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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Zellen zur Verwendung bei der Produktion von biologischen Produkten.
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Für die Produktion
biologischer Produkte auf beispielsweise Zelllinien ist die Herstellung
großer
Mengen von Zellen unter Verwendung eines Aufskalierungsverfahrens
in Bioreaktoren nötig.
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Das
US-Patent Nr. 5 017 990 offenbart ein solches Aufskalierungsverfahren,
welches insbesondere den Vorteil eines geringen Risikos einer Transfer-Kontamination
vorsieht. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für verankerungsabhängige Zellen
geeignet (und folglich nicht für
Zellen, die nur wachsen, wenn sie an einem Substrat fixiert sind)
oder für
Zellen, die in einem Substrat (z.B. in porösen Trägern) eingebettet sind.
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Das
US-Patent Nr. 4 644 912 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
von verankerungsabhängigen Zellen
für die
Herstellung von biologischen Produkten (z.B. Viren), ausgehend von
einem Zell-Arbeits-Keim („cell
working seed") und
mit nachfolgenden Passagierungen, die in Bioreaktoren mit zunehmenden
aufeinander folgenden Volumina von 1 Liter, 5 Liter, 25 Liter, 150
Liter und zuletzt entweder in einem 1000-Liter-Bioreaktor oder in
einer Mehrzahl von 150-Liter-Bioreaktoren durchgeführt werden.
Zwischen jeglichen dieser Passagierungs-Schritte wurden die Zellen
von ihren Trägern
mit einer verdünnten
Protease-Lösung
freigesetzt. In der letzten Passagierung wurde die Impfung durch
das Virus vorgenommen.
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Wenn
man durchschnittliche Zellzyklus-Zeiten von etwa 20–24 Stunden
annimmt, können
die Passagierungs-Intervalle etwa alle 3–5 Tage sein. Daher kann das
gesamte Aufskalierungsverfahren für die Expansion der Zellen
von einer MWCS (MWCS = manufacturer's working cell bank (Hersteller-Arbeitszellbank))
auf ausreichend große
Kulturen mehrere Wochen dauern, je nach dem Volumen des letzten
Bioreaktors.
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Bei
den obigen Verfahren zur Produktion von Zellen muss jede der ultimativen
Produktions-Chargen aus den MWCS hergestellt werden. Für die Produktion
großer
Mengen biologischer Produkte ist es notwendig, mehrere parallele
Kultur-Linien bis zu den größten Gefäß-Volumina
zu verwenden. Ein solcher Produktionsvorgang ist folglich sehr zeitaufwändig und
erfordert den Betrieb einer ganz beträchtlichen Anzahl von Bioreaktoren
für die
Herstellung der Zellen sowie für
die Produktion der biologischen Produkte.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen viel rascheren Durchsatz
bei der Herstellung von Zellen für
die Produktion von biologischen Produkten vorzusehen.
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Demgemäß betrifft
die vorliegende Erfindung ein verfahren zur Herstellung von Zellen
zur Verwendung bei der Produktion von biologischen Produkten durch
Züchten
von Zellen bis zu einem gewünschten
Zellvolumen einer Präproduktions-Charge,
wonach in einem wiederholten diskontinuierlichen Prozess:
- a) ein Teil der Zellen der Präproduktions-Charge
für die
Herstellung von mindestens einer Produktions-Charge verwendet wird,
und
- b) der übrige
Teil der Zellen der Präproduktions-Charge
als Keim für
die Herstellung mindestens einer nachfolgenden Präproduktions-Charge
verwendet wird.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
von Zellen zur Verwendung bei der Produktion von biologischen Produkten
durch Züchten
von Zellen bis zu einem gewünschten
Zellvolumen einer Präproduktions-Charge,
wonach in einem wiederholten diskontinuierlichen Prozess:
- a) ein Teil der Zellen aus der Präproduktions-Charge
transferiert wird, um für
die Herstellung mindestens einer Produktions-Charge verwendet zu werden, und
- b) der übrige
Teil der Zellen der Präproduktions-Charge
transferiert wird, um als Keim für
die Herstellung mindestens einer nachfolgenden Präproduktions-Charge
verwendet zu werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die erste Präproduktions-Charge mittels
mindestens eines Passagierungsschritts aus einer Arbeits-Stammlösung hergestellt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Zellen, die hergestellt werden,
verankerungsabhängig.
