Her presenterer vi en protokoll for å oppnå storskala produksjon av adherente celler gjennom et helt lukket system basert på GMP-klasse oppløselige mikrobærere. Dyrking av humane mesenkymale stamceller, HEK293T celler og Vero-celler ble validert og oppfylte både kvantitetskrav og kvalitetskriterier for celle- og genterapiindustrien.
Forskere i celle- og genterapiindustrien (CGT) har lenge stått overfor en formidabel utfordring i effektiv og storskala utvidelse av celler. For å løse de primære manglene i det todimensjonale (2D) plane dyrkingssystemet, utviklet vi innovativt en automatisert ACISCP-plattform (Closed Industrial Scale Cell Production) basert på en GMP-klasse, oppløselig og porøs mikrobærer for 3D-kulturen av adherente celler, inkludert humane mesenkymale stamceller / stromale celler (hMSCs), HEK293T celler og Vero-celler. For å oppnå storskala ekspansjon ble det gjennomført en to-trinns utvidelse med 5 L og 15 L omrørte tankbioreaktorer for å gi 1,1 x 1010 hMSC med en samlet utvidelse på 128 ganger innen 9 dager. Cellene ble høstet ved å fullstendig oppløse mikrobærerne, konsentrert, vasket og formulert med et kontinuerlig strømningssentrifugebasert cellebehandlingssystem, og deretter alisert med et cellefyllingssystem. Sammenlignet med 2D-plane kulturer er det ingen signifikante forskjeller i kvaliteten på hMSCer høstet fra 3D-kultur. Vi har også brukt disse oppløselige porøse mikrobærerne på andre populære celletyper i CGT-sektoren; Spesielt har HEK293T celler og Vero-celler blitt dyrket til topp celletettheter på henholdsvis 1,68 x 107 celler / ml og 1,08 x 107 celler / ml. Denne studien gir en protokoll for bruk av en bioprosessingeniørplattform som utnytter egenskapene til GMP-klasse oppløselige mikrobærere og avansert lukket utstyr for å oppnå industriell skala produksjon av adherente celler.
CGT-industrien har vært vitne til en eksponentiell ekspansjon de siste to tiårene. Utviklingen av neste generasjons medisiner forventes å behandle og kurere mange ildfaste sykdommer1. Siden den første Food and Drug Administration (FDA) godkjenningen av et CGT-produkt, Kymriah, i 2017, har CGT-relatert forskning og utvikling i verden fortsatt å vokse raskt, med FDA som ser aktive undersøkende nye legemiddelapplikasjoner for CGT økt til 500 i 20182. Det hadde blitt spådd at antall godkjenninger av CGT-produkter sannsynligvis vil være 54-74 i USA innen 20302.
Mens den raske veksten i CGT-forskning og innovasjon er spennende, er det fortsatt et stort teknologisk gap mellom laboratorieforskning og industriell skalaproduksjon som kan levere disse lovende medisinene for å nå så mange pasienter som nødvendig til rimelige kostnader. De nåværende prosessene som ble vedtatt for disse kliniske forsøkene ble etablert i laboratorier for småskala eksperimenter, og betydelig innsats er nødvendig for å forbedre og innovere på CGT-produksjon3. Det finnes mange typer CGT-produkter, de fleste av dem basert på levende celler, som kan være allogene, autologe, konstruerte eller naturlige. Disse levende stoffene er mye mer komplekse enn små molekylære enheter eller biologiske legemidler, noe som gjør storskala produksjon til en betydelig utfordring 4,5,6. I dette arbeidet demonstrerer vi en storskala celleproduksjonsprotokoll for tre forankringsavhengige celler som er mye brukt i CGT. Disse inkluderer humane mesenkymale stamceller / stromale celler (hMSCs), som har blitt brukt til cellebasert terapi, og HEK293T celler og Vero-celler, som begge brukes til å produsere virus for genteknologi av det endelige terapeutiske celleproduktet. Forankringsavhengige celler dyrkes ofte på plane systemer, som krever manuell behandling. Imidlertid krever manuelle kulturmetoder en betydelig mengde arbeidskraft og er utsatt for forurensning, noe som kan kompromittere kvaliteten på sluttproduktet. Videre er det ingen in-line prosesskontroll, noe som fører til betydelig variasjon i kvalitet mellom batchene7. Hvis vi tar stamcelleterapi som et eksempel, med en lovende pipeline på over 200 stamcelleterapikandidater, er det anslått at 300 billioner hMSC vil være nødvendig per år for å møte kravene til kliniske applikasjoner8. Derfor har storskala produksjon av terapeutiske celler blitt en forutsetning for å utføre disse terapeutiske inngrepene med så høy cellebehov9.
