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Nährmedien für die Zellkultur Das richtige Rezept macht’s – Spezielle Transfektionsmedien für die transiente Expression

Autor / Redakteur: Dr. Frederik Walter* / Dr. Ilka Ottleben

Chemisch definierte Hochleistungsnährmedien nehmen eine entscheidende Rolle bei der effizienten Produktion von Biopharmazeutika und diagnostischen Proteinen mithilfe von Zellkulturen ein. Die besten Ergebnisse werden mit Medien erzielt, die nicht nur speziell auf den jeweiligen Zelltyp, sondern auch auf den jeweiligen Prozess zugeschnitten sind. Das gilt auch für Transfektionsmedien für die transiente Expression.

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Abb. 1: Tierische und humane Zelllinien kommen vielfach in der biopharmazeutischen Forschung und Entwicklung zum Ensatz.
Abb. 1: Tierische und humane Zelllinien kommen vielfach in der biopharmazeutischen Forschung und Entwicklung zum Ensatz.
(Bild: Xell)

Bei der Herstellung pharmazeutischer und diagnostischer Proteine werden überwiegend tierische und humane Zelllinien verwendet. Nur diese gewährleisten eine korrekte Faltung und posttranslationale Modifikation der komplexen Moleküle. Diese wiederum sind für die Aktivität und pharmakologischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. Im industriellen Umfeld werden verschiedene Zelltypen verwendet, unter denen die CHO (Chinese hamster ovary) und HEK (human embryonic kidney) Systeme zu den wichtigsten zählen.

Da die einzelnen Zelltypen aus verschiedenen Organismen und Geweben isoliert wurden, unterscheiden sie sich teils erheblich in ihren Eigenschaften. Ebenso stellen sie individuelle Anforderungen an die Kultivierungsbedingungen, insbesondere an die Zusammensetzung der Nährmedien. Um ein schnelles, robustes Wachstum und hohe Produktausbeuten zu erreichen, müssen die Zellen effizient mit den richtigen Nährstoffen versorgt werden. Tierische Zellen stellen dabei deutlich umfassendere Ansprüche an ein Nährmedium als industriell relevante Mikroorganismen und Pilze. Neben Zuckern und Salzen, essenziellen und semi-essenziellen Aminosäuren, sowie (Pro-)Vitaminen benötigen sie für ein optimales Wachstum unter anderem ggf. Wachstumsfaktoren, protektive Agenzien oder, im Falle adhärent wachsender Zellen, zusätzliche Faktoren zur Anheftung.

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Nährmedien für die Zellkultur – Wissen was drin ist

Dank intensiver Forschung und rationaler Ansätze bei der Entwicklung sind moderne Medien für die biopharmazeutische Produktion heute chemisch definiert und frei von jeglichen Komponenten tierischen Ursprungs. Das macht Produktionsprozesse bedeutend sicherer und reproduzier­barer.

Die Medien enthalten nur das, was absolut notwendig ist und sind nicht nur individuell auf die Bedürfnisse des jeweiligen Zelltyps, sondern idealerweise auch optimal an den entsprechenden Produktionsprozess angepasst. Darüber hinaus sind sie als Flüssig- oder Pulverprodukt verfügbar.

Bielefelder Erfolgsrezept

Ein Beispiel für die erfolgreiche Entwicklung von modernen Nährmedien „made in Germany“ ist das Unternehmen Xell aus Bielefeld. Durch einen innovativen Ansatz, kombiniert mit dem Know-how und der langjährigen Erfahrung der Mitarbeiter in der Entwicklung und Formulierung von Medien für die Zellkultur, hat sich das Unternehmen seit seiner Gründung im Jahr 2009 als ein kompetenter und verlässlicher Partner für die biopharmazeutische Industrie etabliert. Grundlage für die wissensbasierte Entwicklung neuer, verbesserter Medien ist eine proprietäre Datenbank, die dank interner Forschungsprojekte kontinuierlich erweitert wird. In Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen sowie renommierten Chemieunternehmen sucht Xell stets nach neuen Einsatzstoffen und Methoden zur weiteren Verbesserung der Medienrezepturen. So wird unter anderem an der Erhöhung der Bioverfügbarkeit einzelner Nährstoffe und somit an ihrer verbesserten Aufnahme und Verwertung durch die Zellen gearbeitet. In diesem Zusammenhang wird in Kooperation mit der Universität Jena beispielsweise die Nanoverkapselung von Inhaltsstoffen untersucht.