Im letzteren Fall ist es im Allgemeinen notwendig, dass die Zellen
auf einem Substrat gezüchtet
werden. Es ist dann während
des wiederholten Prozesses ratsam, jedes Mal, wenn ein Teil einer
Charge zur Herstellung einer neuen Charge verwendet wird, eine zusätzliche
Menge an Substrat zuzugeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird jedes Mal vor dem Zusetzen von Substrat wenigstens ein Teil
der Zellen zuerst von seinem ursprünglichen Substrat freigegeben.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Produktions- Charge" eine Kultur von
Zellen, die für
die Produktion von biologischen Produkten verwendet wird.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Präproduktions-Charge" eine Kultur von Zellen, die im Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Herstellung mindestens einer Produktions-Charge (wie oben definiert)
und einer nachfolgenden Präproduktions-Charge
verwendet wird.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „biologisches Produkt" jede Substanz oder
jeden Organismus, die/der aus einer Zellkultur erzeugt werden kann.
Beispiele für „biologische
Produkte" sind Viren
und Proteine, wie Enzyme.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Arbeits-Stammlösung" eine Menge einer
bestimmten Art von Zellen definierter Abstammung, die gelagert werden,
um als Keim, von welchem alle Kulturen derselben Art von Zellen
abstammen, verwendet zu werden.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „verankerungsabhängige Zellen" Zellen, die für ihr korrektes
Wachstum und/oder ihre Vermehrung an einem Substrat, wie hierin
definiert, haften müssen.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Substrat" jedes teilchenförmige Material, das für die Befestigung
von Zellen geeignet ist.
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Wie
hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „Passagierungs-Schritt" eine Folge von Aktivitäten bei der
Vermehrung und Produktion von Zellen, umfassend mindestens den Transfer
einer geeigneten Menge von Zellen und einer geeigneten Menge von
Kulturmedium in ein Produktionsgefäß, die Inkubation des Gefäßes bei
Bedingungen, die günstig
sind für
das Wachstum und die Vermehrung der Zellen während einer Zeit, die für das wirksame
Wachsen und die Vermehrung der Zellen ausreicht. Gegebenenfalls
kann ein Passagierungs-Schritt die Trennung der Zellen vom Kulturmedium
und/oder vom Substrat nach einer Zeit, die für ein wirksames Wachsen und
die Vermehrung der Zellen ausreicht, umfassen.
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Es
ist für
den Fachmann klar, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
sich wesentlich von Verfahren unterscheidet, die im Stand der Technik
bekannt sind, wobei Zellen in einem kontinuierlichen Verfahren anstatt
im vorliegenden diskontinuierlichen Verfahren erzeugt werden. Gemäß den Patentveröffentlichungen
EP 0417531 und WO 89/08701
können
kontinuierliche Kul tur-Systeme auch für die Herstellung von Viren
verwendet werden. Zuerst werden Zellen in einem ersten Bioreaktor
gezüchtet,
und nach Erreichen einer bestimmten Zelldichte werden Zellen kontinuierlich
vom ersten Bioreaktor in einen zweiten Bioreaktor eingespeist. In
diesem zweiten Bioreaktor werden Viren auf den Zellen gezüchtet, und
danach werden diese Viren aus diesem zweiten Bioreaktor kontinuierlich
abgezogen.
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Die
grundlegende Arbeitsmethode gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es, einen Mutter-Bioreaktor zu verwenden, von welchem
der (die) Produktions-Bioreaktor(en) mit Zellen gespeist wird (werden).
