Масштабирование полунизкоконтролируемого производства рекомбинантного альфа-1-антитрипсина клетками CHO в одноразовом орбитально встряхиваемом биореакторе

Почему этот белок важен для пациентов

Альфа-1-антитрипсин (A1AT) — это защитный белок, который предохраняет лёгкие и другие органы от повреждений, вызванных воспалительными ферментами. Люди с наследственным дефицитом A1AT могут развивать ранние тяжёлые заболевания лёгких и другие осложнения. В настоящее время основное лечение — регулярные инфузии A1AT, очищенного из донорской плазмы человека: пожизненная, дорогостоящая терапия, зависящая от ограниченных запасов плазмы. В этом исследовании рассматривают возможность производства A1AT в контролируемой, фабричной системе культивирования клеток, что потенциально может обеспечить более надёжный и масштабируемый источник этого важного лекарства.

От донорской плазмы к клеточным «фабрикам»

Современная терапия A1AT опирается на белки, извлекаемые из донорской плазмы человека. Помимо высокой стоимости, такой подход уязвим к дефициту поставок и сохраняет остаточный риск передачи вирусов. При этом учёные обнаруживают всё новые потенциальные применения A1AT — от подавления вредного воспаления и защиты трансгемных органов до помощи при диабете, артрите, инфаркте, инсульте и острой печёночной недостаточности. Всё это увеличивает спрос. Чтобы разорвать зависимость от доноров, исследователи стремятся производить рекомбинантный человеческий A1AT (rhA1AT) — тот же человеческий белок, но вырабатываемый генетически модифицированными клетками в биореакторах.

Почему клетки CHO и пластиковые встряхиваемые баки

Команда выбрала клетки яичников китайского хомяка (CHO) — базовую систему современной биофармацевтической промышленности. Клетки CHO хорошо растут в крупных суспензионных культурах без сыворотки, придают белкам сахарные структуры, близкие к человеческим, и секретируют продукт прямо в среду, что упрощает очистку. Вместо традиционных нержавеющих мешалок исследователи использовали одноразовый орбитально встряхиваемый биореактор (SB10-X). Эта система по сути представляет собой большой стерилизованный пластиковый контейнер, который прокачивают круговым движением, а газ проходит поверх раствора. По сравнению с механически перемешиваемыми танками такие встряхиваемые системы проще в установке, дешевле в эксплуатации на малых масштабах и мягче действуют на чувствительные к сдвигу клетки, при этом сберегая условия перемешивания и аэрации, сходные с классическими колбами для встряхивания, используемыми на ранних этапах экспериментов.

Выбор оптимальной клеточной линии

Исходя из ранее модифицированных клеток CHO, продуцирующих rhA1AT, исследователи выделили десять отдельных «клонов из одной клетки» и отслеживали их в течение трёх месяцев. Для каждого клона измеряли скорость роста и сколько A1AT производит одна клетка со временем, как при наличии обычного селекционного препарата (метотрексат), так и без него. Некоторые клоны давали больше белка, но росли медленнее. Один клон — названный Clone 2 — показал хорошее сочетание свойств: он рос относительно быстро и сохранял стабильную, уважительную продуктивность A1AT в течение 12 недель. Исходя из этих комбинированных показателей, Clone 2 был выбран для масштабирования и дальнейшей разработки процесса.

Масштабирование и настройка среды для клеток

С использованием Clone 2 команда сначала запускала кормовые (fed-batch) культуры в стандартных колбах для встряхивания, где клетки получают дополнительные питательные вещества со временем для повышения выхода. Затем тот же процесс перенесли в 10-литровый одноразовый встряхиваемый биореактор SB10-X. В обоих случаях клетки достигали высокой плотности, но в биореакторе пиковые уровни A1AT были примерно на 20% выше, чем в колбах, благодаря лучшему контролю кислорода и pH. Клеточно-специфическая продуктивность — сколько белка производит каждая клетка в день — была схожа между системами (приблизительно 10–12 пикограммов на клетку в день), что подтверждает возможность масштабирования без потери эффективности. Учёные также внимательно отслеживали питательные вещества, такие как глюкоза и глутамин, и продукты обмена, например лактат и аммоний. Уменьшив исходное содержание глутамина во втором прогоне биореактора, они сократили накопление аммония примерно вдвое без снижения продуктивности, хотя при этом вырос уровень лактата, что подчёркивает необходимость тщательного балансирования питательных веществ и побочных продуктов.

Получение безопасного и функционального готового продукта

После сбора rhA1AT очистили и пропустили через два шага хроматографии, получив единую чистую пиковую фракцию по ВЭЖХ и примерно 70% общий выход. Существенно, биологическая активность белка — его способность ингибировать эластазу, разрушительный фермент лёгких — выросла от примерно одной трети активного в исходном материале до около двух третей после первого шага очистки и оставалась высокой далее. Команда также проверяла, как rhA1AT переносит кислые условия, часто используемые для инактивации вирусов при производстве антител. Они обнаружили, что белок стабилен при близком к нейтральному pH, но теряет восстанавливаемый материал при низких значениях pH, что указывает на то, что стандартная низкопHовая вирусинактивация повредит продукт и потребует альтернативных стратегий удаления или инактивации вирусов.

Что это значит для будущих терапий

Проще говоря, работа демонстрирует техническую осуществимость выращивания инженерных клеток CHO в одноразовых мягко встряхиваемых биореакторах для производства медицински релевантных количеств активного альфа-1-антитрипсина. Хотя дальнейшая оптимизация — например, улучшенные стратегии подачи кормления, температурные или pH-переключения и контроль метаболитов — может ещё повысить выходы, исследование закладывает масштабируемую, гибкую платформу, которая может снизить зависимость от плазмы. При успешной трансляции и расширении такие процессы могут помочь обеспечить более стабильный, безопасный и потенциально более доступный запас A1AT для людей с генетическим дефицитом и для новых терапевтических применений, которые сейчас изучаются.

Цитирование: 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

Ключевые слова: альфа-1-антитрипсин, клетки CHO, биореактор, рекомбинантный белок, производство биопрепаратов