Summary
En hög genomströmning, automatiserad plattform för tillverkning cellinje utveckling för produktion av proteinläkemedel beskrivs. Genomförande av BD FACS Aria Cell Sorter har CloneSelect Imager och TECAN Freedom EVO vätskehantering systemet visade signifikant ökad förädling kapaciteten i cellinje utveckling med ökad cellinje kvalitet och hög reproducerbarhet.
Abstract
Den snabbt växande biotech-industrin kräver snabb utveckling av högeffektiva och tillförlitliga produktionssystem för att möta de ökande kraven på läkemedel leveranser. Den generation av produktionslinjer cell består traditionellt framför manuella operationer som är arbetsintensiva, låg genomströmning och sårbara för mänskliga fel. Vi redovisar här en integrerad hög genomströmning och automatiserade plattform för utveckling av linjer tillverka celler för tillverkning av proteinläkemedel.
Kombinationen av BD FACS Aria ™ Cell sorterare, CloneSelect ™ Imager och TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet har möjliggjort en hög genomströmning och mer effektiva celler processlinje utveckling. I denna drift, produktion värdceller first transfekterade med ett uttryck vektor bär genen av intresse 1, följt av behandling med ett urval agent. Den stabilt-transfekterade cellerna färgas sedan med fluorescens-märkta anti-human IgG-antikroppar, och därefter föremål för flödescytometri analys 2-4. Högproduktiva celler är markerade baseras på fluorescens intensitet och är isolerade av encelliga sortering på en BD FACSAria ™. Koloni formation från encelliga stadiet upptäcktes mikroskopiskt och en rad tid-varv digitala bilder är tagna av CloneSelect ™ Imager för dokumentation av cellinje historia. Efter enstaka kloner har bildat var dessa kloner screenas för produktivitet genom ELISA utförs på ett TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet. Cirka 2000 - 10.000 kloner kan visas per transaktion cykel med det nuvarande systemet installationen.
Detta integrerade tillvägagångssätt har använts för att generera hög produktion av kinesisk hamster (CHO) cellinjer för produktion av terapeutisk monoklonal antikropp (mAb) samt deras proteiner fusion. Med hjälp av olika typer av upptäcka sonder kan metoden användas för att utveckla andra proteinläkemedel eller kunna tillämpas på andra produktionssystem värd. Jämfört med det traditionella manuell procedur visade Denna automatiserade plattform fördelarna med väsentligt ökad kapacitet, garanteras clonality, spårbarhet i cellinje historia med elektronisk dokumentation och mycket reducerad möjlighet i operatörens fel.
Protocol
1. Värdcell transfektion
- Seed 2 x 10 6 CHO-DXB11 celler i T75 Corning cellodling kolven i 15 ml odlingsmedium (Mema med nukleotider och nukleosider (Gibco, katalognummer 12.571) kompletterad med 10% γ-bestrålade kännetecknas fetalt bovinserum (Cfbs) (HyClone, katalognummer SH30071.03) och 10 ml / l på 45% glukoslösning (Sigma, katalognummer G8769)) en dag innan transfektion.
- Vid tidpunkten för transfektion, förbereda transfektion komplex som följer:
- Späd 8 mikrogram DNA i 800 l av tillväxt medium utan serum i ett sterilt mikrocentrifugrör. Blanda försiktigt.
- Späd 40 l Lipofectamine ™ (Invitrogen 18.324.012) i 800 l av tillväxt medium utan serum i en polystyren rör.
- Tillsätt det utspädda DNA till det utspädda Lipofectamine ™. Blanda försiktigt och inkubera i 30 minuter vid rumstemperatur.
- Ta bort odlingsmedium från celler i T75 och ersätta med 6,4 ml tillväxt medium utan serum. Tillsätt 1,6 ml transfektion komplex till kolven. Blanda försiktigt genom att gunga plattan.
- Inkubera cellerna vid 37 ° C i en CO 2-inkubator för 6 timmar.
- Tillsätt 8 ml odlingsmedium till kolven och inkubera vid 37 ° C i en CO 2-inkubator natten.
- Ta bort medium genom aspiration och tillsätta färsk tillväxt på medellång och kolven. Inkubera cellerna vid 37 ° C i en CO 2-inkubator natten.
- Byt odlingsmedium med urval medium (Mema medium utan nukleotider eller nukleosider (Gibco, katalognummer 12.561) kompletterad med 10% γ-bestrålade dialyseras fetalt bovinserum (dFBS) (HyClone, katalognummer SH30079.03) och 10 ml / l 45 % glukoslösning (Sigma, katalognummer G8769)).
- Inkubera cellerna vid 37 ° C i en CO 2-inkubator för 2-3 veckor.