Wenn die Zellen verankerungsabhängig
sind, müssen
die Zellen vorzugsweise nach jedem Passagierungsschritt von ihren
Substraten losgelöst
werden.
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Für diesen
Zweck wurde eine Trypsinisierungsmethode auf großen Bioreaktoren entwickelt.
Die Produktionszellen sind bis zu einer spezifischen und charakterisierten
Passagierungszahl für
eine so genannte ECB (ECB = Extended Cell Bank, erweiterte Zellbank)
definiert. Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine Produktion mit
hohem Durchsatz, da der Weg der Aufskalierung von WCS zu Produktionszellen
sehr stark verkürzt
werden kann und viel weniger Bioreaktoren notwendig sind, da keine
parallelen Produktionslinien mehr benötigt sind.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in 1 dargestellt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Zellen von einer Ampulle einer MWCS bis auf die Menge
der ersten Präproduktions-Charge
durch einen oder mehrere Passagierungsschritte expandiert. Die Größe des für eine solche
Präproduktions-Charge
verwendeten Bioreaktors kann von einem Arbeitsvolumen von mehreren
Litern bis zu mehreren hundert Litern reichen. Danach wird ein Teil,
z.B. 10–20%
der so expandierten Zellen (z.B. Passagierung X) verwendet, um einen
Bioreaktor für
die Erzeugung einer nachfolgenden Präproduktions-Charge (mit der
Passagierungszahl X+1) wieder zu bestücken, während die Hauptmasse der Zellen
in eine größere Bioreaktorgröße transferiert
wird (Passagierung X oder X+1), um die Produktion direkt zu starten
oder ihn zuerst zu bestücken
und danach die Produktion zu starten.
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Bei
klassischen Serienproduktionslinien ist die Anzahl der Verdopplung
der aus den MWCS stammenden Zellen zum Zeitpunkt der Ernte innerhalb
gewissen Grenzen im Voraus bekannt. Eine maximal zulässige Generationszahl
wird für
das Produktionssystem zu Beginn festgelegt.
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Beim
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die maximale Anzahl der Zellen-Passagierungen durch
ECB definiert werden. Die Produktions-Passagierungsanzahl (die Anzahl
der Zell-Passagierungen,
die vor der Erzeugung des biologischen Produkts verwendet werden)
ist somit innerhalb der durch ECB gesetzten Grenzen irrelevant.
Infolgedessen muss eine solche Höchstzahl
an Passagierungen im Hinblick auf regelnde Beschränkungen
eingehalten werden. Infolgedessen ist die bestimmte Charge der erzeugten
biologischen Produkte das Endprodukt eines direkten Aufskalierungsweges.
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Um
zu verifizieren, ob die Spezifikationen der Zellen im Stadium der
in Produktion befindlichen ECB ähnlich
der MCB („Master
Cell Bank", Master-Zellbank)
sind, muss man eine spezifische Validierung zu diesem Zweck hinsichtlich
Wachstums-Charakteristika, Freiheit von hinzukommenden äußeren und
endogenen Agentien in den verschiedenen Stadien, Karyologie-Isoenzym-Analyse
usw. durchführen.
Sobald die ECB vollständig
charakterisiert ist, kann die Herstellung des Produkts mit Zellen
in jeder beliebigen Passagierungs-Anzahl zwischen MCB und ECB gestattet
werden, da angenommen werden kann, dass sich die Zellen inzwischen
in ihren Spezifikationen nicht verändert haben. Infolgedessen
können
daher Tests an den MWCS auf Sterilitäts-Untersuchungen beschränkt werden.
Dies ist ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wenn
die Höchstzahl
der Passagierungen festgesetzt ist, kann man Zellen in jedem dazwischen
liegenden Stadium verwenden. Dabei wäre es, um die für die Expansion
der Zellen von MWCS zum Produktions-Bioreaktor benötigte Zeit
weiter zu minimieren, vorteilhaft, einen Massen-Start („bulk start-up") der Zellen zu ermöglichen.
