TY  - THES
A1  - Glöckner, Herma
T1  - Characterization of a new miniaturized hollow-fiber bioreactor for cultivation of cell lines and primary cells to improve cytostatic drug testing in vitro
T1  - Charakterisierung eines neuartigen Hohlfaserbioreaktors zur Kultur von Zellinien und Primärzellen im Hinblick auf eine verbesserte Zytostatikatestung in vitro
N2  - Monolayer or suspension cell cultures are of only limited value as experimental models for human cancer. Therefore, more sophisticated, three-dimensional culture systems like spheroid cultures or histocultures are used, which more closely mimic the tumor in individual patients compared to monolayer or suspension cultures. As tissue culture or tissue engineering requires more sophisticated culture, specialized in vitro techniques may also improve experimental tumor models. In the present work, a new miniaturized hollow-fiber bioreactor system for mammalian cell culture in small volumes (up to 3 ml) is characterized with regard to transport characteristics and growth of leukemic cell lines (chapter 2). Cell and medium compartment are separated by dialysis membranes and oxygenation is accomplished using oxygenation membranes. Due to a transparent housing, cells can be observed by microscopy during culture. The leukemic cell lines CCRF-CEM, HL-60 and REH were cultivated up to densities of 3.5 x 107/ml without medium change or manipulation of the cells. Growth and viability of the cells in the bioreactor were the same or better, and the viable cell count was always higher compared to culture in Transwellâ plates. As shown using CCRF-CEM cells, growth in the bioreactor was strongly influenced and could be controlled by the medium flow rate. As a consequence, consumption of glucose and generation of lactate varied with the flow rate. Influx of low molecular weight substances in the cell compartment could be regulated by variation of the concentration in the medium compartment. Thus, time dependent concentration profiles (e.g. pharmacokinetic profiles of drugs) can be realized as illustrated using glucose as a model compound. Depending on the molecular size cut-off of the membranes used, added growth factors like GM-CSF and IL-3 as well as factors secreted from the cells are retained in the cell compartment for up to one week. Second, a method for monitoring cell proliferation the hollow-fiber bioreactor by use of the Alamar BlueTM dye was developed (chapter 3). Alamar BlueTM is a non-fluorescent compound which yields a fluorescent product after reduction e.g. by living cells. In contrast to the MTT-assay, the Alamar BlueTM-assay does not lead to cell death. However, when not removed from the cells, the Alamar BlueTM dye shows a reversible, time- and concentration-dependent growth inhibition as observed for leukemic cell lines. When applied in the medium compartment of a hollow-fiber bioreactor system, the dye is delivered to the cells across the hollow-fiber membrane, reduced by the cells and released from the cell into the medium compartment back again. Thus, fluorescence intensity can be measured in medium samples reflecting growth of the cells in the cell compartment. This procedure offers several advantages. First, exposure of the cells to the dye can be reduced compared to conventional culture in plates. Second, handling steps are minimized since no sample of the cells needs to be taken for readout. Moreover, for the exchange of medium, a centrifugation step can be avoided and the cells can be cultivated further. Third, the method allows to discriminate between cell densities of 105, 106 and 107 of proliferating HL-60 cells cultivated in the cell compartment of the bioreactor. Measurement of fluorescence in the medium compartment is more sensitive compared to glucose or lactate measurement for cell counts below 106 cells/ml, in particular. In conclusion, the Alamar BlueTM-assay combined with the hollow-fiber bioreactor offers distinct advantages for the non-invasive monitoring of cell viability and proliferation in a closed system. In chapter 4 the use of the hollow-fiber bioreactor as a tool for toxicity testing was investigated, as current models for toxicity as well as efficacy testing of drugs in vitro allow only limited conclusions with regard to the in vivo situation. Examples of the drawbacks of current test systems are the lack of realistic in vitro tumor models and difficulties to model drug pharmacokinetics. The bioreactor proved to be pyrogen free and is steam-sterilizable. Leukemic cell lines like HL-60 and primary cells such as PHA-stimulated lymphocytes can be grown up to high densities of 1-3 x 107 and analyzed during growth in the bioreactor by light-microscopy. The cytostatic drug Ara-C shows a dose-dependent growth inhibition of HL-60 cells and a dose-response curve similar to controls in culture plates. The bioreactor system is highly flexible since several systems can be run in parallel, soluble drugs can be delivered continuously via a perfusion membrane and gaseous compounds via an oxygenation membrane which also allows to control pO2 and pH (via pCO2) during culture in the cell compartment. The modular concept of the bioreactor system allows realization of a variety of different design properties, which may lead to an improved in vitro system for toxicity testing by more closely resembling the in vivo situation. Whereas several distinct advantages of the new system have been demonstrated, more work has to be done to promote in vitro systems in toxicity testing and drug development further and to reduce the need for animal tests.
