ES2248657T3 - Metodos mejorados para el cultivo de celulas de mamiferos "in vitro". - Google Patents
Metodos mejorados para el cultivo de celulas de mamiferos "in vitro".Info
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Abstract
Método para reducir el consumo de glucosa y/o la producción de lactato durante el cultivo de células animales en un medio exento de suero, caracterizado porque el cultivo se realiza en presencia de ácido cítrico o de una sal del mismo en una concentración de 1 a 50 mmoles/l, esta cantidad de ácido cítrico o de citrato no está fijado a un complejo quelato de hierro ni de otro ion de metal de transición y el medio contiene una cantidad adicional de ácido cítrico o de citrato en un complejo de tipo quelato de hierro que se añade como fuente de hierro al medio exento de suero.
Description
Métodos mejorados para el cultivo de células de
mamíferos "in vitro".
La invención proporciona un método mejorado para
reducir la formación de lactato y/o el consumo de glucosa en
cultivos de células de mamíferos por adición de un ácido bi- o
tricarboxílico, p. ej. el ácido cítrico.
La optimización de los procesos de cultivo
celular se ha orientado siempre a la longevidad de las células
(Bibila, T.A. y Robinson, D.K., Biotechnol. Progr. 11,
1-13, 1995). La integral del número de células
viables a lo largo del tiempo se utiliza a menudo como indicativo
del éxito del cultivo y guarda una relación positiva con la
formación de producto. En este documento, esta integral se define
como CTI (CTI = Cell Density Time
Integral).
El lactato, aparte del amoníaco, es el principal
producto residual que se forma durante el cultivo de células de
mamíferos. El amoníaco puede eliminarse con facilidad "in
vivo", pero no existen mecanismos similares en las
condiciones de cultivos celulares. Un método para solucionar este
problema consiste en usar sustratos alternativos que sean
relativamente no amonicogénicos (Hassell, T. y col., J. Cell Sci.
96, 501-508, 1990). En las condiciones
típicas de cultivo, las células consumen glucosa en gran cantidad y
la metabolizan principalmente en forma de lactato. La acumulación de
lactato afecta negativamente el crecimiento celular, la CTI y la
producción de proteína, como consecuencia del pH y/o del ajuste del
pH por los álcalis (Chang, Y.H.D. y col., Biotecnol. Bioeng.
47, 319-326, 1995; Omasa, T. y col.,
Biotechnol. Bioeng. 39, 556-565, 1992; y
Chen, K. y col., Biotechnol. Bioeng. 72,
55-62, 2001).
55-62, 2001).
Se han realizado muchos intentos por reducir la
formación del lactato. Glacken, M.W. y col., Biotechnol. Bioeng.
28, 1376-1389, 1986; Hu, W.S. y col., Dev.
Biol. Stand. 66, 279-290, 1987; y Xie, L. y
Wang, D.I.C., Cytotechnology 15, 17-29, 1994)
han sugerido el cultivo de células de mamíferos con pequeñas
concentraciones de glucosa y alimentación controlada dinámica de
glucosa. La idea consistía en conseguir un desplazamiento metabólico
del flujo de mucha glucosa/lactato a baja glucosa/lactato. Sin
embargo, estos métodos requieren la adaptación a las células y
necesitan mecanismos de control de alimentación diseñados
cuidadosamente. Por ello son complicados y difíciles de llevar a la
práctica (patente US-6 156 570).
Otros métodos para reducir la formación de
lactato se basan en medios de ingeniería genética. Un método es el
descrito por Chen, K. y col., Biotechnol. Bioeng. 72,
55-62, 2001. Chen y col. sugieren manipular los
mecanismos metabólicos que conducen al lactato en las células de
mamíferos por inactivación por lo menos de una copia de los genes de
la lactato-deshidrogenasa en dichas células. Otro
método es el descrito por Irani, N. y col., J. Biotechnol.
66, 238-246, 1999. Los autores introducen el
gen de la piruvato-carboxilasa en el genoma de la
célula hospedante. Se supone que se reduce la conversión de piruvato
a lactato y por ello se mejora la longevidad de los cultivos
celulares.
celulares.