Dies kann z.B. auf eine der folgenden Weisen geschehen:
- – die
Zellen können
bei einer bestimmten Passagierungs-Nummer während längerer Intervalle bei Umgebungstemperatur
(17–32°C) geparkt
werden und durch Anheben der Temperatur und Wechseln des Kulturmediums
zu einem log-Expansionswachstum revitalisiert werden, oder
- – die
Zellen können
in Masse gefroren werden (Temp < –80°C) und vor
ihrem Transfer in einen Bioreaktor mit vorbestimmtem Volumen aufgetaut
werden, wodurch der erforderte Auf skalierungsweg signifikant verringert
wird.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann mit Zellkulturen von Tieren und insbesondere mit
verankerungsabhängigen
Zellen durchgeführt
werden. Geeignete Zellarten sind z.B. Hamsterzellen (CHO, BHK-1),
Affenzellen (Vero), Rinderzellen (MDBK), Hundezellen (MDCK), Humanzellen
(CaCo, A431) oder Hühnerzellen
(CEF).
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Als
Bioreaktor gemäß der vorliegenden
Erfindung kann eine einzelne Einheit oder eine Mehrzahl von Einheiten
verwendet werden, beispielsweise gerührte Fermenter, Festbett-Fermenter,
Fließbett-Fermenter, Airlift-Fermenter
oder Hohlfaser-Reaktoren.
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Die
obigen Zellen können – und manche
sollten sogar – gezüchtet werden,
wenn sie an einem festen Träger
fixiert sind, wie Mikro-Trägern
oder Makro-Trägern
in Suspension, beispielsweise in einem Festbett, einem Fließbett oder
in Suspension, oder wie Hohlfasern. Die Zellen können auch in einem Träger (z.B.
einem porösen
Träger)
eingebettet sein.
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Im
Laufe des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung, insbesondere bei Verwendung eines festen Trägers, müssen die
Zellen von diesem festen Träger
losgelöst
werden. Dies kann mit jedem Verfahren, das für das Ablösen von Zellen von einem festen
Träger
geeignet ist, bewirkt werden. Vorteilhaft kann zu diesem Zweck eine
proteolytische Enzymlösung
verwendet werden. Gegebenenfalls können diesem enzymatischen Freisetzungsschritt
ein oder mehrere vorbereitende Schritte vorangehen, z.B. durch Behandlung
mit PBS und/oder EDTA, um die proteolytische Wirksamkeit zu verstärken, und/oder
um die Menge des erforderlichen proteolytischen Enzyms zu verringern.
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BEISPIEL 1
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Zell-Ablösung und
Abtrennung von den Trägern
vor dem Transfer zum nächsten
Bioreaktor
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Verankerungsabhängige Zellen
der MDCK (MDCK = Madin Darby Canine Kidney (Madin Darby Hundeniere)(Zelllinie))
wurden bei 37°C
auf Cytodex-3-Mikroträgern
(Pharmacia, Uppsala, Schweden) (5 g Träger/l) in einem gerührten 4-Liter-Bioreaktor
(„Mutter-Bioreaktor") gezüchtet. Das
Wachstumsmedium war EpiSerf (Life Technologies, Paisly, Schottland).
Das Wachstum wurde bis zu einem Maximum von 5 × 106 Zellen/ml
Kultur fortgesetzt.
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Die
Zellen wurden durch Trypsinisierung in einer Trypsin- EDTA-Lösung (Life
Technologies, Paisly, Schottland) von den Trägern abgelöst.
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Nach
dem Setzen der Träger
wurden 80% der abgelösten
Zellen in 3 andere Bioreaktoren ähnlicher Größe transferiert.