N2  - Konventionelle Zellkulturmethoden, wie Monolayer- oder Suspensionskulturen weisen im Vergleich zu dreidimensionalen Kultursystemen (z.B. Sphäroid- oder Gewebekultur) wesentliche Limitationen auf. So sind in vitro Systeme als Modelle für humane Tumore häufig ungeeignet, besonders im Hinblick auf die Wirkstofftestung von Zytostatika. Dreidimensionale Kulturmodelle, die dem Verhalten von Tumoren in vivo besser entsprechen, erfordern technisch ausgereiftere Kulturtechniken als die konventionelle Zellkultur. Diese könnten dazu beitragen, eine dreidimensionale Kultur von Gewebe und dadurch in vivo ähnliche Bedingungen zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuentwickelter, miniaturisierter Hohlfaserbioreakor hinsichtlich seiner Transportcharakteristik, sowie bezüglich des Wachstums von leukämischen Zellinien untersucht (Kapitel 2). Der Zellkulturraum, mit einem Volumen von bis zu 3 ml, ist durch Dialysemembranen vom Mediumkompartiment getrennt. Eine zusätzliche Oxygenierung der Zellkultur erfolgt über Oxygenationsmembranen. Aufgrund der Verwendung eines transparenten Gehäuses können die Zellen während der Kultur mikroskopisch beobachtet werden. Die leukämischen Zellinien CCRF-CEM, HL-60 und REH konnten in dem neuen Hohlfaserbioreaktor in Zelldichten bis 3.5 x 107/ml kultiviert werden, ohne daß ein Mediumwechsel oder eine andere Manipulation der Zellkultur notwendig war. Das Wachstum und die Vitalität der Zellkulturen war vergleichbar oder besser als von Kontrollen in Transwellâ Kulturen. Wie für die Zellinie CCRF-CEM gezeigt werden konnte, war das Wachstum der Zellen abhängig von der Mediumflußrate und konnte durch deren Variation kontrolliert werden. Daraus resultierte auch ein veränderter Glukoseverbrauch und eine veränderte Laktatproduktion der Zellen. Der Eintrag von niedermolekularen Substanzen in den Zellkulturraum konnte durch die Variation der Konzentration der Substanz im Mediumkompartiment reguliert werden. Auf diese Weise können zeitabhängige Konzentrationsprofile, z. B. pharmakokinetische Profile von Wirkstoffen, realisiert werden, wie mit der Modellsubstanz Glukose gezeigt wurde. Abhängig vom molekularen Cut-off der verwendeten Membranen, werden im Zellkulturraum sowohl zugegebene, als auch autokrine Faktoren für bis zu einer Woche zurückgehalten, wie für GM-CSF oder IL-3 gezeigt wurde. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, um in dem miniaturisierten Hohlfaserbioreaktor die Zellproliferation mittels des Farbstoffes Alamar BlueTM zu ermitteln (Kapitel 3). Alamar BlueTM ist ein nicht-fluoreszierender Farbstoff, der nach Reduktion durch z.B. lebende Zellen in ein fluoreszierendes Produkt umgewandelt wird. Im Gegensatz zum MTT-Assay, führt der Alamar BlueTM-Assay jedoch nicht zum Zelltod. Wird der Farbstoff nicht aus der Zellkultur entfernt, zeigt sich eine reversible, zeit- und