Des Weiteren greift das Bielefelder Unternehmen intern auf eine breit aufgestellte Analytik zurück, um so flexibel und unabhängig die eigene Entwicklung zu unterstützen und zum Beispiel etwaige Limitierungen in Formulierungen zu identifizieren.

Einfach transient exprimieren

Für die verhältnismäßig schnelle Produktion kleinerer Proteinmengen, wie sie für Forschungszwecke oder klinische Studien benötigt werden, aber auch bei der Herstellung von viralen Impfstoffen oder viralen Vektoren für die Gentherapie, werden überwiegend transiente Expressionssysteme verwendet. Insbesondere werden dabei HEK-293- und in zunehmendem Maße auch CHO-Zellen zunächst expandiert, bevor sie transfiziert bzw. infiziert und schließlich zum Zweck der Produktbildung weiter kultiviert werden. Für eine hohe Produktivität wird dabei eine möglichst vollständige Transfektion aller Zellen angestrebt.

Problematisch bei diesem Vorgehen ist, dass gängige Kulturmedien aufgrund ihrer Zusammensetzung nicht mit der Transfektion kompatibel sind, wodurch der Arbeits- und Ressourcenaufwand deutlich erhöht wird (s. Abb. 2). Die Kulturen müssen zunächst in einem Kulturmedium vermehrt und dann für die Transfektion selbst in ein entsprechend angepasstes Medium überführt werden. Letzteres wiederum ist jedoch oft nicht für die Routinekultur geeignet. Zudem ist häufig eine vorangehende Komplexierung der DNA mit dem Transfektionsreagenz in einer weiteren separaten Lösung notwendig.

Spezielle Transfektionsmedien für HEK oder CHO

Spezielle Transfektionsmedien wie das HEK TF und CHO TF von Xell vereinfachen diesen Prozess erheblich. Da sie den Ansprüchen der verschiedenen Produktionsschritte gleichermaßen gerecht werden, können die verschiedenen Schritte, von der Vermehrung der Zellen, über die Transfektion bis zur Produktion, im gleichen Medium erfolgen. Ein Wechsel zwischen unterschiedlichen Medien ist bei den entwickelten Lösungen von Xell obsolet. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Prozessabläufe, verringert auf diese Weise die Fehlerwahrscheinlichkeit und erhöht damit die Kosteneffizienz beim Anwender, unabhängig davon, ob es sich um universitäre Forschung oder eine industrielle Anwendung handelt. Mit dem passenden Feed-Supplement lässt sich die Produktionsphase bei Bedarf zusätzlich verlängern und die Produktausbeute so weiter er­höhen.

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Chancen nutzen

Neben dem Beispiel von Produkten für die Transfektion, bietet Xell bereits für eine ganze Reihe wichtiger Zelltypen (CHO, HEK, Hybridoma, MDBK, MDCK, etc.) und Anwendungen optimal aufeinander abgestimmte Medien und Feed-Supplemente an. Neben diesen frei verfügbaren und gebrauchsfertigen Produkten werden zudem auch maßgeschneiderte Rezepturen kundenspezifisch entwickelt. Dank dieses Leistungsangebotes kann Xell heute unter anderem global operierende Unternehmen wie Boehringer Ingelheim und Sanofi als Referenzen anführen.

Mit dem Umstieg auf prozess- und zelltypspezifische, chemisch definierte Hochleistungsnährmedien haben pharmazeutische Unternehmen, Auftragshersteller und Forschungslabore gleichermaßen die Möglichkeit, ein besseres Verständnis für ihre Zellkulturen und mehr Kontrolle über ihre Prozesse zu erlangen. Insbesondere bei der Umstellung auf neue Kultivierungsverfahren oder bei der Etablierung eines neuen Produktionsprozesses stellt die Optimierung des Nährmediums im Zusammenhang mit der Prozessstrategie eine erhebliche Chance dar, um die Ausbeute und Qualität eines rekombinanten Produktes zu erhöhen.

* Dr. F. Walter: Xell AG, 33689 Bielefeld

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