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".

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ES2248657T3 ES03004806T ES03004806T ES2248657T3 ES 2248657 T3 ES2248657 T3 ES 2248657T3 ES 03004806 T ES03004806 T ES 03004806T ES 03004806 T ES03004806 T ES 03004806T ES 2248657 T3 ES2248657 T3 ES 2248657T3
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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.
Antecedentes de la invención
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).
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.
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).
Resumen de la invención
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.
Descripción detallada de la invención
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.
Ejemplo 1
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.
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TABLA 1 Fermentaciones en modo de diálisis sin adición de citrato
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
TABLA 2 Fermentación en modo de diálisis con la adición de 2,4 mmoles/l de citrato
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
TABLA 2 (continuación)
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
TABLA 3 Fermentaciones en modo diálisis sin adición de citrato
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
TABLA 4 Fermentaciones en modo diálisis con adición de 2,4 mmoles/l de citrato
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
TABLA 4 (continuación)
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
Ejemplo 2
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.
TABLA 5 Fermentaciones en modo de partida alimentada sin adición de 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
TABLA 6 Fermentaciones en modo de partida alimentada con adición de 2,4 mmoles/l de 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
11 443 230 478
12 715 392 321
13 451 304 224
media 536 309 341
Lista de referencias
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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