konzentrationsabhängige Wachstumsinhibiton der Zellen, wie für leukämische Zellinien gezeigt werden konnte. Verwendet man den Farbstoff im Mediumkompartiment eines Hohlfaserbioreaktor-System, wird er über die Hohlfasermembran zu den Zellen angeliefert, von den Zellen reduziert, und über die Membran wieder in das Mediumkompartiment abgeführt. Auf diese Weise reflektiert die Zunahme der Fluoreszenz im Mediumkompartiment das Wachstum der Zellen im Zellkulturraum. Das Verfahren bietet mehrere Vorteile: Erstens kann der Kontakt der Zellen mit dem Farbstoff im Vergleich zur konventionellen Zellkultur reduziert werden und das notwendige Handling wird minimiert, da keine Probennahme aus der Zellkultur zur Auswertung erforderlich ist. Zweitens ist zum Austauschen des Mediums kein Zentrifugationsschritt notwendig, so daß die Zellen ohne Störung weiterkultiviert werden können. Drittens erlaubt diese Methode eine Diskriminierung von Zelldichten von 105, 106 und 107 proliferierenden HL-60 Zellen im Zellkulturraum des Bioreaktors. Es konnte gezeigt werden, daß die Fluoreszenzmessung im Mediumkompartment im Vergleich zur Messung von Glukose oder Laktat besonders für Zellzahlen unterhalb 106 Zellen/ml sensitiver ist. Zusammenfassend bietet der Alamar BlueTM-Assay in Verbindung mit dem Hohlfaserbioreaktor klare Vorteile für ein nicht-invasives Monitoring der Zellvitalität und Proliferation in einem geschlossenen System. In Kapitel 4 wird die Verwendung des miniturisierten Hohlfaserbioreaktors als Modellsystem für toxikologische Untersuchungen beschrieben. Gegenwärtig fehlen realisitische in vitro Modelle, vor allem zur Modellierung von pharmakokinetischen Profilen. Der Bioreaktor erwies sich als pyrogenfrei und dampfsterilisierbar. Leukämische Zellinien, z. B. HL-60 Zellen sowie Primärzellen, wie z. B. PHA-stimulierte Lymphozyten konnten in Zelldichten bis zu 1-3 x 107 Zellen/ml kultiviert werden. Das Zytostatikum Ara-C wies eine dosisabhängige Wachstumsinhibition im Hohlfaserbioreaktor auf, wie für HL-60 Zellen gezeigt wurde. Die Dosis-Wirkungs-Kurve war vergleichbar dem Ergebnis in 96-Well-Platten. Das Bioreaktor System bietet eine hohe Flexibilität, da mehrere Systeme parallel untersucht werden können. Lösliche Substanzen können kontinuierlich über die Perfusionsmembran angeliefert werden und gasförmige Komponenten über die Oxygenationsmembran. Diese ermöglicht zudem eine Kontrolle des pO2 und des pH-Wertes (via pCO2) im Zellkompartiment während der Kultur. Das modulare Konzept des Bioreaktor Systems ermöglicht die Realisierung unterschiedlicher Designs. Obgleich einige deutliche Vorteile des neuen Bioreaktorsystems gezeigt wurden, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einsatz von in vitro Systemen in der Entwicklung neuer Wirkstoffe voranzutreiben und die Notwendigkeit von Tierexperimenten zu verringern.