All diesen letzteren „Produktions"-Bioreaktoren wurden
zuvor Träger
(Zell-Substrat) zugegeben. Man ließ die Zellen die Träger wieder
besiedeln und verwendete sie danach zur Produktion in diesen Produktions-Bioreaktoren.
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Man
ließ den
Rest der Zellen im „Mutter-Bioreaktor" die übrigen Cytodex-3-Träger wieder
besiedeln, und die Zellen wurden auf die gewünschte Zelldichte gezüchtet.
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BEISPIEL 2
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Zell-Ablösung ohne
Abtrennung von den Trägern
vor dem Transfer zum nächsten
Bioreaktor
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Das
Züchten
von Zellen erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch werden
nach Trypsinisierung 80% der abgelösten Zellen einschließlich der
Träger
in die 3 Produktions-Bioreaktoren transferiert. Außerdem wurden
geeignete Träger
in alle Bioreaktoren zugegeben.
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BEISPIEL 3
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Zell-Ablösung ohne
Abtrennung von den Trägern
nach dem Transfer zum nächsten
Bioreaktor
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Das
Züchten
von Zellen erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben, jedoch wurden
80% der noch anhaftenden Zellen in einen Bioreaktor ähnlicher
Größe transferiert,
welcher danach direkt für
die Produkterzeugung verwendet wurde.
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Die übrigen Zellen
an den Mikro-Trägern
im Mutter-Fermenter wurden danach durch Trypsinisierung abgelöst, wonach
man neue Träger
zugab und die Zellen die Substrate wieder besiedeln ließ.
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BEISPIEL 4
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Beginn mit
in Masse gefrorenen Zellen
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Bei
diesem Versuch wurde ein Teil der Kultur verwendet, um den Mutter-Fermenter
und einige Tochter-Fermenter erneut zu chargieren, und ein Teil
der Kultur wurde zum Gefrieren von Zellen in Masse verwendet.
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In
Masse gefrorene Zellen (insgesamt 14,4 × 108 Zellen)
wurden in eine Start-Kultur in einem 3-Liter-Mutter-Fermenter, enthaltend
5 g Cytodex pro Liter und EpiSerf-Medium, geimpft, und danach bei
37°C inkubiert.
Restliche Kryo-Konservierungsmittel wurden durch einen Medium-Wechsel
am Tag 1 entfernt.
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Am
Tag 2 wurde die Trypsinisierung durchgeführt, 50% der Zellen wurden
in Masse gefroren, und die übrigen
Zellen wurden auf Mikro-Träger
in einem nachfolgenden Fermenter geimpft.
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Aus
Tabelle 1 kann abgeleitet werden, dass die Zellen tatsächlich mit
normaler Geschwindigkeit zwischen Tag 2 und 3 weiterwachsen.
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Am
Tag 4 wurde der Inhalt des Mutter-Fermenters mit Trypsin losgelöst und auf
neue Mikro-Träger
(10 g/l) in zwei anderen Fermentern neben dem Mutter-Fermenter wieder
chargiert.
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Am
Tag 5 zeigte sich, dass die Plattierungseffizienz etwa 85% betrug. Tabelle
1
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BEISPIEL 5
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Transfer aus kleinem Mutter-Fermenter
in großen
Produktions-Fermenter
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Die
Zellen wurden in 65-Liter- und 550-Liter-Fermentern (50 Liter bzw.
250 Liter Arbeitsvolumen) unter Verwendung einer Mikro-Trägerdichte
von 5 g Cytodex pro Liter auf einen großen Maßstab aufskaliert. Wie aus Tabelle
2 ersichtlich ist, werden 90% der gesamten Zellen aus einer 50-Liter-Fermenter-Kultur
mit 800.000 Zellen/ml in einen Groß-Fermenter transferiert, von
welchen Zellen sich 69% als lebensfähig erwiesen.
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Dasselbe
wurde im 50-Liter-Mutter-Fermenter festgestellt; etwa 69% der sich
wiedervermehrenden Zellen erwiesen sich als lebensfähig.
