Uppskalad fed-batchproduktion av rekombinant alfa-1-antitrypsin i CHO-celler i engångs, yta-aererad orbital skakbioreaktor

Varför detta protein är viktigt för patienter

Alfa-1-antitrypsin (A1AT) är ett skyddande protein som hjälper till att skydda våra lungor och andra organ från skador orsakade av inflammatoriska enzymer. Personer som föds med A1AT-brist kan utveckla tidig, allvarlig lungsjukdom och andra komplikationer. I dag är deras huvudsakliga behandling regelbundna infusioner av A1AT renat från humanblod—en livslång, kostsam terapi som är beroende av en begränsad plasmaleverans. Den här studien undersöker hur man kan tillverka A1AT i ett kontrollerat, fabriks‑liknande cellodlingssystem, vilket en dag skulle kunna ge en mer pålitlig och skalbar källa till detta viktiga läkemedel.

Från blodgivare till cellbaserade fabriker

Dagens A1AT-terapi förlitar sig på proteiner som utvinns från donerad humanplasma. Förutom att det är dyrt är detta tillvägagångssätt sårbart för bristsituationer och innebär en kvarvarande risk för överföring av virus. Samtidigt upptäcker forskare hela tiden nya potentiella användningsområden för A1AT, inklusive dämpning av skadlig inflammation, skydd av transplanterade organ och hjälp vid tillstånd som diabetes, artrit, hjärtinfarkt, stroke och akut leversvikt. Det här ökar efterfrågan. För att bryta beroendet av mänskliga givare vill forskare tillverka rekombinant human A1AT (rhA1AT)—samma humana protein, men producerat av genetiskt modifierade celler odlade i bioreaktorer.

Varför CHO-celler och skakade plasttankarna

Teamet valde kinesisk hamster-ovarie (CHO)-celler, arbetsdjuret inom modern biofarmaceutisk produktion. CHO-celler växer väl i stora, serumfria suspensioner, lägger till människoliknande glykosmönster på proteiner och utsöndrar produkten direkt till odlingsmediet, vilket förenklar rening. Istället för traditionella rostfria omrörda tankar använde forskarna en engångs, orbitalskakande bioreaktor (SB10-X). Systemet är i princip en stor, steriliserad plastbehållare som gungas i cirkulär rörelse medan gas strömmar över vätskans yta. Jämfört med mekaniskt omrörda tankar är dessa skakade system enklare att installera, billigare att driva i små skala och skonsammare för skjuvkänsliga celler, samtidigt som de liknar blandnings- och aerationsförhållandena i standardskakkolvar som används i tidiga experiment.

Att välja en championcellinje

Med utgångspunkt i tidigare konstruerade CHO-celler som producerar rhA1AT isolerade forskarna tio individuella »single cell clones« och övervakade dem i tre månader. För varje klon mätte de hur snabbt cellerna växte och hur mycket A1AT varje cell producerade över tid, både med och utan ett vanligt selektionsläkemedel (metotrexat). Medan vissa kloner producerade mer protein tenderade de att växa långsammare. En klon—benämnd Clone 2—erbjud en bra kompromiss: den växte relativt snabbt och bibehöll en stabil, respektabel A1AT-produktion över 12 veckor. Baserat på dessa kombinerade egenskaper valdes Clone 2 för uppskalning och vidare processutveckling.

Uppskalning och finjustering av cellmiljön

Med Clone 2 körde teamet först fed-batchkulturer i standard skakkolvar, där cellerna tillförs extra näring över tid för att öka avkastningen. De överförde sedan samma process till en 10‑liters SB10‑X engångs skakbioreaktor. I båda fallen nådde cellerna höga densiteter, men bioreaktorn uppnådde upp till cirka 20 % högre toppnivåer av A1AT än kolvarna, tack vare bättre kontroll av syre och pH. Cell-specifik produktivitet—hur mycket protein varje cell producerar per dag—var liknande mellan systemen (runt 10–12 pikogram per cell och dag), vilket bekräftar att processen kan skalas utan prestandaförlust. Forskarna följde också noga näringsämnen som glukos och glutamin samt avfallsprodukter som laktat och ammonium. Genom att sänka startnivån av glutamin i den andra bioreaktoromgången halverade de ungefär ammoniumuppbyggnaden utan att skada produktiviteten, även om detta ledde till mer laktat, vilket understryker behovet av att noggrant balansera näringsämnen och biprodukter.

Att framställa en säker, funktionell slutprodukt

När rhA1AT skördats klarades den upp och renades genom två kromatografisteg, vilket gav en enda, ren proteintopp vid HPLC och cirka 70 % total återvinning. Viktigt är att proteinets biologiska aktivitet—dess förmåga att hämma elastas, det lungskadande enzymet—ökade från ungefär en tredjedel aktiv i startmaterialet till cirka två tredjedelar aktiv efter det första reningssteget och förblev hög därefter. Teamet testade också hur väl rhA1AT tål sura förhållanden som ofta används för att inaktivera virus vid antikroppsproduktion. De fann att proteinet är stabilt nära neutralt pH men förlorar återvinningsbar material vid lägre pH‑värden, vilket tyder på att standardmetoder med lågt pH för virusinaktivering skulle skada produkten och att alternativa virusborttagnings‑ eller inaktiveringsstrategier krävs.

Vad detta betyder för framtida terapier

Kort sagt visar detta arbete att det är tekniskt genomförbart att odla konstruerade CHO‑celler i engångs, skonsamt skakade bioreaktorer för att producera medicinskt relevanta mängder aktiv alfa-1-antitrypsin. Medan vidare optimering—såsom bättre foderstrategier, temperatur‑ eller pH‑skift och metabolitkontroll—kan öka avkastningen ytterligare, etablerar studien en skalbar, flexibel plattform som kan minska beroendet av plasmaderiverad A1AT. Om sådana processer översätts och utökas framgångsrikt kan de bidra till en mer stabil, säkrare och potentiellt mer prisvärd tillgång på A1AT för personer med genetisk brist och för nya terapeutiska användningar som nu utforskas.

Citering: 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

Nyckelord: alfa-1-antitrypsin, CHO-celler, bioreaktor, rekombinant protein, produktion av biologiska läkemedel