KW  - Hohlfaserreaktor
KW  - Zellkultur
KW  - Cytostatikum
KW  - Hohlfaserbioreaktor
KW  - Zytostatikatestung
KW  - in vitro
KW  - hollow-fiber bioreactor
KW  - cytostatic drug testing
KW  - in vitro
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-1181317
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brühlmann, David
T1  - Tailoring Recombinant Protein Quality by Rational Media Design
T1  - Der Einfluss von Zellkulturmedien auf Qualitätsattribute von rekombinanten Proteinen
N2  - Nowadays, more than half of the biotherapeutics are produced in mammalian cell lines as a result of correct protein folding and assembly as well as their faculty to bring about a variety of post-translational modifications. The widespread progression of biosimilars has moved the focus in mammalian cell-culture process development. Thereby, the modulation of quality attributes of recombinant therapeutic proteins has increasingly gained importance from early process development stages. Protein quality directly shapes the clinical efficacy and safety in vivo, and therefore, the control of the complex post-translational modifications, such as glycosylation (e.g. high mannose, fucosylation, galactosylation and sialylation), charge variants, aggregates and low-molecular-weight species formation, is pivotal for efficient receptor binding and for triggering the desired immune responses in patients. In the frame of biosimilar development, product quality modulation methods using the potential of the host cell line are particularly sought after to match the quality profile of the targeted reference medicinal product (RMP) as closely as possible. The environment the cell is dwelling in directly influences its metabolism and the resulting quality profile of the expressed protein. Thereby the cell culture medium plays a central role in upstream manufacturing. In this work, concentration adjustment of selected media components and supplementation with a variety of compounds was performed to alter various metabolic pathways, enzyme activities and in some cases the gene expression levels of Chinese Hamster Ovary (CHO) cells in culture. The supplementation of cell culture medium with the trisaccharide raffinose in fed-batch cultures entailed an increase of the abundance of high mannose glycans in two different CHO cell lines. Raffinose especially favored mannose 5 glycans. At the same time, it impaired cell culture performance, induced changes on the intracellular nucleotide levels and even varied the expression levels of glycosylation-related genes. Supplementation with a number of galactosyltransferase inhibiting compounds, in particular fluorinated galactose analogs (alpha- and beta-2F-peracetyl-galactose), consistently decreased the production of galactosylated monoclonal antibodies (mAb). By means of targeted addition during the culture rather than at the beginning, the inhibition was further increased, while limiting detrimental effects on both growth and productivity. High-throughput screening in 96-deepwell plates showed that spermine and L-ornithine also reduced the level of galactosylation. On the other hand, exploratory screening of a variety of potentially disulfide-bridge-reducing agents highlighted that the inherent low-molecular-species level of the proprietary platform cell culture process was likely due to favored reduction. This hypothesis was reinforced by the observation that supplementation of cysteine and N-acetylcysteine promoted fragmentation. Additionally, fragmentation decreased with higher protein expression. 
At that point, aiming to improve the efficiency in process development, a rational experimental design method was developed to identify and to define the optimal concentration range of quality modulating compounds by calling on a combination of high throughput fed-batch testing and multivariate data analysis. Seventeen medium supplements were tested in five parallel 96-deepwell plate experiments. The selection process of promising modulators for the follow-up experiment in shake tubes consisted in a three-step procedure, including principal component analysis, quantitative evaluation of their performance with respect to the specifications for biosimilarity and selection following a hierarchical order of decisions using a decision tree. The method resulted in a substantial improvement of the targeted glycosylation profile in only two experimental rounds. Subsequent development stages, namely validation and transfer to industrial-scale facilities require tight control of product quality. Accordingly, further mechanistic understanding of the underlying processes was acquired by non-targeted metabolomic profiling of a CHO cell line expressing a mAb cultured in four distinct process formats. Univariate analysis of intra- and extracellular metabolite and temporal glycosylation profiles provided insights in various pathways. The numerous of parameters were the main driver to carry out principal component analysis, and then, using the methodology of partial-least-square (PLS) projection on latent structures, a multivariate model was built to correlate the extracellular data with the distinct glycosylation profiles. The PLS observation model proved to be reliable and showed its great benefit for glycan pattern control in routine manufacturing, especially at large scale. Rather than relying on post-production interpretation of glycosylation results, glycosylation can be predicted in real-time based on the extracellular metabolite levels in the bioreactor. 
Finally, for the bioactivity assessment of the glycan differences between the biosimilar and the reference medicinal product (RMP), the health agencies may ask for in the drug registration process, extended ranges of glycan variants need to be generated so that the in vitro assays pick up the changes. The developed glycosylation modulator library enabled the generation of extreme glycosylation variants, including high mannose, afucosylated, galactosylated as well as sialic acid species of both a mAb and an antibody fusion molecule with three N-glycosylation sites. Moreover, to create increased variety, enzymatic glycoengineering was explored for galactosylation and sialylation. The glyco variants induced significant responses in the respective in vitro biological activity assays. The data of this work highlight the immense potential of cell culture medium optimization to adjust product quality. Medium and feed supplementation of a variety of compounds resulted in reproducible and important changes of the product quality profile of both mAbs and a fusion antibody. In addition to the intermediate modulation ranges that largely met the requirements for new-biological-entity and biosimilar development, medium supplementation even enabled quick and straightforward generation of extreme glycan variants suitable for biological activity testing.
