Hochskalierte fed‑batch‑Produktion von rekombinantem Alpha‑1‑Antitrypsin durch CHO‑Zellen in einem Einweg‑oberflächenbelüfteten, orbital geschüttelten Bioreaktor

Warum dieses Protein für Patientinnen und Patienten wichtig ist

Alpha‑1‑Antitrypsin (A1AT) ist ein schützendes Protein, das unsere Lungen und andere Organe vor Schäden durch entzündungsbedingte Enzyme bewahrt. Menschen mit angeborenem A1AT‑Mangel können frühe, schwere Lungenerkrankungen und weitere Komplikationen entwickeln. Gegenwärtig besteht ihre Hauptbehandlung in regelmäßigen Infusionen von A1AT, das aus menschlichen Blutspenden gewonnen wird — eine lebenslange, kostenintensive Therapie, die von einer begrenzten Plasmaversorgung abhängt. Diese Studie untersucht, wie A1AT in einem kontrollierten, fabrikähnlichen Zellkultursystem hergestellt werden kann, das eines Tages eine zuverlässigere und skalierbare Quelle dieser wichtigen Arznei liefern könnte.

Von Blutspenden zu zellbasierten Fabriken

Die derzeitige A1AT‑Therapie basiert auf Proteinen, die aus gespendetem menschlichem Plasma gewonnen werden. Abgesehen von den hohen Kosten ist dieses Verfahren anfällig für Versorgungsengpässe und birgt ein restrisiko der Virusübertragung. Gleichzeitig entdecken Forscher laufend neue potenzielle Anwendungen für A1AT, etwa zur Dämpfung schädlicher Entzündungen, zum Schutz transplantierter Organe und zur Behandlung von Erkrankungen wie Diabetes, Arthritis, Herzinfarkt, Schlaganfall und akutem Leberversagen. All dies erhöht die Nachfrage. Um die Abhängigkeit von menschlichen Spendern zu überwinden, wollen Wissenschaftler rekombinantes humanes A1AT (rhA1AT) herstellen — dasselbe menschliche Protein, produziert von gentechnisch veränderten Zellen in Bioreaktoren.

Warum CHO‑Zellen und geschüttelte Plastikbehälter

Das Team wählte chinesische Hamster‑Eierstockzellen (CHO‑Zellen), das Arbeitspferd der modernen biopharmazeutischen Produktion. CHO‑Zellen wachsen gut in großen, serumfreien Suspensionskulturen, fügen Proteinen menschlich‑ähnliche Glykosylierungsmuster hinzu und sezernieren das Produkt direkt in das Kulturmedium, was die Aufreinigung vereinfacht. Statt traditioneller Rührbehälter aus Edelstahl setzten die Forscher einen Einweg‑orbital‑geschüttelten Bioreaktor (SB10‑X) ein. Dieses System ist im Wesentlichen ein großer, steril verpackter Kunststoffbehälter, der in kreisförmiger Bewegung geschüttelt wird, während Gas über die Flüssigkeitsoberfläche strömt. Im Vergleich zu mechanisch gerührten Behältern sind diese geschüttelten Systeme einfacher zu installieren, bei kleinen Maßstäben günstiger im Betrieb und schonender für scherempfindliche Zellen, während sie dennoch die Misch‑ und Belüftungsbedingungen standardmäßiger Schüttelkolben nachbilden, die in frühen Experimenten verwendet werden.

Auswahl einer geeigneten Zelllinie

Ausgehend von zuvor gentechnisch modifizierten CHO‑Zellen, die rhA1AT produzieren, isolierten die Forschenden zehn einzelne „Single‑Cell‑Klone“ und beobachteten sie über drei Monate. Für jeden Klon maßen sie das Zellwachstum und die A1AT‑Produktion pro Zelle im Zeitverlauf, sowohl mit als auch ohne ein verbreitetes Selektionsmittel (Methotrexat). Während einige Klone mehr Protein herstellten, wuchsen sie tendenziell langsamer. Ein Klon — bezeichnet als Klon 2 — bot einen guten Kompromiss: Er wuchs relativ schnell und hielt über 12 Wochen eine stabile, respektable A1AT‑Produktion aufrecht. Auf Basis dieser kombinierten Eigenschaften wurde Klon 2 für die Hochskalierung und weitere Prozessentwicklung ausgewählt.