El objetivo de la invención consiste en
proporcionar un método simple para reducir el consumo de glucosa y/o
la formación de lactato durante el cultivo de células de
mamíferos.
Hace ya mucho tiempo que se conoce la adición del
citrato férrico como sustitutivo de la transferrina en medios
exentos de suero para el cultivo de células de mamíferos (véase, p.
ej. Toyoda, K. e Inouye, K., Agric. Biol. Chem. 55,
1631-1633, 1991; Franek, F. y Dolnikova, J.,
Cytotechnology 7, 33-38, 1991; Kovar, J. y
Franek, F., Exp. Cell Res. 182, 358-369,
1989; Schneider, Y.J., J. Immunol. Meth. 116,
65-77, 1989; y Kovar, J., Hybridoma 7,
255-263, 1988).
Ahora se ha encontrado de modo sorprendente que
la adición de uno o varios ácidos bi- o tricarboxílicos inhibe
considerablemente el consumo de glucosa y/o la formación de lactato
a partir de la glucosa y por lo tanto mejora la densidad celular y
la viabilidad celular durante el cultivo de células de mamíferos.
Sobre la base de estos hallazgos, el rendimiento de una proteína de
interés (POI), producida mediante dicho cultivo celular, aumenta
considerablemente cuando se utiliza el método de la presente
invención. La adición de ácido di- o tricarboxílico reduce además
entre el 50% y el 70% la cantidad de álcali que tiene que añadirse
para mantener constante el valor del pH.
La presente invención se refiere, pues, a un
método para reducir el consumo de glucosa y/o la producción de
lactato durante el cultivo de células animales en un medio exento de
suero, caracterizado porque el cultivo se lleva a cabo en presencia
de ácido cítrico o de una sal del mismo, en una concentración de 1 a
50 mmoles/l, esta cantidad de ácido cítrico o de citrato no está
fijada en un complejo de tipo quelato de un ion de hierro o de otro
metal de transición y el medio contiene una cantidad adicional de
ácido cítrico o de citrato en un complejo quelato de hierro, que se
añade como fuente de hierro al medio exento de suero.
En una forma preferida de ejecución de la
invención, las células de animales son células de mamíferos, con
preferencia células de hibridoma o de mieloma, células CHO, NS0, BHK
o HeLa, que producen anticuerpos monoclonales u hormonas
proteináceas.
En otra forma preferida de ejecución de la
invención, las células se cultiva en una fermentación en partida
alimentada, en perfusión discontinua, en diálisis, en estado sólido
o en fermentación continua, con preferencia durante un tiempo de 10
a 20 días.
Según la invención, la velocidad específica del
consumo de glucosa (\mug/10^{6} células x día) se reduce en
torno al 40%, con preferencia en más del 40%, es decir, del 40 al
60%, en relación a un proceso de fermentación utilizando un método
en el que está presente el citrato sin complejar. La velocidad
específica de formación del lactato (\mug/10^{6} células x día)
se reduce en torno al 50%, con preferencia en más del 50%, es decir,
entre el 50 y el 70%, con respecto a un proceso de fermentación que
utilice un método en el que esté presente el citrato complejado.
La acumulación de lactato en el medio del cultivo
celular puede inhibir el crecimiento celular y la producción de la
POI durante el cultivo celular. La concentración de lactato que
inhibe el crecimiento varía según la línea celular. La concentración
de lactato después de un cierto tiempo de proceso de cultivo es el
resultado de la velocidad de producción de lactato y de la CTI. Esta
invención reduce la producción específica de lactato, de modo que el
período se prolonga antes de alcanzarse la concentración inhibidora
o, en el mejor caso, el lactato se mantiene por debajo de la
concentración inhibidora. Sin embargo, según esta invención se
produce un
\hbox{aumento considerable de la CTI durante el cultivo.}
El cultivo de las células se lleva a cabo a
escala de producción, es decir, en biorreactores de
10-10.000 l de volumen. Estos métodos se describen,
por ejemplo, en Bibila, T.A. y Robinson, D.K., Biotechnol. Prog.