N2  - Mehr als die Hälfte der Biotherapeutika werden heutzutage aufgrund korrekter Proteinfaltung und korrektem Zusammenbau in tierischen Zelllinien hergestellt, welche zudem die Fähigkeit besitzen, verschiedene posttranslationale Modifikationen zu bewerkstelligen, hergestellt. Der ausgeprägte Aufschwung von Biosimilars hat den Entwicklungsschwerpunkt von Zellkulturverfahren verlagert. Dabei hat die Modulierung der Qualitätsattribute von rekombinanten Proteinen bereits in frühen Entwicklungsstadien eine wichtige Bedeutung erlangt. Die Qualitätsattribute beeinflussen die klinische Wirksamkeit und die In-Vivo-Sicherheit direkt. Somit ist die Regulierung der posttranslationalen Modifikationen, einschließlich der Glykosylierung (mannosereiche, fukosylierte, galaktosylierte und sialylierte Glykane), der Ladungsvarianten, sowie die Bildung von Aggregaten und niedermolekularen Spezien, für effiziente Rezeptorbindung und das Auslösen der gewünschten Immunantwort in Patienten entscheidend. Im Rahmen der Biosimilarentwicklung werden Methoden zur Anpassung der Produktqualität innerhalb des Potentials der Wirtszelle gesucht, um sie möglichst genau dem Referenzarzneimittel anzugleichen. Die Umgebung, in der die Zelle verweilt, beeinflusst ihren Metabolismus und das resultierende Produktqualitätsprofil. Dabei spielen Medien eine zentrale Rolle in der Zellkultur. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden durch Adjustierung von ausgewählten Medienbestandteilen und Ergänzung mit einer Vielfalt von Stoffen diverse Stoffwechselwege, Enzymaktivitäten und in einigen Fällen das Genexpressionsniveau von kultivierten Chinesischen Hamster-Ovarialzellen (CHO) verändert. Die Ergänzung von Zellkulturmedium mit Raffinose, ein Trisaccharid, führte zu einer Erhöhung des mannosereichen Glykosylierungsmusters in zwei unterschiedlichen CHO-Zelllinien. Raffinose begünstigte hauptsächlich Mannose-5-Spezien. Gleichzeitig wurde die Zellkulturleistung beeinträchtigt und zudem intrazelluläre Nukleotidkonzentrationen sowie das Expressionsniveau von Glykosylierungsgenen verändert. Ergänzung mit mehreren Inhibitoren der Galaktosyltransferase, insbesondere fluorierte Galaktosenachbildungen (Alpha- und Beta-2F-Peracetyl-Galaktose), verringerte stetig die Produktion von galaktosylierten monoklonalen Antikörpern (mAb). Durch gezielte Zugabe im Verlauf der Kultur, statt bereits am Anfang, wurde die Inhibition weiter erhöht, und dabei die Einwirkung auf das Zellwachstum und die Produktivität beschränkt. Ein Hochdurchsatz-Screening in 96-Deep-Well-Platten zeigte, dass Spermin und L-Ornithin auch das Ausmaß der Galaktosylierung reduzierte. Andererseits zeigten erste Nachforschungen anhand eines Screenings einer Auswahl von potenziellen Disulfidbrücken-Reduktionsmittel, dass wahrscheinlich begünstigte Reduktion das inhärente Niedermolekular-Speziesniveau des firmeneigenen Zellkulturplattformverfahrens verursacht. Die Hypothese wurde durch die Beigabe von Cystein und N-Acetylcystein bekräftigt. Diese Stoffe begünstigten die Fragmentierung, wohingegen sie bei höherer Proteinexpression abnahm. 