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Die
Vorgangsweise war wie folgt:
Am Tag 0 ließ man die Träger in der
50-Liter-Kultur sich setzen, wonach der Überstand (Kulturmedium) entfernt und
durch PBS ersetzt wurde. Der Gehalt des Fermenters wurde 5–15 Minuten
lang bewegt. Der Überstand wurde
nach dem Sich-Wieder-Setzen der Träger entfernt. Dieser Schritt
kann nötigenfalls
wiederholt werden.
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Danach
wurde dieser Schritt mit PBS/EDTA (0,4 Gramm EDTA/Liter PBS) wiederholt.
Wiederum wurde die Kultur 5–15
Minuten lang bewegt, die Träger
wurden sich setzen lassen, der Überstand
wurde entfernt, und der PBS/EDTA-Schritt wurde wiederholt, bis die
Zellen abgerundet worden waren und für eine Ablösung mit Trypsin bereit waren.
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Dann
wurde Trypsin (0,025 Endkonzentration) zum PBS/EDTA zugegeben und
5–15 Minuten
lang inkubiert. Danach wurde entweder der Zellen enthaltende Überstand
(nach dem Absetzen von nun „nackten" Trägern) transferiert
(wie in Beispiel 9), oder die Mischung von Zellen plus Trägern wurde
transferiert (insgesamt 80% der Gesamtmischung).
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Nach
dem Transfer der Zellen in den 550-Liter-Fermenter ließ man den
Rest der Zellen (folglich, 10% der lebensfähigen Zellen) die im Fermenter
noch vorhandenen Träger
wieder besiedeln, nachdem der 50-Liter-Fermenter wieder mit Kulturmedium
befällt
worden war.
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Etwa
70% der Zellen erwiesen sich als lebensfähig. Tabelle
2
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BEISPIEL 6
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Analog
zu Beispiel 5, jedoch wurden 80% der Kultur der Träge rgebundenen
Zellen vom Mutter-Bioreaktor in den Produktionsbioreaktor transferiert.
Die Produktion wurde nach Zugabe von Virus begonnen.
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Die
20% der Zellen und Träger,
die im Mutter-Bioreaktor verblieben, wurden trypsinisiert und abgelöst, und
nach Zugabe von neuem Substrat in den Mutter-Bioreaktor ließ man die
Zellen den Mutter-Bioreaktor wieder besiedeln, während die Produktion im physisch
getrennten Produktions-Bioreaktor weitergeht.
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BEISPIEL 7
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Großmaßstäbliche Kultur, ausgehend von
in Masse gefrorenen Zellen
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In
Masse gefrorene Zellen wurden aufgetaut und in einem 10-Liter(Arbeitsvolumen)-Fermenter
(Cytodex Träger-Dichte
5 g/l; Kulturmedium EpiSerf) mit einer Inokulationsdichte von 1 × 106 Zellen/ml geimpft. Nach dem Anhaften wurde
das Kulturmedium ersetzt, um restliche Kryo-Schutzmittel zu entfernen.
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Nach
dem Tag 1 war die Menge der lebensfähigen Zellen, die an den Trägern haftete,
0,45 × 106 Zellen/ml, welche von da an zu wachsen
begannen. Bei einer Dichte von 2,8 × 106 Zellen/ml
wurden die Zellen von ihren Trägern
durch Trypsinisierung losgelöst,
und 80% wurden in einen 50-Liter(Arbeitsvolumen)-Fermenter transferiert
(Träger
5 g/l).
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Wie
aus Tabelle 3 ableitbar, war am Tag 1 die Menge der lebensfähigen Zellen
nach dem Gefrieren der Zellen in einer Masse etwa 45%.
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Von
der Gesamtmenge der transferierten Zellen war die Lebensfähigkeit
nach Loslösen
mit Trypsin 71,4. Tabelle
3