2. Kloning med flödescytometri Aktiverat Cell sortering
- Få bort celler från kolven och centrifugera vid 800 rpm i 5 minuter vid 4 ° C.
- Resuspendera cellerna i valet medelstora kompletterad med 2% bovint serumalbumin och fluorescerande anti-humant IgG-antikroppar vid 1:20 spädning.
- Inkubera på is i 15-30 minuter och sedan tvätta två gånger med kallt PBS. Resuspendera cellerna i 1x PBS i en polypropylen rör.
- Förbered för aseptiska sortera på en BD FACSAria ™. Förbered 96-brunnar cellodling som innehåller 200 l urval medium i varje brunn.
- Aseptiskt belastning röret med celler och analysera på BD FACSAria ™, notera resultaten för färgade och ofärgade celler, respektive.
- Ställ in portar och inställningar för att sortera enstaka celler av önskad fluorescens färgning profil i 96-brunnar (s).
- Transfekterade cellerna är först analyseras utifrån Forward Scatter kontra Side Scatter. En grind för levande celler görs utifrån Forward Scatter, som mäter cellens storlek och Side Scatter, som mäter cellens komplexitet eller precision.
- De celler som faller inom denna port undersöks sedan för PE färgning. PE negativa porten är inställd för ofärgade transfekterade celler eller färgade celler värd. Som färgade transfekterade celler granskas av FACS är "High PE" gate då avgränsas till att omfatta de 5% av alla celler som är positiva för PE-färgning.
- Inkubera plattorna i 37 ° C inkubator i två veckor.
3. Dokumentation av koloni bildande genom CloneSelect ™ Imager
Dokument koloni formation i 96-brunnar på CloneSelect Imager ™ vid dag 0, dag 3, dag 7 och dag 13 efter FACS sortering. Bilden dokumentation kommer att se urval av kloner från en enda cell. Ett avgörande steg i denna dokumentation är att få fokalplanet justeras korrekt för dagen 0 mätning, eftersom det bara en cell i varje brunn på den punkten. Det är mycket viktigt att bilderna av dessa enskilda celler är i fokus och försöker justera fokus på dem kan vara missvisande i bästa fall. Fokalplanet kan variera kraftigt mellan märken av plattor och eventuellt även från parti till parti av samma märke. Alltså en förutbestämd fokalplanet behöver användas. Detta kan göras genom att fokusera på test mikro-pärlor eller hög celler täthet deponeras på plåtar från samma parti som används. Alternativt kan fullvuxen plåtar från samma parti kan användas för detta ändamål. Efter FACS sortering, är det också viktigt att låta cellerna nöja sig med en minst 2 timmar före bildbehandling, så att de blir "fast" på plats på tallriken.
4. Screening och val av högproduktiva kloner
- Dokument provposition i den mottagande 96-bra-analysen plattor.
- Överför alikvoter av 20 l supernatant (späd om det behövs) i 96-bra analys plattor av TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet. Denna flexibla och kunna robotIC-plattformen har anpassats för detta och andra automatiserade cellodling arbete. Särskilda program är skrivna för att bäst utnyttja och förstärka Freedom EVO robotiserade kapacitet för cellinje utveckling. Ett exempel på detta är fastställande av TECAN att tolka CloneSelect ™ Imager data för provtagning brunnar med enstaka kolonier. Andra program som krävs för att utföra ytterligare uppgifter cellodling, såsom att göra lämpliga utspädningar av proverna, att tolka, katalogisera och prov manuellt märkta plattor om så krävs, att skala upp högproducerande kloner, etc. Många av dessa program lätt tillämpas på 384 brunnar samt de ursprungliga 96 bra format.
- Produktion av antikroppar i proverna analyseras av en smörgås humant IgG detektera ELISA (Pierce, Rockford, IL) på TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet.
- Prover och standard (Human myelom IgG1, kappa) (Sigma, St Louis, MO) lastades på pre-belagda Bio Coat anti-humant IgG-analys Plates (BD Biosciences, San Jose, CA).
- Plattorna inkuberades i rumstemperatur i två timmar, följt av tre PBS tvättar.
- ImmunoPure get-anti-humant IgG (Fc-gamma)-HRP (Pierce, Rockford, IL) lades till i plåt, på 1:2000 spädning och inkuberas i en timme vid rumstemperatur.
- Plattorna tvättas tre gånger med PBS innan du lägger ABTS substrat (Pierce, Rockford, IL) och lästes på en tallrik Reader med absorbans vid 405 nm för detektion.