For å unngå tilbakeslagene i plane systemer er det gjort en innsats for å utvikle storskala produksjonsprosesser i bioreaktorer med omrørte tankbioreaktorer med konvensjonelle ikke-oppløselige mikrobærere10,11,12,13, men disse lider av kompliserte prepareringsprosedyrer og lav cellehøstingseffektivitet14. Nylig har vi innovert en oppløselig mikrobærer for stamcelleutvidelse, med sikte på å omgå utfordringene med cellehøsting fra konvensjonelle ikke-oppløselige kommersielle mikrobærere15. Denne nye, kommersielt tilgjengelige GMP-grade 3D oppløselige porøse mikrobæreren, 3D TableTrix, har vist stort potensial for storskala celleproduksjon. Faktisk kan 3D-kultur basert på disse porøse mikrobærerne potensielt gjenskape gunstige biomimetiske mikromiljøer for å fremme celleadhesjon, spredning, migrasjon og aktivering16. De porøse strukturer og sammenkoblede porenettverk av mikrobærere kan skape et større celleadhesjonsområde og fremme utveksling av oksygen, næringsstoffer og metabolitter, og dermed skape et optimalt substrat for in vitro celleutvidelse17. Den høye porøsiteten til disse GMP-grade 3D oppløselige porøse mikrobærerne muliggjør storskala utvidelse av hMSCs, og muligheten for at cellene skal være fullstendig oppløst muliggjør effektiv høsting av disse utvidede cellene18. Det er også et GMP-gradert produkt og har blitt registrert som et farmasøytisk hjelpestoff hos Chinese Center for Drug Evaluation (arkiveringsnummer: F20210000003 og F20200000496)19 og FDA i USA (FDA, USA; Drug Master Filnummer: 35481)20.
Her illustrerer vi et automatisert ACISCP-system (closed industrial scale cell production)18 ved hjelp av disse dispergerbare og oppløselige porøse mikrobærerne for hMSC, HEK293T celle og Vero-celleutvidelse. Vi oppnådde en vellykket todelt utvidelse av hMSC (128 kumulativ fold ekspansjon på 9 dager) fra en 5 l bioreaktor til en 15 l bioreaktor og til slutt oppnådd opptil 1,1 x10 10 hMSC fra en enkelt batch av produksjon. Cellene ble høstet ved å fullstendig oppløse mikrobærerne, konsentrert, vasket og formulert med et kontinuerlig strømningssentrifugebasert cellebehandlingssystem, og deretter alisert med et cellefyllingssystem. Videre vurderte vi kvaliteten på hMSC-produkter for å bekrefte samsvar. Vi demonstrerte også anvendelsen av disse oppløselige mikrobærerne for oppskalert produksjon av to andre typer forankringsceller, HEK293T celler og Vero-celler, som er mye brukt i CGT-industrien. Maksimal celletetthet av HEK293T celler nådde 1,68 x 10 7 celler / ml, mens topptettheten av Vero-celler nådde 1,08 x 107 celler / ml. ACISCP-systemet kan tilpasses til å dyrke en rekke adherente celler, og det kan potensielt bli en kraftig plattform som bidrar til å fremskynde industrialiseringen av CGT.
Både immunterapi og stamcelleterapi bruker levende celler som legemidler; Imidlertid bør deres sluttprodukter ikke renses eller steriliseres på samme måte som små molekyler eller virus. Derfor bør prinsippet om Quality by Design (QbD) alltid holdes i tankene og praktisk anvendes på Chemical Manufacturing and Control (CMC) -prosessen under celleproduksjon23. Et helt lukket cellekultursystem, samt et prosesseringssystem og et fyllesystem, vurderes fortrinnsvis for å oppfylle kravene. I denne…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet økonomisk av National Science Foundation for Distinguished Young Scholars (82125018).
