zeigten, dass 0,1 % die optimale Dosis für Pluronic F-68 ist. Eine Erhöhung der Konzentration auf 0,3 % zeigte keine signifikante Wirkung auf die Faktor-VIII-Produktion. Dosis-Wirkung-Versuche zeigten, dass 50-800 nM Kupfersulfat für die Faktor-VIII-Produktion optimal sind.
- Wie in Tabelle 1 angeführt erhöhte der Zusatz von Pluronic F-68 alleine oder vorzugsweise in Kombination mit Kupfersulfat den Titer und die spezifische Produktivität der BHK-Zellen, die das für Faktor VIII kodierende Gen enthielten, unter proteinfreien Bedingungen signifikant.
- Beispiel 2: Um die Produktion von Faktor VIII unter proteinfreien Bedingungen weiter zu optimieren, wurden dem proteinfreien Produktionsmedium Spurenmetalle zugesetzt. Die Faktor-VIII-Produktion wurde dann mithilfe des kontinuierlichen Schüttelkolbenkultursystems wie in Beispiel 1 beschrieben 16 Tage lang bewertet. Die Daten sind in Tabelle 2 angeführt. In Abwesenheit von Kupfersulfat zeigten die Spurenmetalle keine Wirkung auf die Faktor-VIII-Produktivität. Siehe Tabelle 2. TABELLE 2
- * die Metalle umfassen CuSO4·5H2O (50 nM), MnSO4 (3 nM), Na2SiO3·9H2O (1,5 μM), [NH4]6Mo7O24·4H2O (3 nM), CrK(SO4)2·4H2O (1,5 nM) und LiCl (236 nM).
- Beispiel 3: Die Auswirkung von Spurenmetallen und Kupfer auf die Produktion von Faktor VIII wurde in einem Perfusionsfermenter weiter bewertet. Zwei 1,5-Liter-Fermenter wurden unter Einsatz des in Tabelle 1 beschriebenen Grundmediums in einer Dichte von 2 × 106 Zellen/ml mit der BHK-Klonierungsvariante beimpft. Der Fermenter wurde mit einer Rate von 0,5 Liter/Tag perfundiert. Ein Fermenter wurde als Kontrolle behalten und der andere mit Kupfer und Spurenelementen wie in Tabelle 2 beschrieben ergänzt. Die Fermenter wurden 15 Tage lang bei einer durchschnittlichen Zelldichte von etwa 2-3 × 106 Zellen/ml gehalten. Wie in Tabelle 3 angeführt erhöhte der Zusatz von Pluronic F-68, Kupfer und Spurenelementen die spezifische Produktivität von BHK-Zellen, die das für Faktor VIII kodierende Gen enthalten, unter proteinfreien Bedingungen und kontinuierlicher Perfusion signifikant. Dieses Produktionsverfahren kann leicht an größere Fermenter (200 bis 500 Liter) angepasst werden, die mit Zellretentionsvorrichtungen, wie z.B. Absetzbehältern, ausgerüstet sind.
- Die oben angeführten Beispiele werden zur Illustration der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und sind nicht als Einschränkung der Erfindung auszulegen, die ausschließlich durch die Ansprüche definiert ist.
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Claims (15)
- Verfahren zur Herstellung von rekombinantem Faktor VIII aus Säugetierwirtszellen, die das Gen dafür aufweisen, umfassend das Kultivieren der Säugetierwirtszellen in einem Medium, das frei von Proteinen ist, die von Plasma stammen, und mit Polyolen und Kupferionen ergänzt ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin das Polyol Pluronic F-68 ist und im Medium in einer Konzentration im Bereich von etwa 0,025 bis etwa 0,2 Gew.-% vorhanden ist.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin das Medium Kupfersulfat in einer Menge im Bereich von etwa 50 bis etwa 800 nM umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin Manganionen in einer Menge im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 4,5 nM vorhanden sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin Ionen, die Molybdän enthalten, in einer Menge im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 4,5 nM vorhanden sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin Ionen, die Silicium enthalten, in einer Menge im Bereich von etwa 75 bis etwa 300 nM vorhanden sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, worin Chromionen in einer Menge im Bereich von etwa 1,0 bis etwa 4,0 nM vorhanden sind,
- Verfahren nach Anspruch 1, worin Lithiumionen in einer Menge im Bereich von etwa 120 bis etwa 480 nM vorhanden sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Säugetierwirtszelle aus der aus Babyhamster-Nierenzellen, menschlichen embryonalen Nierenzellen und Chinahamster-Ovarialzellen ausgewählt ist.
- Zellkulturmedium zur Herstellung von rekombinantem Faktor VIII, umfassend: (a) ein Grundmedium; (b) ein Polyol; und (c) Kupferionen, worin das Zellkulturmedium frei von Proteinen ist, die von Plasma stammen.
- Medium nach Anspruch 10, das weiters zumindest ein Spurenmetall umfasst, das aus der aus Mangan, Molybdän, Silicium, Chrom und Lithium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
- Medium nach Anspruch 10, worin die Kupferionen in einer Menge im Bereich von etwa 50 bis etwa 800 nM vorhanden sind.
- Medium nach Anspruch 12, das weiters Molybdänionen in einer Menge im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 4,5 nM umfasst.
- Medium nach Anspruch 12, das weiters Lithiumionen in einer Menge im Bereich von etwa 120 bis etwa 480 nM umfasst.
- Medium nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das weiters rekombinant produziertes Insulin umfasst.
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