- Välj högproduktiva kloner och utvärdera produktiviteten i suspension kultur. För fed-batch kultur, var cellerna inokuleras i 0.3X106 celler / ml i protein gratis medelstora JRH omedelbara fördelen 65.578 (SAFC biovetenskap, Lenexa, KS) kompletterat med 5 g / L soja hydrolysat (DMV International, katalognummer SE50MAF-UF, mycket nummer) och inkuberas vid 37 ° C med 7,5% CO 2. Kulturen fortsatte och kompletterades med 2 g / l glukos (Sigma, katalognummer G8769, partinummer 098K2329) när glukos plus laktat koncentrationen i kulturen nådde under 2 g / L, och matas 2 mM glutamin (Gibco, katalognummer 25.030, Varunummer 568.177) när glutamin nivåer som uppnåddes under 200 mg / L (metaboliter mätt YSI Bioanalyzer). Fed-batch kulturer avslutades på dag 14 och produktion av antikroppar mättes genom omvänd fas HPLC.
- Genetisk karaktärisering av kandidat kloner av fluorescens in situ hybridisering (FISH) 5.
5. Representativa resultat:
Ett exempel på utveckling av antikroppar tillverka kloner med hög genomströmning metod visas i figur 1 och figur 2. Transfekterade cell poolen var fläckad med fluorescerande anti-humant IgG-antikroppar (Figur 1A), analyseras och sorteras på BD FACSAria ™ (Figur 1B). Kolonin bildas i 96-brunnar var avbildade på CloneSelect Imager ™ (Figur 1C). Cellodling supernatant provtogs från brunnar som innehåller enstaka koloni och bestäms genom ELISA på TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet (figur 1D). Högproduktiva kloner hittades från celler som uppvisade högre plan yta antikroppar avspeglas genom färgning med fluorescerande märkt anti-humant IgG. När man jämför kloner som genereras från två populationer av den ursprungliga transfekterade cellen pool, en stor skillnad i produktivitet i fed-batch kultur sågs (Figur 2). För de två kloner som genereras från cellen population med hög yta antikroppar uttrycket (PE hög), varierade den specifika produktiviteten från 50 till 70 pg / cell / dag. De antikroppar produktiviteten var ~ 20 pg / cell / dag för de två kloner som genereras från cellen befolkningen med låg yta antikroppar uttrycket (PE låg). Dessutom cellinjer som utvecklats av FACS sortering är mer stabila i förhållande till produktion av antikroppar än de som var klonade genom manuell kalkning utspädning (figur 3A). Den specifika produktivitet toppen klon "Clone 1", genererad av manuell kalkning utspädning minskade från ~ 30 PCD till ~ 10 PCD efter odling för 80 cell dubbleringar. Å andra sidan, den övre subclone genereras av FACS sortering, "Clone 2", kunde upprätthålla den specifika produktivitet runt 20 PCD för minst 100 celler dubbleringar. Genom fluorescent in situ hybridisering (FISH) visade vi Clone 1 visade en blandad befolkning av fenotyp A (85%) och fenotyp B (15%). Däremot FACS sorteras klon (clone 2) visade sig vara en mer homogen befolkning med 99,5% av cellerna visade sig vara fenotyp A (figur 3B).
Figur 1. Utveckling av linjer tillverka celler för produktion av monoklonala antikroppar från CHO-celler. A) Yta färgning av första transfekterade cell pool med fluorescerande anti-human IgG antikropp. B) Sortering av cell population med hög fluorescensintensitet (PE hög) och låg fluorescensintensitet (PE lågt) i 96-brunnar. C) Dokumentera koloniformation från dag 0 till dag 13 efter sådd på CloneSelect Imager ™. D) Screening kloner med ELISA.
Figur 2. Surface tillhörande antikroppsnivå korrelerar med antikroppar produktivitet i cellen. Kloner med hög och låg fluorescerande infärgning var båda utvecklats till cellinjer och utvärderas i fed-batch kultur. Volymetrisk titer och specifika produktivitet jämfördes mellan toppen 2 kloner av varje population.
Figur 3. Kloner genereras från FACS sortering uppvisar högre genetisk homogenitet och klon stabilitet. A) antikroppsproduktion stabilitet i parti kultur för ~ 80 cell dubbleringar av kultur förflyta tid. Δ var klon genererats genom att begränsa utspädningen, där cellerna var seedade i 2000 celler / brunn, 1000 celler / brunn och 500 celler / brunn. 
Var klon genererats genom FACS på en cell / brunn. B) Transgene integrering plats i CHO celler kromosom identifieras med fluorescent in situ hybridisering.
