Bibliographic Metadata

Title
Zellsuspensionscharakteristik : Entwicklung von at-line Methoden zur Bestimmung von spezifischen Charakteristiken von CHO Fedbatch-Kultivierungen
Additional Titles
Cell Broth Characteristics Establishment of at-line methods for determination of specific cell broth characteristics of CHO fed-batch cultivations
AuthorBacher, Florian
CensorMaurer, Michael
Published2017
Date of SubmissionSeptember 2017
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (DE)Sedimentationsgeschwindigkeit / Zellgröße / Design of Experiments / CHO / LUMiSizer / Viskosität
Keywords (EN)Sedimentation velocity / cell size / Design of Experiments / CHO / LUMiSizer / Viscosity
Restriction-Information
 _
Classification
Abstract (German)

Die Produktion von rekombinanten monoklonalen Antikörpern in Säugetierzellen ist in der biopharmazeutischen Industrie weit verbreitet. Aufgrund ihrer Fähigkeit human-kompatible Proteine mit menschenähnlichen posttranslationale Modifikationen, wie zum Beispiel die Glykosylierung, werden häufig CHO-Zellen (chinese hamster ovary) als Expressionssystem verwendet.

Das Konzept „Process Analytical Technology“ wurde 2002 von der U.S. Food and Drug Administration etabliert, um „Quality by design“ in der pharmazeutischen Industrie zu implementieren. Dadurch soll Qualität in die Bioprozessentwicklung durch die Gewinnung von Prozessverständnis integriert werden. Um die Untersuchung solcher Prozesse unter verschiedenen Bedingungen durchführen zu können, müssen kritische Qualitätsattribute und Prozessparameter definiert werden.

Basierend auf diesen Parametern, kann ein „Design of Experiments “verwendet werden, um Prozessvariablen und Prozesseingangsgrößen zu charakterisieren.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Prozessvariablen, wie die Temperatur und die Glucosekonzentration im Feedmedium eines Fedbatch-Prozesses, der anti-TNF- produzierte, untersucht. Daher wurden Schüttelkolbenversuche bei 31, 34 und 37°C mit verschiedenen Glucosekonzentrationen (+10, +20, +30 g/L) durchgeführt.

Darüber hinaus wurden Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Zellsuspension überprüft. Aus diesem Grund wurde eine Methode zur Messung der Sedimentationsgeschwindigkeit mittels LUMiSizer, einer analytischen Zentrifuge.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Bestimmung des rheologischen Verhaltens des Zellkulturmediums und des Zellsuspensionsüberstandes. Zu diesem Zweck wurde ein Kegel-Platte Viskosimeter verwendet.

Die Temperatur der Fedbatch-Kultivierung war die wesentliche Einflussgröße auf die Prozessvariation. Experimente bei 34°C zeigten die höchste Antikörperkonzentration und Zelldichte. Die Viskosität des Überstandes der Zellsuspension blieb im Verlauf der Fermentation gleich und hatte ein scherverdünnendes Verhalten. Die Sedimentationsgeschwindigkeitsanalyse wurde erfolgreich etabliert. Die Zellgröße hatte den größten Einfluss auf die Messung. Eine Hauptkomponentenanalyse zeigte, dass die Zellmorphologie bei 34°C am stabilsten war. Zusammenfassend kann die Verwendung des LUMiSizers als at-line Methode zur schnellen Bestimmung von Zelllyse und Zellaggregation eine Alternative zu konventionellen Methoden sein.

Abstract (English)

Production of recombinant monoclonal antibodies in mammalian cells is widespread in biopharmaceutical industry. Therefore, Chinese hamster ovary (CHO) cells are mostly used as expression system due to their ability to express human-compatible proteins with human-like post-translational modifications such as glycosylation. The concept of process analytical technology was established in 2002 by the U.S. Food and Drug Administration to implement quality by design in the pharmaceutical industry. By using this concept, quality should be integrated in bioprocess development by gaining process knowledge. To investigate such a process under different conditions, critical quality attributes and critical process parameters have to be defined. Based on these parameters, design of experiments can be used a tool to characterize process variables and process inputs.

In this thesis the impact of process variables, such as temperature and glucose concentration in feed media on a CHO fed-batch process, which produced anti-TNF-, were analysed. Shake flask experiments were performed at temperatures of 31, 34 and 37°C with feeds containing different glucose concentrations (+10, +20, +30 g/L). Furthermore, correlations of process parameters and cell broth characteristics were investigated. For this reason, a method for the measurement of the sedimentation velocity was established by using a multi-sample analytical centrifuge, called LUMiSizer. Another focus of this thesis was the determination of the rheological behaviour of culture media and cell broth supernatant. For this purpose a plate and cone viscometer was used.

Fed-batch cultivation temperature was the major contributing factor to process variation. Experiments showed the highest yield of antibody titer and highest cell densities at a temperature of 34°C. Determination of cell broth supernatant viscosity showed consistent values during the course of fermentation and a sheer thinning rheological behaviour. The sedimentation velocity analysis was successfully established. Cell size had a major influence on the measurement. , A principal component analysis exhibited that at 34°C the cell morphologies was the most stable one. In conclusion, using the LUMiSizer as an at-line method for fast determination of cell lysis and aggregation can be an alternative to conventional methods.