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Zellkulturentwicklung Microbioreaktor reduziert Zeit- und Kostenaufwand

| Autor / Redakteur: MICHAELA McADAM, DOMINIC GRONE* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Im Vergleich zu klassischen Medikamenten sind biopharmazeutisch hergestellte Therapeutika derzeit noch relativ teuer. Neben einer frühzeitigen Selektion von Säugetier- oder Insektenzelllinien, die hohe Proteintiter exprimieren, ermöglicht die Optimierung der Proteingewinnung mithilfe von Microscale-Bioreaktoren eine signifikante Reduktion von Kosten im Entwicklungsprozess.

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Abb. 1b: Die Mikrobioreaktoren in ihrem Rack
Abb. 1b: Die Mikrobioreaktoren in ihrem Rack
(Bild: Sartorius)

Bereits beim Zelllinien-Screening lassen sich durch eine Maximierung der Anzahl von evaluierten Zelllinien die Chancen erhöhen, einen hochergiebigen Klon für proteinbasierte und monoklonale Antikörpertherapien (mAb) zu erhalten.

Für die Auswahl hoch produktiver Zelllinien wurden traditionell Schüttelkolben und Benchtop-Bioreaktoren eingesetzt, unterstützt durch optimale Medien, Zellnahrung und Bioprozess-Bedingungen. Schüttelmethoden ermöglichen jedoch weder eine Kontrolle des pH-Wertes und des gelösten Sauerstoffs (DO) noch gewähren sie das gleiche Mischverhalten wie in einem Bioreaktor. Sie werden oftmals nicht von einem System gesteuert und müssen von Hand kontrolliert werden, wodurch Nährstoffversorgung und Probennahme variabilitätsanfällig sind. Im Vergleich zu einem Scale-up-Verfahren resultiert die Verwendung von Schüttelkolben nicht selten in unterschiedlichen Zellwachstumsraten und in verschiedenen Protein-Expressionsprofilen.

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Für die Zelllinien-Bewertung müssen gegenwärtig mehrere Durchläufe von Batch- und Fed-Batch-Schüttelkolbenstudien erfolgen, um die anfangs hohe Klonzahl auf eine übersichtlichere Anzahl an Kandidaten zur Evaluierung in Benchtop-Bioreaktoren zu reduzieren.

Diese Methoden sind ressourcenintensiv und aufgrund des hohen Aufwands, anfallender Kosten sowie eines begrenzten Durchsatzes kann nur eine beschränkte Anzahl an Benchtop-Bioreaktoren parallel betrieben werden. Gewöhnlich kommt nur eine sehr geringe Anzahl von Zelllinien in kleinen Gefäßen (2 bis 10 l) zur Evaluierung. Die letztlich selektierte Zelllinie kann beim Scale-up durch suboptimale Leistung Ergebnisse wie Ausbeute und Produktqualität beeinträchtigen.

Die Notwendigkeit, unter „realen“ Benchtop-Bioreaktorbedingungen zahlreiche Experimente durchzuführen, hat zur Entwicklung von miniaturisierten Technologien geführt, die einen hohen Durchsatz an Zellkulturen ermöglichen. Viele dieser Ansätze haben jedoch den Nachteil, dass sie die tatsächliche Strömungs- und Rührwirkung eines Bioreaktors nicht nachahmen, da sie über kein internes Rührwerk verfügen und das Mischen stattdessen durch andere Methoden wie z.B. Schütteln erfolgen muss.

Automatischer Microbioreaktor mit Begasung und Rührwerk

Um das Mischen und die Gasparameter im Bioreaktor nachzuahmen, hat das britische Unternehmen TAP Biosystems (seit Dezember 2013 Sartorius Stedim Biotech zugehörig) das innovative Microbioreaktorsystem ambr15 entwickelt. Das System besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: Einwegbioreaktor, Workstation und Software. Das System ermöglicht die automatische parallele Verarbeitung und Steuerung von 24 oder 48 Bioreaktorexperimenten durch nur einen Mitarbeiter und ist für Säugetier- und Insektenzellen geeignet. Das System ist mit einem Rührwerk und einer Gaszufuhr ausgestattet. Es ahmt das Funktionsprinzip von Benchtop-Bioreaktoren nach und ermöglicht somit eine deutlich bessere Kontrolle über Umfeld und Verfahren. Infolgedessen liefert diese Technologie weitaus repräsentativere Aussagen über die Entwicklung von Zellkulturen als etwa die Verwendung von Schüttelkolben.

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