0.25% trypsin EDTA | BasalMedia | S310JV | Used for 2D cell harvest. |
3D FloTrix Digest | CytoNiche Biotech | R001-500 | This is a reagent that specifically dissolves 3D TableTrix microcarriers. |
3D FloTrix MSC Serum Free Medium | CytoNiche Biotech | RMZ112 | This is a serum-free,animal-free medium for mesenchymal stem cell expansion and maintenance in 2D planar culture as well as 3D culture on 3D TableTrix microcarriers. |
3D FloTrix Single-Use Filtration Module | CytoNiche Biotech | R020-00-10 | This module contains 0.22 μm capsule filters used for filtration of culture medium and digest solution. |
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (10 L) | CytoNiche Biotech | R020-00-03 | Used as feed bag for 5 L bioreactor. |
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (3 L) | CytoNiche Biotech | R020-00-01 | Used as cell seeding or transfer bags. |
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (50 L) | CytoNiche Biotech | R020-00-04 | Used as feed bag for 15 L bioreactor. |
3D FloTrix vivaPACK Disposable Fill&Finish Consumable Kit | CytoNiche Biotech | PACK-01-01 | This is a standard kit adapted to 3D vivaPACK fill and finish system. |
3D FloTrix vivaPACK fill and finish system for cells | CytoNiche Biotech | vivaPACK | This system is a closed liquid handling device, with automated mixing and gas exhausting functions. Cells resuspended in cryopreservation buffer can be rapidly and evenly aliquoted into 20 bags per batch. |
3D FloTrix vivaPREP PLUS cell processing system | CytoNiche Biotech | vivaPREP PLUS | This system is a continuous flow centrifuge-based device.Cells can be concentrated, washed, and resuspended under completely closed procedures. |
3D FloTrix vivaPREP PLUS Disposable Cell Processing Kit | CytoNiche Biotech | PREP-PLUS-00 | This is a standard kit adapted to 3D vivaPREP PLUS cell processing. |
3D FloTrix vivaSPIN bioreactor 15 L | CytoNiche Biotech | FTVS15 | This bioreactor product employs a controller, a 15 L glass stirred-tank vessel, and assessories. A special perfusion tube is available. |
3D FloTrix vivaSPIN bioreactor 5 L | CytoNiche Biotech | FTVS05 | This bioreactor product employs a controller, a 5 L glass stirred-tank vessel, and assessories.A special perfusion tube is available. |
3D FloTrix vivaSPIN Closed System Consumable Pack (10/15 L) | CytoNiche Biotech | R020-10-10 | This is a standard tubing kit adapted to 3D vivaSPIN bioreactor 15 L, containing sampling bags. |
3D FloTrix vivaSPIN Closed System Consumable Pack (2/5 L) | CytoNiche Biotech | R020-05-10 | This is a standard tubing kit adapted to 3D vivaSPIN bioreactor 5 L, containing sampling bags. |
3D TableTrix microcarriers G02 | CytoNiche Biotech | G02-10-10g | These porous and degradable microcarriers are suitable for HEK293T cell culture. They come pre-sterilized in 10g/bottle with C-Flex tubings for welding to tubes on bioreactors. |
3D TableTrix microcarriers V01 | CytoNiche Biotech | V01-100-10g | These porous and degradable microcarriers are suitable for adherent cell culture, they come as non-sterilized microcarriers that need to be autoclaved in PBS before use. They are especially suitable for vaccine production. |
3D TableTrix microcarriers W01 | CytoNiche Biotech | W01-10-10g (single-use packaging); W01-200 (tablets) |
These porous and degradable microcarriers are suitable for adherent cell culture, especially for cells that need to be harvested as end products. They come pre-sterilized in 10g/bottle with C-Flex tubings for welding to tubes on bioreactors.The product has obtained 2 qualifications for pharmaceutical excipients from CDE, with the registration numbers of [F20200000496; F20210000003]. It has also received DMF qualification for pharmaceutical excipients from FDA, with the registration number of [DMF:35481] |
APC anti-human CD45 Antibody | BioLegend | 368512 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment |
Calcein-AM/PI Double Staining Kit | Dojindo | C542 | Calcein-AM/PI Double Staining Kit is utilized for simultaneous fluorescence staining of viable and dead cells. This kit contains Calcein-AM and Propidium Iodide (PI) solutions, which stain viable and dead cells, respectively. |
Cap for EZ Top Container Closures for NALGENE-containers (500mL) | Saint-Gobain | CAP-38 | Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands. |
C-Flex Tubing, Formulation 374 (0.25 in x 0.44 in) | Saint-Gobain | 374-250-3 | Used for tube welding and disconnection. |
