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实验室透析——收获高密度CHO细胞培养液

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2017/3/6 15:05:28

哺乳动物细胞培养技术在过去一段时间得到了长足的发展。目前,高滴度补料分批工艺已可达到13g/L的产量,是90年代的10倍之多。同时,CHO细胞系生产单克隆抗体(mAb)时的平均细胞密度可达到10-20x10^6cells/mL。而结合使用灌流技术,进行浓缩补料分批操作时,该数值将进一步提升。

 

澄清收获是哺乳动物细胞培养下游工艺的*步,通常要求去除一定水平的固形物。离心加深层过滤的方法在当前大规模生产中使用zui多,一般可达到98-99%的固形物去除率。但是,随着细胞培养性能的显著提高,收获和澄清操作面临着越来越难处理的进样料液的挑战,当前的操作模式已经达到了工艺可行性的临界线。

此外,虽然现在使用的多数离心设备配有密封进样区,可降低剪切暴露的水平,但能量耗散水平仍能达到0.019x10^6Wkg-1,在某些情况下,可能导致细胞裂解,显著影响后续深层过滤的膜面积要求。细胞密度是影响离心效率的另一个因素,当密度较低时,离心排放频率较低,从而可降低产物损失,但当细胞密度的增加使固形物载量达到>10%v/v时,离心需要更频繁地排放疏通,可能导致更大量的产物损失。而且,如果收获时细胞活性较低,离心的挑战会进一步加大。

 

深层过滤用于离心后上清液的固形物清除,某些深层过滤器会使用带电荷的过滤介质,可达到一定程度的DNA和宿主细胞蛋白(HCP)清除。深层过滤一般需要跟着用微滤孔径级的过滤器(一般为0.45、0.2或0.1μm),可从细胞培养收获物料中去除固体颗粒、部分内毒素以及一定水平的病毒。

 

有很多替代技术可供选择用于初步收获,包括絮凝、沉降、膨胀床吸附等,但在当前的实际应用中都还是存在一定的限制,例如引入试剂在料液中的残留、低产物收率以及不稳定的操作性能。但切向流微滤(TFMF)被非常可行的替代方案,可获得较高的处理率,且不会对损伤细胞。这些优势,在高密度细胞培养进样料液的初步收获中,都是影响成败的关键因素。

 

中空纤维(TFF)膜已广泛用于哺乳动物细胞的灌流培养,用于批量形式的收获操作也已引起较大关注。TFF的膜成本会低于常规深层过滤介质的成本,特别是后者通常需要单次使用,而TFF膜可以重复使用。

 

以的哺乳动物细胞培养收获液(细胞密度100x10^6cells/mL、细胞活性40%、IgG1浓度20g/L、HCP浓度20g/L)为测试模型,比较不同收获方法:离心加深层过滤、0.22μm的阴离子交换膜以及0.45μm的切向流微滤膜,从产物浓度、杂质清除率以及批次成本进行分析。

结果显示,几种技术的浓度产量都可达到>80%。离心获得上清液中可观察到HCP释放,说明离心的剪切导致了高水平的细胞破碎。常规深层过滤介质的HCP清除率为10%,DNA清除率为15-20%,如介质带正电荷,则DNA清除率可提高至~60%。

 

阴离子交换膜层析和切向流微滤的固形物清除率可达到>99%,HCP清除率为15-20%,在澄清收获阶段尽可能去除HCP,主要是出于保护下游Protein A,延长其填料寿命。切向流微滤的DNA清除率与深层过滤相当~50%,而膜层析因其膜介质上接有乙二胺配体,故而可达99%。但在粒径分布方面,切向流微滤所得料液在所有粒径水平上的含量都较低。

 

如单纯出于性能考虑,包括固形物清除、DNA和HCP的降低水平,对不同技术进行评分,阴离子交换膜层析得分zui高,然后是切向流微滤,之后再是离心加深层过滤,需要指出的是,选择不同的深层过滤介质时,如以特定条件为着眼点,如HCP清除,某些深层过滤介质将达不到设定标准。

 

而从成本的经济性进行比较,切向流微滤的处理能力zui高>100L/m2。离心加深层过滤的产量损失主要是大规模离心操作造成的。在高固含量条件下,离心需要更多次的排放操作,在千升至万升级规模条件下,总步骤收率可从~90%降低到30-40%,这会显著影响成本投入。

 

此外,从设备占地来说,在万升规模下,离心加深层过滤需要>200m2的占地面积,而切向流微滤只需要大约1/4的占地空间。说明,当需要使用现有设备进行新的工艺或替代单元操作时,TFF可能设备适配更简单。

 

从材料成本来考虑,阴离子交换膜的批次成本zui高,大约是离心加深层过滤的2倍,切向流微滤的3倍。主要是由于其组件成本较高,因为该项技术的设计和定价是要与阴离子交换树脂竞争的。阴离子交换膜组件的成本占到其每批次总成本的80%,而离心加深层过滤和切向流微滤为60-70%。

在千升至万升规模条件下,操作成本zui低的是切向流微滤,因其与阴离子交换膜相比,可达到更高的处理通量和相对较低的采购成本,此处假定TFF组件的使用次数为10次。而如果工艺和验证允许,提高膜的使用次数,将进一步显著降低成本。

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