単回使用型表面曝気の軌道振とうバイオリアクターによるCHO細胞を用いた組換えアルファ1-アンチトリプシンのフィードバッチ生産のスケールアップ

なぜこのタンパク質が患者にとって重要か

アルファ1-アンチトリプシン（A1AT）は、炎症性酵素による肺や他の臓器への損傷から守る保護タンパク質です。A1AT欠損症で生まれた人は、早期かつ重篤な肺疾患やその他の合併症を発症することがあります。現在の主要な治療は、ヒト献血から精製したA1ATの定期的な点滴投与であり、生涯続く高コストの療法であり、供給が限られた血漿に依存しています。本研究は、A1ATを管理された工場的な細胞培養システムで生産する方法を検討しており、将来的にこの重要な医薬品のより信頼できる拡張可能な供給源を提供し得る可能性があります。

献血由来から細胞ベースの工場へ

現在のA1AT療法は、献血されたヒト血漿から抽出されたタンパク質に依存しています。この方法は高価であるだけでなく、供給不足に弱く、ウイルス伝播の残存リスクを伴います。一方で、A1ATが有害な炎症を鎮めたり、移植臓器を保護したり、糖尿病、関節炎、心筋梗塞、脳卒中、急性肝不全などさまざまな状況で有用である可能性が次々と示されており、需要は増加しています。ヒト供給者への依存を断つため、研究者たちは組換えヒトA1AT（rhA1AT）を製造したいと考えています。これは同じヒトタンパク質ですが、遺伝子改変した細胞をバイオリアクターで培養して生産します。

なぜCHO細胞と振とう式プラスチックタンクか

研究チームは現代バイオ医薬品製造の主力である中国ハムスター卵巣（CHO）細胞を選びました。CHO細胞は大規模な血清フリーの懸濁培養でよく増殖し、ヒトに類似した糖鎖付加を行い、生成物を培地へ直接分泌するため精製が容易です。従来のステンレス撹拌槽の代わりに、研究者らは単回使用の軌道振とうバイオリアクター（SB10-X）を用いました。このシステムは基本的に大きな滅菌済みプラスチック容器を円運動で揺動し、液面上でガスが流れる仕組みです。機械的に撹拌するタンクと比べ、こうした振とう式システムは設置が簡便で小規模運用のコストが低く、せん断に敏感な細胞にも穏やかであり、早期実験で使われる標準的なシェイクフラスコの撹拌・曝気条件にも類似しています。

有望な細胞株の選定

研究者らは既に遺伝子改変されrhA1ATを生産するCHO細胞から出発し、10個の単一細胞クローンを単離して3か月間にわたり追跡しました。各クローンについて、細胞の増殖速度と時間経過に伴う細胞あたりのA1AT産生量を、一般的な選択薬（メトトレキサート）の有無で測定しました。高産生のクローンはあるものの増殖が遅くなる傾向がありました。クローン2は比較的速く増殖し、12週間にわたり安定してまともなA1AT産出を維持するという良好な折衷案を示しました。これらの総合的な特性に基づき、クローン2がスケールアップとプロセス開発に選ばれました。

スケールアップと培養環境の調整

クローン2を用いて、チームはまず標準的なシェイクフラスコでフィードバッチ培養を行い、時間経過で栄養素を追加して収量を高めました。その後、同じプロセスを10リットルのSB10-X単回使用振とうバイオリアクターに移しました。どちらの場合も高密度に到達しましたが、バイオリアクターは酸素とpHのより良い制御のおかげでフラスコよりピークA1AT濃度が最大で約20%高くなりました。細胞特異的生産能（細胞1個あたり1日あたりのタンパク質量）は両系で類似しており（約10–12ピコグラム／細胞／日）、プロセスをスケールしても性能が保たれることを確認しました。研究者らはグルコースやグルタミンなどの栄養や、乳酸やアンモニウムといった廃棄生成物も綿密に追跡しました。2回目のバイオリアクター実験で出発時のグルタミン量を下げることで、アンモニウムの蓄積を生産能を損なうことなくほぼ半分に減らせましたが、その代わりに乳酸が増加し、栄養と副生成物のバランスを慎重にとる必要があることが示されました。

安全で機能的な最終製品を作る

収穫後、rhA1ATは濁りを除去され、2段階のクロマトグラフィーで精製され、HPLCで単一の明瞭なタンパクピークが得られ、全体で約70%の回収率となりました。重要なことに、タンパク質の生物活性、すなわち肺組織を損傷するエラスターゼを阻害する能力は、原料で約3分の1の活性から最初の精製段階後には約3分の2に上昇し、その後も高いレベルを維持しました。研究チームはまた、抗体製造でウイルス不活化に用いられることが多い酸性条件に対するrhA1ATの耐性も評価しました。タンパク質は中性近傍のpHでは安定でしたが、低pHでは回収できる量が失われるため、標準的な低pHウイルス不活化は製品を損なう可能性があり、代替のウイルス除去や不活化戦略が必要であることが示唆されました。

将来の治療への意味

端的に言えば、本研究は、使い捨てで穏やかに振とうされるバイオリアクターで遺伝子操作したCHO細胞を培養し、医療的に意味のある量の活性アルファ1-アンチトリプシンを生産することが技術的に可能であることを示しています。より良いフィーディング戦略、温度やpHのシフト、代謝物制御といったさらなる最適化により収量をさらに高める余地はありますが、本研究は血漿由来A1ATへの依存を緩和し得るスケール可能で柔軟なプラットフォームを確立しました。うまく移転・拡大されれば、このようなプロセスは遺伝性欠損症の患者や現在検討されている新しい治療用途に対して、より安定的で安全、かつ潜在的に費用対効果の高いA1AT供給の確保に寄与する可能性があります。

引用: 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

キーワード: アルファ1-アンチトリプシン, CHO細胞, バイオリアクター, 組換えタンパク質, バイオ医薬品製造