Modellgestützte Entwicklung der transienten Genexpression in Zellkulturen (Fortsetzung)

Die Produktion von pharmazeutischen Proteinen mittels transienter Genexpression in Mammaliazellen ist von industrieller Bedeutung und stellt eine schnelle und effiziente Alternative zur herkömmlichen, langwierigen Etablierung von stabil exprimierenden Zelllinien dar. Für Suspensionszellkulturen liegen allerdings noch nicht genügend systematische und quantitative Untersuchungen hinsichtlich der Transfektionsmechanismen und -effizienz vor.
Das Projekt „TransExpress“ („Modellgestützte Entwicklung der transienten Genexpression in Zellkulturen“) behandelt die systematische modellgestützte Untersuchung transienter Transfektionsvorgänge in Suspensions-Säugerzelllinien. Hierbei kommen dynamische, stochastische und räumlich aufgelöste Modellierungs-Methoden zum Einsatz, wobei insbesondere Aktivtransport, Zellmorphologie (Jandt et al., 2011) und Zellpopulation (Jandt et al., 2014b) berücksichtigt werden. Zur Untersuchung zellzyklusspezifischer Parameter sind synchronisierte Kultivierungen notwendig (Platas et al., 2014), um den Einfluss einzelner Zellzyklus-Phasen identifizieren zu können. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die valide Synchronisierung der Kultur gelegt worden, da bekannte und sehr häufig verwendete chemische Verfahren meist nicht zu tatsächlich synchronisierten Kulturen führen und auch physikalische Verfahren starke Artefakte erzeugen können (Jandt et al., 2014a), welche nachfolgende Messungen beeinträchtigen. An die mit hoher zeitlicher Auflösung (mindestens 4 Proben pro Zellzyklus) gewonnenen Daten kann das kombinierte populationsaufgelöste Modell angepasst und somit
zellzyklusspezifische Parameter bestimmt werden.

Im Rahmen des Projektes wurde für mehrere Säuger-Produktionszelllinien erfolgreich eine Kombination aus Synchronisierungsmethodik mit hoher Zellausbeute und Charakterisierung der Synchronisationsqualität, Kultivierung im geregelten Bioreaktor auch unter Hochzelldichtebedingungen, sowie die numerische Anpassung zellzyklusspezifischer Parameter eines räumlich aufgelösten Modells mit Überprüfung der Anpassungssignifikanzen etabliert. Diese Kombination ermöglicht erstmalig die systematische und modellgestützte Untersuchung und Optimierung dynamischer Prozesse in variierend zusammengesetzten Suspensions-Säugerzellkulturen unter physiologischen, also produktionsrelevanten  Bedingungen. Für transiente Transfektionsvorgänge insynchronisierten Kulturen zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Transfektionseffizienz von der Phasenverteilung der Kultur zum Transfektionszeitpunkt. Der umgekehrte Einfluss des Transfektions- und Produktionsprozesses auf die Synchronität der Kultur kann außerdem gut modellbasiert vorhergesagt werden.
 

Stichworte

• Zellkultur

Publikationen

• Uwe Jandt, Oscar Platas Barradas, Ralf Pörtner and An-Ping Zeng: Synchronized mammalian cell culture: Part II Population ensemble modeling and analysis for development of reproducible processes. Biotechnol. Proress., 2014 (accepted), 2014 (accepted).
• Jandt, U and Platas Barradas, O and Portner, R and Zeng, A P: Mammalian cell culture synchronization under physiological conditions and population dynamic simulation Appl Microbiol Biotechnol, 98(10): S. 4311-4319, 2014.
• Jandt, U and Zeng, A P: Modeling of intracellular transport and compartmentation Adv Biochem Eng Biotechnol, 127: S. 221--249, 2012.
• Jandt, U and Shao, S and Wirth, M and Zeng, A P: Spatiotemporal modeling and analysis of transient gene delivery Biotechnol Bioeng, 108(9): S. 2205--2217, 2011.
• Platas Barradas, Oscar and Jandt, Uwe and Becker, Max and Bahnemann, Janina and Pörtner, Ralf and Zeng, An-Ping: Synchronized mammalian cell culture: Part I-A physical strategy for synchronized cultivation under physiological conditions Biotechnology progress, 2014.