11, 1-13, 1995.
El medio de fermentación es con preferencia un
medio exento de suero. Tales medios se han descrito con profusión en
el estado de la técnica (véase, p. ej. Murakami, H., Monoclonal
Antibodies: Production and Application, pp. 107-141,
1989).
Los ácidos bi- y tricarboxílicos se añaden con
preferencia en forma de sales de metal alcalino o de ácidos libres,
en una concentración entre 1 y 50 mmoles/l. Con preferencia, esta
cantidad de ácido carboxílico no está fijada en un complejo quelato
de hierro ni de otro metal de transición. Sin embargo, el medio
puede contener con preferencia una cantidad adicional de ácido bi- o
tricarboxílico o una sal de los mismos, por ejemplo de citrato, en
forma de complejo quelato con hierro, que se añade como fuente de
hierro al medio exento de suero. Tal como se ha mencionado
anteriormente, el citrato de hierro es ampliamente conocido como
aditivo de medios exentos de suero, en los que actúa como fuente de
hierro, en lugar de por ejemplo la transferrina.
El término "ácido bi- o tricarboxílico
complejado" significa una solución acuosa de cantidades
estequiométricas de dicho ácido e iones de hierro que conduce a la
formación de un complejo con arreglo a la ley de la acción de
masa.
El término "proteína de interés (POI)"
significa cualquier proteína, cuya expresión sea deseada. El término
contempla con preferencia todas las formas recombinantes de una
proteína deseada. Tales proteínas de interés son por ejemplo las
hormonas proteicas tales como la eritropoyetina, o anticuerpos y
similares. Tales proteínas recombinantes han sido objeto de reseña
p. ej. por parte de Hudson, P.J. y Souriau, C., Expert. Opin. Biol.
Ther. 1, 845-855, 2001.
Las células de mamíferos son con preferencia
líneas celulares recombinantes, tales como las células CHO o las
células de hibridoma o las células de mieloma que se transforman con
vectores de expresión capaces de expresar tal proteína de interés.
Tales métodos son bien conocidos en el estado de la técnica y se han
recopilado p. ej. en Colosimo, A. y col., Biotechniques 29,
314-331, 2000.
La fermentación en modo de partida alimentada se
lleva a cabo con preferencia en biorreactores agitados durante
4-10 días. La densidad celular se sitúa con
preferencia entre 0,2 y 10 x 10^{6} células/ml. El PO_{2} se
sitúa con preferencia entre 15 y 30% y el pH entre 6,9 y 7,3.
La fermentación en modo de diálisis (Corner, M.J.
y col., Cytotechnology 3, 295-299, 1990) puede
llevarse a cabo en biorreactores agitados de diálisis durante
12-16 días. La densidad celular se sitúa con
preferencia entre 0,2 y 30 x 10^{6} células/ml, el PO_{2} se
sitúa entre el 15 y el 30% y el pH entre 6,9 y 7,3.
Como medio de fermentación se emplea con
preferencia un medio común exento de suero y para la alimentación se
emplea una solución concentrada de nutrientes.
Los siguientes ejemplos y referencias se
facilitan para ayudar la comprensión de la presente invención, el
verdadero alcance de la misma se define en las reivindicaciones
anexas.
Se descongelan células de una línea celular de
mieloma (Sp2/0) y se expanden hasta 2 l en frascos "spinner"
durante un período de aproximadamente 14 días para la inoculación en
un biorreactor de 10 l. Pasados 2-4 días se dividen
las células o se transfieren a un biorreactor de 100 l y se sigue su
cultivo durante 2-4 días. El biorreactor de 100 l
sirve como inóculo para el reactor de producción de 1000 l. Se
utiliza para cada paso del inóculo una densidad celular inicial de
0,2 a 0,4 x 10^{6} células viables por ml.
