הגדלה של ייצור בתזונה מדוללת של אלפא-1-אנטיטריפסין רקומביננטי על ידי תאי CHO בביו-ריאקטור מתנדנד יחיד-שימושי עם אוורור פני שטח

מדוע חלבון זה חשוב למטופלים

אלפא-1-אנטיטריפסין (A1AT) הוא חלבון מגן שעוזר להגן על הריאות ואיברים אחרים מפני נזק שנגרם על ידי אנזימים דלקתיים. אנשים שנולדו עם חסר ב-A1AT עלולים לפתח מחלת ריאות קשה מוקדמת וסיבוכים נוספים. כיום, הטיפול העיקרי שלהם הוא עירויים קבועים של A1AT שמופק מפלזמת דם אנושית — טיפול לכל החיים, יקר שתלוי במלאי מפלזמה מוגבל. המחקר הזה בוחן כיצד לייצר A1AT במערכת תרבית תאים מבוקרת וייצורית, שעשויה בעתיד לספק מקור אמין יותר ומדרגי לתרופה חשובה זו.

מתרומות דם למפעלים מבוססי תאים

הטיפול הנוכחי ב-A1AT מסתמך על חלבונים המופקים מפלזמת דם שנתרמה. מעבר לעלות הגבוהה, גישה זו רגישה למחסור באספקה ונושאת סיכון שארי להדבקת וירוסים. במקביל, מדענים מגלים שימושים חדשים פוטנציאליים ל-A1AT, כולל הרגעה של דלקת מזיקה, הגנה על איברי השתלה וסיוע במצבים כמו סוכרת, דלקת מפרקים, התקף לב, שבץ וכשל כבד חריף. כל זאת מגדיל את הביקוש. כדי לשבור את התלות בתורמים אנושיים, החוקרים שואפים לייצר A1AT אנושי רקומביננטי (rhA1AT) — אותו חלבון אנושי המיוצר על ידי תאים מהונדסים שגדלים בביו-ריאקטורים.

למה תאי CHO ומכלים פלסטיים מתנדנדים

הצוות בחר בתאי אובלי סין (CHO), בעלי שם של סוס עבודה בייצור הביופרמצבטי המודרני. תאי CHO גדלים היטב בתרביות תלושות ללא סרום בהיקפים גדולים, מוסיפים דפוסי סוכר הדומים לאנושיים לחלבונים ומפרישים את המוצר ישירות לתווך התרבית, מה שמפשט את הטיהור. במקום מכלי נירוסטה מערבבים מסורתיים, החוקרים השתמשו בביו-ריאקטור מתנדנד יחיד-שימושי (SB10-X). מערכת זו היא בעצם מיכל פלסטיק סטרילי גדול שמורע בנטייה מעגלית בזמן שגז זורם לאורך פני הנוזל. בהשוואה למכלים מערבלים, מערכות מתנדנדות אלו פשוטות יותר להתקנה, זולות יותר לתפעול בקנה מידה קטן ועדינות יותר כלפי תאים רגישי-גזירה, ובכל זאת קרובות לתנאי הערבול והאוורור של בקבוקונים מתנדנדים סטנדרטיים בהם משתמשים בניסויים מוקדמים.

בחירת קו תאי מנצח

בהתבסס על תאי CHO מהונדסים שמייצרים rhA1AT, החוקרים בודדו עשר שיבוטים של "תא יחיד" ומעקו אחריהם במשך שלושה חודשים. לכל שיבוט מדדו את קצב הגידול וכמה A1AT כל תא ייצר לאורך זמן, גם בנוכחות תרופת סלקציה נפוצה (מתוטרקסטט) וגם בלעדיה. בעוד ששיבוטים מסוימים ייצרו יותר חלבון, הם נטו לגדול לאט יותר. שיבוט אחד — שנקרא שיבוט 2 — הציע פשרה טובה: הוא גדל יחסית מהר ושמר יצוא יציב ומכובד של A1AT לאורך 12 שבועות. בהתבסס על התכונות המשולבות האלו, שיבוט 2 נבחר להגדלה ופיתוח תהליך נוסף.