CryoMACS Freezing Bag 50 | Miltenyi Biotec | 200-074-400 | Used for expanding the 3D FloTrix vivaPACK Disposable Fill&Finish Consumable Kit. |
Dimethyl Sulfate (DMSO) | Sigma | D2650-100mL | Used for preparation of cryopreservation solution. |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | BasalMedia | L120KJ | Used for cultivation of HEK293T and Vero cells. |
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (2 L) | DWK life sciences | 218016357 | Used for waste collection from the 5 L bioreactor. |
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (5 L) | DWK life sciences | 218017353 | Used for waste collection from the 15 L bioreactor. |
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (500 mL) | DWK life sciences | 218014459 | Used for supplementary bottle of 0.1 M NaOH. |
EZ Top Container Closures for NALGENE-containers (500mL) | Saint-Gobain | EZ500 ML-38-2 | Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands. |
Fetal bovine serum (FBS) superior quality | Wisent | 086-150 | Used for cultivation of HEK293T cells. |
FITC anti-human CD14 Antibody | BioLegend | 301804 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
FITC anti-human CD34 Antibody | BioLegend | 343504 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
FITC anti-human CD90 (Thy1) Antibody | BioLegend | 328108 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
Flow cytometry | Beckman Coulter | CytoFLEX | Used for cell identity assessment. |
Fluorescence Cell Analyzer | Alit life science | Countstar Rigel S2 | Used for cell counting. Cell viability can be calculated by staining with AO/PI dyes. |
GL 45 Multiport Connector Screw Cap with 2 ports | DWK life sciences | 292632806 | Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands. |
Glucose Meter | Sinocare | 6243578 | Used for detecting glucose concentration in cell culture medium and supernatant. |
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS), with calcium and magnesium | Gibco | 14025092 | Used for preparation of digest solution. |
Human Albumin 20% Behring (HSA) | CSL Behring | N/A | Used for preparation of wash buffer. |
Inverted fluorescent microscope | OLYMBUS | CKX53SF | Used for brifgt field and fluorescent observation and imaging. |
Nalgene Measuring Cylinder (500 mL) | Thermo Scientific | 3662-0500PK | Used for calibrating the liquid handling volume speed of peristaltic pumps. |
Newborn calf serum (NBS) superfine | MINHAI BIO | SC101.02 | Used for cultivation of Vero cells. |
OriCell human mesenchymal stem cell adipogenic differentiation and characterization kit | Cyagen | HUXUC-90031 | Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs. |
OriCell human mesenchymal stem cell chondrogenic differentiation and characterization kit | Cyagen | HUXUC-90041 | Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs. |
OriCell human mesenchymal stem cell osteogenic differentiation and characterization kit | Cyagen | HUXUC-90021 | Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs. |
PE anti-human CD105 Antibody | BioLegend | 800504 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
PE anti-human CD19 Antibody | BioLegend | 302208 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
PE anti-human CD73 (Ecto-5'-nucleotidase) Antibody | BioLegend | 344004 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
PE anti-human HLA-DR Antibody | BioLegend | 307605 | Used in flow cytometry for MSC identity assessment. |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Wisent | 311-010-CL | Used in autoclaving of glass vessel and V01 microcarriers, and replacement of culture medium. |
Sani-Tech Platinum Cured Sanitary Silicone Tubing (0.13 in x 0.25 in) | Saint-Gobain | ULTRA-C-125-2F | Used for solution transfering driven by peristaltic pumps. |
Sterile Saline | Hopebiol | HBPP008-500 | Used for preparation of wash buffer. |
Trypzyme Recombinant Trypsin | BasalMedia | S342JV | This reagent is used for bead-to-bead transfer of HEK293T and Vero cells. |
Tube Sealer | Yingqi Biotech | Tube Sealer I | This sealer is compatible with both C-Flex tubing and PVC tubing. |
Tube Welder for PVC tubing | Chu Biotech | Tube Welder Micro I | Used for welding of PVC tubing. |
Tube Welder for TPE tubing | Yingqi Biotech | Tube Welder I-V2 | Used for welding of TPE tubing. |
ViaStain AO / PI Viability Stains | Nexcelom | CS2-0106-25mL | Dual-Fluorescence Viability, using acridine orange (AO) and propidium iodide (PI), is the recommended method for accurate viability analysis of primary cells, such as PBMCs, and stem cells in samples containing debris. |