El biorreactor de producción trabaja en modo de
diálisis. El biorreactor es un reactor de tipo tanque agitado con un
volumen útil de 900-1300 l. La aireación se efectúa
por rociado (sparging). Se controlan los siguientes parámetros de
proceso: el pH, la temperatura, la presión de pO^{2} y la
velocidad de agitación. El biorreactor está equipado para el modo de
diálisis con cartuchos de fibra hueca. Se conectan los cartuchos a
un circuito externo con un depósito de medio de diálisis. Se inicia
la diálisis del cultivo 2-4 días después de la
inoculación. Durante la fermentación se llena el depósito
repetidamente con medio fresco de diálisis. Algunos componentes del
medio se alimentan al biorreactor en forma de soluciones estériles
separadas. Estos son la glucosa, los aminoácidos, las vitaminas y
los oligoelementos.
La fermentación se da por terminada después de 16
días como máximo.
Se añade el citrato al medio de fermentación y al
medio de diálisis.
Resultados del ejemplo
1
En las tablas 1 y 2 se recoge la velocidad
específica de consumo de la glucosa y la CTI de las partidas con y
sin adición de citrato (se hallan resultados similares empleando
fumarato). Se realiza la fermentación en modo de diálisis en un
volumen de 1000 l. La adición de citrato al medio reduce la
velocidad de consumo de glucosa en un 44% y aumenta la CTI en un
105%. Al mismo tiempo se reduce la velocidad de producción
específica del lactato en un 60% (tablas 3 y 4).
Durante la fermentación, la velocidad específica
de producción de la POI se mantiene casi constante, por lo tanto,
las cantidades de la POI aumentan con respecto a la CTI.
\vskip1.000000\baselineskip
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | CTI en unidades relativas |
\mug/10^{6} células x día | ||
1 | 663 | 134 |
2 | 873 | 98 |
3 | 776 | 96 |
4 | 736 | 100 |
5 | 1424 | 72 |
media: | 894 | 100 |
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | CTI en unidades relativas |
\mug/10^{6} células x día | ||
6 | 705 | 142 |
7 | 351 | 262 |
8 | 429 | 219 |
9 | 549 | 195 |
10 | 481 | 208 |
11 | 355 | 275 |
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | CTI en unidades relativas |
\mug/10^{6} células x día | ||
12 | 535 | 213 |
13 | 537 | 128 |
14 | 519 | 215 |
15 | 578 | 192 |
media: | 504 | 205 |
\vskip1.000000\baselineskip
La adición del citrato al medio de fermentación
reduce en un 66% la cantidad de álcali requerido para ajustar el pH
durante el cultivo (tablas 3 y 4).
\vskip1.000000\baselineskip
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | adición álcali en unid. rel |
\mug/10^{6} células x día | ||
1 | 506 | 110 |
2 | 746 | 111 |
3 | 574 | 59 |
4 | 595 | 77 |
5 | 1064 | 144 |
media: | 697 | 100 |
\vskip1.000000\baselineskip
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | adición álcali en unid. rel |
\mug/10^{6} células x día | ||
6 | 491 | 107 |
7 | 176 | 18 |
8 | 200 | 19 |
9 | 320 | 13 |
10 | 241 | 40 |
11 | 200 | 17 |
12 | 284 | 15 |
partida nº | velocidad específica de consumo de glucosa en | adición álcali en unid. rel |
\mug/10^{6} células x día | ||
13 | 338 | 8 |
14 | 259 | 55 |
15 | 307 | 46 |
media: | 282 | 34 |
Se descongelan células de una línea celular de
mieloma (Sp2/0) y se expanden hasta 2 l en frascos "spinner"
para la inoculación en un biorreactor de 10 l.
El biorreactor de producción trabaja en modo de
partida alimentada. El biorreactor es un reactor de tipo tanque
agitado con un volumen útil de 9-13 l. La aireación
se efectúa por rociado. Se controlan los siguientes parámetros de
proceso: el pH, la temperatura, la presión de pO^{2} y la
velocidad de agitación. La alimentación del cultivo se inicia
2-4 días después de la inoculación. Algunos
componentes del medio se alimentan al biorreactor en forma de
soluciones estériles separadas. Estos son la glucosa, los
aminoácidos, las vitaminas y los oligoelementos.
La fermentación se da por terminada después de 10
días como máximo.