Hochskalierung und Abstimmung der Zellumgebung

Mit Klon 2 führte das Team zunächst fed‑batch‑Kulturen in standardmäßigen Schüttelkolben durch, bei denen den Zellen über die Zeit zusätzliche Nährstoffe zugeführt werden, um die Ausbeute zu steigern. Anschließend übertrugen sie denselben Prozess in einen 10‑Liter‑SB10‑X Einweg‑geschüttelten Bioreaktor. In beiden Systemen erreichten die Zellen hohe Dichten, aber der Bioreaktor erzielte bis zu etwa 20 % höhere Spitzenwerte an A1AT als die Kolben, dank besserer Kontrolle von Sauerstoff und pH. Die zellspezifische Produktivität — wie viel Protein jede Zelle pro Tag produziert — war zwischen den Systemen ähnlich (etwa 10–12 Pikogramm pro Zelle und Tag) und bestätigte, dass der Prozess skaliert werden kann, ohne an Leistung zu verlieren. Die Forschenden verfolgten außerdem Nährstoffe wie Glukose und Glutamin sowie Abbauprodukte wie Laktat und Ammonium genau. Durch Senkung des Anfangs‑Glutaminspiegels im zweiten Bioreaktorlauf konnten sie die Ammoniumentwicklung ungefähr halbieren, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen, obwohl dies zu einem höheren Laktataufkommen führte — ein Hinweis darauf, dass Nährstoffe und Nebenprodukte sorgfältig ausbalanciert werden müssen.

Herstellung eines sicheren, funktionalen Endprodukts

Nach der Ernte wurde das rhA1AT geklärt und durch zwei Chromatographieschritte gereinigt, was in der HPLC ein einzelnes, sauberes Proteinpeak und eine Gesamtrückgewinnung von rund 70 % ergab. Wichtig war, dass die biologische Aktivität des Proteins — seine Fähigkeit, die Elastase, das lungenschädigende Enzym, zu hemmen — von etwa einem Drittel aktiver Form im Ausgangsmaterial auf etwa zwei Drittel nach dem ersten Reinigungs­schritt anstieg und danach hoch blieb. Das Team prüfte außerdem, wie gut rhA1AT saure Bedingungen verträgt, wie sie oft zur Virusinaktivierung in der Antikörperherstellung eingesetzt werden. Sie fanden, dass das Protein in der Nähe neutralen pH stabil ist, bei niedrigeren pH‑Werten aber an wiedergewinnbarer Menge verliert, was darauf hindeutet, dass eine Standard‑Virusinaktivierung bei niedrigem pH das Produkt schädigen würde und alternative Strategien zur Virenentfernung oder ‑inaktivierung erforderlich sind.

Was das für künftige Therapien bedeutet

Einfach gesagt zeigt diese Arbeit, dass es technisch machbar ist, gentechnisch veränderte CHO‑Zellen in Einweg‑sanft‑geschüttelten Bioreaktoren zu kultivieren, um medizinisch relevante Mengen aktiven Alpha‑1‑Antitrypsins zu produzieren. Weitere Optimierungen — wie verbesserte Fütterungsstrategien, Temperatur‑ oder pH‑Verschiebungen und Metabolitenkontrolle — könnten die Ausbeuten weiter steigern, doch die Studie etabliert eine skalierbare, flexible Plattform, die die Abhängigkeit von plasma‑gewonnenem A1AT verringern könnte. Wird ein solcher Prozess erfolgreich übertragen und hochgefahren, könnte er dazu beitragen, eine stabilere, sicherere und potenziell kostengünstigere Versorgung mit A1AT für Menschen mit genetischem Mangel und für neue therapeutische Anwendungen zu sichern, die derzeit erforscht werden.

Zitation: Tang, W.Q., Jiang, C.Q.Z., Zheng, Z.Y. et al. Scaled up fed-batch production of recombinant alpha-1-antitrypsin by CHO cells in single-use surface aerated orbital shaken bioreactor. Sci Rep 16, 7790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37353-w

Schlüsselwörter: alpha‑1‑antitrypsin, CHO‑Zellen, Bioreaktor, rekombinantes Protein, Herstellung von Biologika