Discussion
Vi presenterade en automatiserad tillverkning cell plattform linje utveckling som möjliggör isolering av högproduktiva kloner, och emellertid samtidigt säkerställer clonality och klona stabilitet. Engagemanget hos ytan antikroppar färgning följt av FACSAria ™ cellsortering är nyckeln till att få enstaka kloner med hög antikropp produktivitet. Våra resultat och andra rapporter 2-4 tyder på att antikroppar nivån tillfälligt visas på cellytan korrelerade väl med produktiviteten i cellen. Således kan en fluorescein-konjugerade antikroppen användas till att känna igen membranbundet produkten och stöd isolering av hög producenter. Alternativt har coexpression av reporter gener och gel microdrop teknik använts för att underlätta valet av hög-producerande kloner av FACS 6-8. Förutom att isolera höga producera kloner via FACS har andra tekniker utvecklats för att uppnå samma mål. Dessa inkluderar Trellis Bioscience CellSpot teknik som använder microspere system påvisande av antikroppar och laser screening teknologi för att identifiera högproduktiva kloner och eliminera oönskade celler, Genetix ClonePix FL och StemCell Technologies ClonaCell EasyPick plattform som utför en hög throughput screening av produktionslinjer cell med hjälp av en fluorescerande system för påvisande av antikroppar . Vi valde att genomföra FACS kloning metod som bygger på underlag i samband antikroppar nivå eftersom den kombinerar enkel användning, selektivitet på produktivitet och clonality.
Anställning av TECAN Freedom EVO ® vätskehantering systemet ökat betydligt screening genomströmning, vilket ger möjlighet att välja för hög avkastning kloner från en mycket större cell pool. Andra instrument för analys som HTRF, BioForte Oktett, HPLC, etc, är alla möjliga medel för att välja hög producenter och sålla ut låg producenter. Genom att spåra klon formation med CloneSelect Imager ™ genererade vi nödvändig dokumentation för att bevisa clonality med digitaliserade cellinje historia. Clonality bekräftas ytterligare av genetiskt karakterisera enda plats transgenen integration på kromosom. En subcloning steg, som brukar vidtas för att säkerställa clonality kan därmed elimineras. Detta kommer att spara 4-8 veckors tid för cellinje utveckling. Sammanfattningsvis visade kvalitet cellinjer genererats av hög genomströmning automatiserad plattform hög produktivitet, produktion stabilitet och dokumenterad cellinje historia som ska möta efterfrågan på storskalig produktion och gällande myndighetskrav.
Disclosures
Författarna till denna artikel är anställda av Merck & Co, Inc., som använder denna metod för storskalig produktion av proteinläkemedel från däggdjur cellinjer.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| BD FACS Aria™ Cell Sorter | BD Biosciences | ||
| CloneSelect™ Imager | Genetix | ||
| TECAN Freedom EVO® liquid handling system | Tecan Group Ltd. |
References
- Hung, F., Deng, L., Ravnikar, P., Condon, R., Li, B., Do, L., Saha, D., Tsao, Y. S., Merchant, A., Liu, Z., Shi, S. mRNA stability and antibody production in CHO cells: improvement through gene optimization. Biotechnol. J. 5, 393-401 (2010).
- Brezinsky, S. C., Chiang, G. G., Szilvasi, A., Mohan, S., Shapiro, R. I., MacLean, A., Sisk, W., Thill, G. A simple method for enriching populations of transfected CHO cells for cells of higher specific productivity. J. Immunol. Methods. 277, 141-155 (2003).
- Kromenaker, S. J., Srienc, F. Stability of producer hybridoma cell lines after cell sorting: a case study. Biotechnol. Prog. 10, 299-307 (1994).
- Marder, P., Maciak, R. S., Fouts, R. L., Baker, R. S., Starling, J. J. Selective cloning of hybridoma cells for enhanced immunoglobulin production using flow cytometric cell sorting and automated laser nephelometry. Cytometry. 11, 498-505 (1990).
- Henegariu, O., Heerema, N., Wright, L. L., Bray-Ward, P., Ward, D. C., Vance, G. H. Improvements in cytogenetic slide preparation: controlled chromosome spreading chemical aging and gradual denaturing. Cytomery. 43, 101-109 (2001).
- Meng, Y. G. Grenn fluorescent protein (GFP) as a second selectable marker for selection of high producing clones from transfected CHO cells. Gene. 242, 201-207 (2000).
- DeMaria, C. T., Cairns, V., Schwarz, C., Zhang, J., Guerin, M., Zuena, E., Estes, S., Karey, K. P. Accelerated clone selection for recombinant CHO cells using a FACS-based high-throughput screen. Biotechnol. Prog. 23, 465-472 (2007).
- Weaver, J. C. Gel microdrop technology for rapid isolation of rare an high producer cells. Nat. Med. 3, 583-585 (1997).
