Forschungsbericht 2017



Neue Ansätze zur populationsbasierten kinetischen Untersuchung und Modellierung von Hochzelldichte-Zellkulturen

Institut: V-1
Projektleitung: An-Ping Zeng
Stellvertretende Projektleitung: Uwe Jandt
Laufzeit: 01.01.2015 — 30.06.2018
Finanzierung:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Im Rahmen des beantragten Projektes sollen grundlegende kinetische Zusammenhänge zwischen Zellzyklusregulation, Zentralmetabolismus und Produktivität unter physiologischen Bedingungen und speziell bei Hochzelldichte mittels populationbasierter neuer Ansätze untersucht werden. Dazu zählt vor allem die mögliche und bisher weitgehend ungeklärte Variabilität zellmassespezifischer Produktionsraten in Abhängigkeit vom Zellzyklus. Die Nutzung solcher kinetischer Zusammenhänge für die optimale Steuerung der Prozessstabilität unter wechselnden Randbedingungen wird auch angestrebt.
Die Kinetik der Regulierung des Zentralstoffwechsels von kultivierten Säugerzelllinien in Abhängigkeit vom Zellzyklus und bei Hochzelldichte ist bisher nicht systematisch untersucht. Neben der o.g. zugrundeliegenden Fragestellung zielt das Projekt insbesondere darauf ab, für produktionsrelevante Zelllinien ein umfassendes Modellverständnis der zellzyklusspezifischen kinetischen Zusammenhänge und Parameter zu gewinnen und diese für optimierte Kultivierungsbedingungen  einzusetzen.  Dabei spielen Abweichungen zwischen zellmassespezifischen und zellzahlspezifischen Produktionsraten eine besondere Rolle. Letztere werden in der Zellkulturtechnik bevorzugt ermittelt, wurden jedoch in der Literatur stark kritisiert, dass sie sich für synchronisierte Kultivierungen jedoch nicht eignen aufgrund der Dekorrelation zwischen Zellzahl und Zellvolumen bzw. –masse. Eine wesentliche Aufgabenstellung ist außerdem die modellbasierte Vorhersage von temporären und stabilen Arbeitspunkten in praktischen Produktionsprozessen in Abhängigkeit von beeinflussbaren Prozessparametern. Dies schließt zum einen die Ausnutzung von Heterogenitäten ein, wie sie u.a. durch das Fortschreiten im Zellzyklus bedingt sind, andererseits auch die Fähigkeit, optimale und reproduzierbare Arbeitspunkte anfahren zu können und somit optimale Produktionsstabilität zu erzielen. Mit Erweiterung und Anpassung stochastischer populationsdynamischer Modelle sollen entsprechende Vorhersagen generiert und experimentell verifiziert werden.

 

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), (accepted) 2014.
  • Grischa Fuge, Yaeseong Hong, Kristoffer Riecken, An-Ping Zeng, Uwe Jandt: CHO cells engineered for fluorescence read out of cell cycle and growth rate in real time. Biotechnology Progress(33): S. 1408-1417, 2017.
  • Pörtner R, Jandt U, Zeng A-P: Cell Culture Technology for biopharmaceuticals , Kapitel -, S. 129-158. Wiley-VCH, Industrial Biotechnology: Products and Processes Ausgabe, 2016.
  • Castillo Salvador, Alan Eduardo and Fuge, Grischa and Jandt, Uwe and Zeng, An-Ping: Growth kinetics and validation of near-physiologically synchronized HEK293S Cultures. Engineering in Life Sciences, 15(5): S. 509--518, jul 2015. , DOI: 10.1002/elsc.201400224, http://doi.wiley.com/10.1002/elsc.201400224
  • 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. , DOI: 10.1007/s00253-014-5553-6
  • U. Jandt, S. Hezaveh, S. Ilhan, J. Guo, J. Tatur, G. Fuge: Modellierung und Modifikation von Multienzymkomplexen: Neue Strategien und Prozesse. Tagungsband 18. Heiligenstädter Kolloquium: S. 279-286, 2016. ISBN 978-3-00-054165-0.
  • Barradas, Oscar Platas 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, 31(1): S. 165--174, jan 2015. , DOI: 10.1002/btpr.1944, http://doi.wiley.com/10.1002/btpr.1944
  • 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. , DOI: 10.1002/btpr.1944
  • Jandt, Uwe and Platas Barradas, Oscar and Pörtner, Ralf and Zeng, An-Ping: Synchronized mammalian cell culture: Part II-population ensemble modeling and analysis for development of reproducible processes. Biotechnology Progress, 31(1): S. 175--185, jan 2015. , DOI: 10.1002/btpr.2006, http://doi.wiley.com/10.1002/btpr.2006
  • Fuge, Grischa; Zeng, An-Ping; Jandt, Uwe: Weak cell cycle dependency but strong distortive effects of transfection with Lipofectamine 2000 in near-physiologically synchronized cell culture. Engineering in Life Sciences, 17(4): S. 348-356, 2017. , DOI: 10.1002/elsc.201600113