Se añade el ácido cítrico al medio de
fermentación y al medio de alimentación.
Resultados del ejemplo
2
En las tablas 5 y 6 se recoge la velocidad
específica de producción y la CTI de las partidas con y sin adición
de citrato. Se realiza la fermentación en modo de partida alimentada
en un volumen de 10 l. La adición de citrato al medio reduce la
velocidad de consumo de glucosa en un 44% y aumenta la CTI en un
241%. Al mismo tiempo se reduce la velocidad de producción
específica del lactato en un 52% (tablas 3 y 4). Esto pone de
manifiesto la inhibición del flujo metabólico de la glucosa por
glucólisis debida a la adición del citrato.
pda. nº | velocidad espec. consumo glucosa en | velocidad espec. producción lactato en | CTI en unid. rel. |
\mug/10^{6} células x día | \mug/10^{6} células x día | ||
1 | 1206 | 670 | 84 |
2 | 939 | 509 | 84 |
3 | 779 | 527 | 104 |
4 | 703 | 471 | 140 |
5 | 1022 | 714 | 75 |
6 | 948 | 727 | 62 |
7 | 839 | 665 | 90 |
8 | 1233 | 867 | 86 |
9 | 912 | 612 | 90 |
10 | 967 | 668 | 184 |
media | 955 | 643 | 100 |
pda. nº | velocidad espec. consumo glucosa en | velocidad espec. producción lactato en | CTI en unid. rel. |
\mug/10^{6} células x día | \mug/10^{6} células x día | ||
11 | 443 | 230 | 478 |
12 | 715 | 392 | 321 |
13 | 451 | 304 | 224 |
media | 536 | 309 | 341 |
Bibila, T.A. y Robinson, D.K.,
Biotechnol. Prog. 11, 1-13,
1995
Chang, Y.H.D. y col., Biotechnol.
Bioeng. 47, 319-326, 1995
Chen, K. y col., Biotechnol.
Bioeng. 72, 55-62, 2001
Colosimo, A. y col., Biotechniques 29, 314-331, 2000
Corner, M.J. y col., Cytotechnology 3, 295-299, 1990
Franek, F. y Dolnikova, J.,
Cytotechnology 7, 33-38,
1991
Glacken, M.W. y col., Biotechnol.
Bioeng. 28, 1376-1389, 1986
Hassell, T. y col., J. Cell Sci.
96, 501-508, 1986
Hu, W.S. y col., Dev. Biol. Stand. 66, 279-290, 1987
Hudson, P.J. y Souriau, C.,
Expert. Opin. Biol. Ther. 1, 845-855,
2001
Irani, N. y col., J. Biotechnol. 66, 238-246, 1999
Kovar, J. y Franek, F., Exp.
Cell Res. 182, 358-269, 1989
Kovar, J., Hybridoma 7,
255-263, 1988
Murakami, H., Monoclonal Antibodies:
Production and Application 107-141, 1989
Omasa, T. y col., Biotechnol.
Bioeng. 39, 556-565, 1992
Schenider, Y.J., J. Immunol. Meth. 116, 65-77, 1989
Toyoda, K. e Inouye, K., Agric.
Biol. Chem. 55, 1631-1633,
1991
patente US-6 156 570
Xie, L. y Wang, D.I.C.,
Cytotechnology 15, 17-29,
1994
Claims (3)
1. Método para reducir el consumo de glucosa y/o
la producción de lactato durante el cultivo de células animales en
un medio exento de suero, caracterizado porque el cultivo se
realiza en presencia de ácido cítrico o de una sal del mismo en una
concentración de 1 a 50 mmoles/l, esta cantidad de ácido cítrico o
de citrato no está fijado a un complejo quelato de hierro ni de otro
ion de metal de transición y el medio contiene una cantidad
adicional de ácido cítrico o de citrato en un complejo de tipo
quelato de hierro que se añade como fuente de hierro al medio exento
de suero.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque las células de animales son células de
mamíferos.
3. Método según la reivindicación 2,
caracterizado porque las células de mamíferos son células de
mieloma, de hibridoma o células CHO.
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