Data-driven modeling of the degradation of recombinant proteins in Chinese hamster ovary cells

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Degradation rekombinanter Antikörper in einer immortalisierten Zelllinie (CHO) aus Ovarien des chinesischen Hamsters. Die Bedeutung von Proteinen aus rekombinanten CHO-Zellen macht sich durch ihren zunehmenden Milliardenumsatz bemerkbar. Dabei eröffnet die Optimierung von Stoffwechselwegen die Möglichkeit, effizientere Herstellungsprozesse zu gestalten. Voraussetzung ist eine quantitative Beschreibung der relevanten Pfade in solchen Systemen. In dieser Hinsicht sind die Kennzahlen der Degradation rekombinanter Antikörper sehr begrenzt. Diese wurden bisher während der Herstellung wenig erforscht. Eine neue Vorgehensweise zur Ermittlung von Degradationsraten wurde entworfen, validiert und an mehreren Herstellungsprozessen angewandt. In dieser Arbeit musste eine neue Art von Markierungsexperimenten entworfen und validiert werden. Während der Kultivierung von CHO-Zellen wurde der isotopische Zustand der Aminosäure Lysin durch einen Puls ausgelenkt. Durch neu entwickelte Probenaufarbeitungsmethoden sowie massenspektrometrischen Methoden konnte die Markierungsanreicherung in den intrazellulären Abbaufragmenten vermessen werden. Die Produktionsraten des rekombinanten Antikörpers wurden durch elementare Bilanzierung abgeschätzt. Zur Abbildung der intrazellulären Mechanismen ließ sich ein ausgewähltes Modell mit Hilfe von den generierten Daten aus den Prozessen parametrisieren. Der extrazelluläre Degradationsanteil ist davon abgeleitet. Die Ergebnisse führten zu neuen Erkenntnissen über die absoluten Flüsse der Degradation von rekombinanten Proteinen. Die Resultate aus der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass die intrazelluläre Degradation zwischen 15% und 33% der synthetisierten rekombinanten Proteine bedeutet. Des Weiteren beläuft sich die errechnete Produktionsrate auf 1 ng/Zelle/Tag, wobei die extrazelluläre Degradation 60 % bis 90 % der gesamten Produktion einnimmt. Eine der intrazellulären Degradationsraten zeigte ein lineares Verhältnis mit der gemessenen Produktionsrate. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit sind für die industriellen Stämme von großer Bedeutung, da der Ressourcenverlust insbesondere im Produktionsmaßstab durch die eingestellten Stressbedingungen erheblich höher sein kann.