Mit dem Ziel die Entwicklungseffizienz zu steigern, wurde daraufhin zur Identifikation von qualitätsverändernden Stoffen und Bestimmung der optimalen Konzentrationsbereichen eine rationale Versuchsanordnungsmethode entwickelt. Dazu wurde eine Kombination von Hochdurchsatz-Fed-Batch-Tests und multivariater Datenanalyse herbeigezogen. Siebzehn Mediumergänzungsstoffe wurden in fünf parallelen 96-Deep-Well-Platten-Experimenten getestet. Das Auswahlverfahren von erfolgsversprechenden Modulatoren fürs Nachfolgeexperiment in Schüttelröhrchen umfasste drei Schritte: Hauptkomponentenanalyse, quantitative Evaluierung der Leistung der Modulatoren hinsichtlich der Biosimilaritätsspezifikationen und die Auswahl in Anlehnung an eine hierarchische Entscheidungsreihenfolge mit Hilfe eines Entscheidungsbaums. Die Methode führte in nur zwei Versuchsreihen zu einer erheblichen Annäherung an das gewünschte Glykosylierungsprofil. Anschließende Entwicklungsschritte (Validierung und Transfer in die großtechnische Anlage) erforden eine rigorose Kontrolle der Produktqualität. Demzufolge konnte dank der Non-Targeted Metabolomics Analyse von vier verschiedenen Herstellungsverfahren einer mAb exprimierenden CHO-Zelllinie weitere mechanistische Kenntnisse der zugrunde liegenden Vorgängen gewonnen werden. Univariate Analysen der intra- und extrazellulären Stoffwechselprodukte und die zeitliche Glykosylierungsprofile lieferten einen Einblick in verschiedene Stoffwechselwege. Die Vielzahl von Parametern führte dazu, nach dem Prinzip der Hauptkomponentenanalyse vorzugehen, und dann anhand der Partial Least Squares (PLS)-Projektion auf latente Strukturen ein multivariates Modell zu erstellen, das die extrazellulären Daten mit den individuellen Glykosylierungsprofilen korreliert. Das PLS Beobachtungsmodell stellte sich als verlässlich heraus und zeigte seinen außerordentlichen Nutzen zur Regulierung der Glykanen in der Routineherstellung, insbesondere in der Großanlage. Anstatt sich auf Glykosylierungsresultate nach dem Ende der Produktion zu verlassen, kann die Glykosylierung, basierend auf den Niveaus der extrazellulären Stoffwechselprodukte im Bioreaktor, in Echtzeit vorausgesagt werden. 
Schließlich können im Rahmen des Arzneigenehmigungsverfahrens Gesundheitsbehörden verlangen, die Glykanunterschiede zwischen dem Biosimilar und dem Referenzarzneimittel zu untersuchen. Damit der biologische Test die Unterschiede nachweisen kann, muss eine erweiterte Palette von Glykanvarianten hergestellt werden. Die entwickelte Glykosylierungsmodulierungsbibliothek ermöglichte, extreme Varianten für mannosereiche, afukosylierte, galaktosylierte und sialylierte Glykane von mAb und einem Antikörperfusionsmolekül mit drei N-Glykosylierungsstellen zu generieren. Für erhöhte Variantenvielfalt wurde die enzymatische Glykoengineering Technologie für die Galaktosylierung und Sialylierung untersucht. Die Glykanvarianten erzeugten signifikante Antworten in der jeweiligen In-Vitro-Bestimmung der biologischen Aktivität. Die Ergebnisse unterstreichen das immense Potential von Zellkulturmediumoptimierung zur Anpassung der Produktqualität. Ergänzung des Mediums und der Nährstofflösung brachte reproduzierbare und beträchtliche Veränderungen der Produktqualität von mAb und eines Fusionsantikörpers hervor. Zusätzlich zu den intermediären Modulierungsbereichen, die mehr als ausreichend den Anforderungen für die Entwicklung von neuen biologischen Wirkstoffen und Biosimilars genügen, ermöglichte die Mediumergänzung auf schnelle und einfache Art und Weise selbst extreme Glykanvarianten zu bilden, die für die Bestimmung der biologischen Aktivität geeignet waren.
KW  - CHO cell culture
KW  - product qualitymodulation
KW  - media design
KW  - metabolism
KW  - glycosylation
KW  - high throughput
KW  - Zellkultur
KW  - CHO-Zelle
KW  - Produktivität
KW  - Nährboden
KW  - Stoffwechsel
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147345
ER  -