הגדלה וכיוונון סביבת התאים

בעזרת שיבוט 2, הצוות הריץ תחילה תרביות בתזונה מדוללת (fed-batch) בבקבוקונים מתנדנדים סטנדרטיים, בהם מוסיפים תזונה נוספת לאורך הזמן כדי להגביר תשואות. לאחר מכן הם העבירו את אותו תהליך לביו-ריאקטור מתנדנד יחיד-שימושי בנפח 10 ליטר (SB10-X). בשני המקרים התאים הגיעו לצפיפויות גבוהות, אך הביו-ריאקטור השיג עד כ-20% רמות שיא של A1AT גבוהות יותר מאשר הבקבוקונים, הודות לשליטה טובה יותר על חמצן ו-pH. הפרודוקטיביות הספציפית לתא — כמה חלבון כל תא מייצר ליום — הייתה דומה בין המערכות (כ-10–12 פיקוגרם לתא ליום), מה שאישר שניתן להגדיל את התהליך ללא איבוד ביצועים. המדענים גם עקבו מקרוב אחרי נוטריינטים כמו גלוקוז וגלוטמין ותוצרי פסולת כמו לקטאט ואמוניום. על ידי הורדת רמת הגלוטמין ההתחלתית בהריצה השנייה של הביו-ריאקטור הם הקטינו את הצטברות האמוניום בכ-50% בלי לפגוע בפרודוקטיביות, אם כי זה הוביל לעלייה בלקטאט, מה שמדגיש את הצורך לאזן בקפידה את הנוטריינטים והתוצרים.

ייצור מוצר סופי בטוח ותפקודי

לאחר הקציר, ה-rhA1AT טוהר והובהר דרך שני שלבי כרומטוגרפיה, והניב שיא חלבון יחיד ונקי בבחינת HPLC וכ-70% התאוששות כוללת. חשוב מכך, הפעילות הביולוגית של החלבון — יכולתו לעכב את האלסטאז, האנזים המזיק בריאה — עלתה מכ-שליש פעיל בחומר ההתחלתי לכ-שני שליש פעיל אחרי שלב ההטיהור הראשון ונשארה גבוהה לאחר מכן. הצוות גם בדק עד כמה ה-rhA1AT עמיד בתנאים חומציים שמשמשים לעיתים להכרעת וירוסים בייצור נוגדנים. הם מצאו שהחלבון יציב בסביבת pH קרובה לנייטרלית אך מאבד כמות שניתן להחזיר בערכי pH נמוכים יותר, מה שמרמז שטיפול סטנדרטי של אינאקטיבציה בחומציות נמוכה עלול לפגוע במוצר ויש צורך באסטרטגיות חלופיות להסרת או להשבת וירוסים.

מה המשמעות לטיפולים בעתיד

במונחים פשוטים, עבודה זו מראה שניתן טכנית לגדל תאי CHO מהונדסים בביו-ריאקטורים מתנדנדים מתכלים ועדינים כדי לייצר כמויות רפואיות משמעותיות של אלפא-1-אנטיטריפסין פעילות. בעוד שהמשך אופטימיזציה — כמו אסטרטגיות הזנה משופרות, שינויי טמפרטורה או pH ושליטה במטבוליטים — יכול להעלות עוד יותר את התשואות, המחקר מקים פלטפורמה מדרגית וגמישה שיכולה לצמצם את התלות ב-A1AT שמקורו בפלזמה. אם יתורגם ויורחב בהצלחה, תהליכים כאלה עשויים לסייע לאבטח אספקה יציבה יותר, בטוחה יותר ואולי גם משתלמת יותר של A1AT לאנשים עם חסר גנטי ולשימושים טיפוליים חדשים שנחקרו כיום.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אלפא-1-אנטיטריפסין, תאי CHO, ביו-ריאקטור, חלבון רקומביננטי, ייצור ביולוגיים