Produzione di celle su larga scala basata su microcarrier porosi solubili di grado GMP

Summary

Qui, presentiamo un protocollo per ottenere la produzione su larga scala di cellule aderenti attraverso un sistema completamente chiuso basato su microcarrier solubili di grado GMP. La coltivazione di cellule staminali mesenchimali umane, cellule HEK293T e cellule Vero è stata convalidata e ha soddisfatto sia le richieste di quantità che i criteri di qualità per l’industria della terapia cellulare e genica.

Abstract

I ricercatori nel settore della terapia cellulare e genica (CGT) hanno affrontato a lungo una sfida formidabile nell’espansione efficiente e su larga scala delle cellule. Per affrontare le principali carenze del sistema di coltura planare bidimensionale (2D), abbiamo sviluppato in modo innovativo una piattaforma automatizzata di produzione di celle su scala industriale chiusa (ACISCP) basata su un microcarrier poroso e solubile di grado GMP per la coltura 3D di cellule aderenti, comprese le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC), le cellule HEK293T e le cellule Vero. Per ottenere un’espansione su larga scala, è stata condotta un’espansione a due stadi con bioreattori a serbatoio agitato da 5 L e 15 L per produrre 1,1 x 10¹⁰ hMSC con un’espansione complessiva di 128 volte in 9 giorni. Le cellule sono state raccolte dissolvendo completamente i microcarrier, concentrate, lavate e formulate con un sistema di elaborazione cellulare basato su centrifuga a flusso continuo, e quindi aliquotate con un sistema di riempimento cellulare. Rispetto alla coltura planare 2D, non ci sono differenze significative nella qualità delle hMSC raccolte dalla coltura 3D. Abbiamo anche applicato questi microcarrier porosi solubili ad altri tipi di cellule popolari nel settore CGT; in particolare, le cellule HEK293T e le cellule Vero sono state coltivate per raggiungere densità cellulari di picco rispettivamente di 1,68 x 10 7 cellule/mL e 1,08 x 10⁷ cellule/mL. Questo studio fornisce un protocollo per l’utilizzo di una piattaforma di ingegneria dei bioprocessi che sfrutta le caratteristiche dei microcarrier solubili di grado GMP e delle apparecchiature chiuse avanzate per ottenere la produzione su scala industriale di cellule aderenti.

Introduction

L’industria CGT ha assistito a un’espansione esponenziale negli ultimi due decenni. Si prevede che l’evoluzione dei farmaci di nuova generazione tratterà e curerà numerose malattie refrattarie¹. Dalla prima approvazione da parte della Food and Drug Administration (FDA) di un prodotto CGT, Kymriah, nel 2017, la ricerca e lo sviluppo relativi alla CGT nel mondo hanno continuato a crescere a un ritmo rapido, con la FDA che ha visto aumentare a 500 le domande di nuovi farmaci sperimentali attivi per CGT nel 2018². Era stato previsto che il numero di approvazioni dei prodotti CGT sarebbe stato probabilmente di 54-74 negli Stati Uniti entro il 2030².

Mentre la rapida crescita della ricerca e dell’innovazione CGT è entusiasmante, c’è ancora un grande divario tecnologico tra la ricerca di laboratorio e la produzione su scala industriale che potrebbe fornire questi farmaci promettenti per raggiungere il maggior numero di pazienti necessari a costi accessibili. Gli attuali processi adottati per questi studi clinici sono stati stabiliti in laboratori per esperimenti su piccola scala e sono necessari sforzi significativi per migliorare e innovare la produzione CGT³. Esistono molti tipi di prodotti CGT, la maggior parte dei quali basati su cellule vive, che possono essere allogenici, autologhi, ingegnerizzati o naturali. Questi farmaci viventi sono molto più complessi delle piccole entità molecolari o dei farmaci biologici, rendendo quindi la produzione su larga scala una sfida significativa ^4,5,6. In questo lavoro, dimostriamo un protocollo di produzione cellulare su larga scala per tre cellule dipendenti dall’ancoraggio che sono ampiamente applicate nelle CGT. Questi includono le cellule staminali/stromali mesenchimali umane (hMSC), che sono state utilizzate per la terapia cellulare, e le cellule HEK293T e le cellule Vero, entrambe utilizzate per produrre virus per l’ingegneria genetica del prodotto cellulare terapeutico finale. Le cellule dipendenti dall’ancoraggio sono comunemente coltivate su sistemi planari, che richiedono un’elaborazione manuale. Tuttavia, i metodi di coltura manuale richiedono una notevole quantità di manodopera e sono soggetti a contaminazione, che può compromettere la qualità del prodotto finale. Inoltre, non vi è alcun controllo di processo in linea, il che porta a una sostanziale variabilità della qualità tra i lotti⁷. Prendendo come esempio la terapia con cellule staminali, con una promettente pipeline di oltre 200 candidati alla terapia con cellule staminali, si stima che sarebbero necessari 300 trilioni di hMSC all’anno per soddisfare le esigenze delle applicazioni cliniche⁸. Quindi, la produzione su larga scala di cellule terapeutiche è diventata un prerequisito per eseguire questi interventi terapeutici con una domanda cellulare così elevata⁹.

Per evitare le battute d’arresto dei sistemi planari, sono stati compiuti sforzi per sviluppare processi di produzione su larga scala in bioreattori a serbatoio agitato con microvettori convenzionali non solubili 10,11,12,13^, ma questi soffrono di complicate procedure di preparazione e bassa efficienza di raccolta cellulare ¹⁴. Recentemente, abbiamo innovato un microcarrier solubile per l’espansione delle cellule staminali, con l’obiettivo di aggirare le sfide della raccolta cellulare da microcarrier commerciali convenzionali non solubili¹⁵. Questo nuovo microcarrier poroso solubile 3D di grado GMP, disponibile in commercio, 3D TableTrix, ha mostrato un grande potenziale per la produzione di cellule su larga scala. Infatti, la coltura 3D basata su questi microvettori porosi potrebbe potenzialmente ricreare microambienti biomimetici favorevoli per promuovere l’adesione, la proliferazione, la migrazione e l’attivazione cellulare¹⁶. Le strutture porose e le reti interconnesse di pori dei microvettori potrebbero creare un’area di adesione cellulare più ampia e promuovere lo scambio di ossigeno, nutrienti e metaboliti, creando così un substrato ottimale per l’espansione cellulare in vitro ¹⁷. L’elevata porosità di questi microcarrier porosi solubili 3D di grado GMP consente l’espansione su larga scala delle hMSC e la capacità delle cellule di essere completamente disciolte consente la raccolta efficiente di queste cellule espanse¹⁸. È anche un prodotto di grado GMP ed è stato registrato come eccipiente farmaceutico presso il Centro cinese per la valutazione dei farmaci (numeri di deposito: F20210000003 e F20200000496)¹⁹ e la FDA degli Stati Uniti (FDA, USA; Numero di Drug Master File: 35481)²⁰.

Qui, illustriamo un sistema automatizzato di produzione di celle su scala industriale chiusa (ACISCP)¹⁸ che utilizza questi microvettori porosi dispersibili e solubili per l’espansione di hMSC, HEK293T celle e celle Vero. Abbiamo ottenuto con successo un’espansione a due livelli di hMSC (128 volte l’espansione cumulativa in 9 giorni) da un bioreattore da 5 L a un bioreattore da 15 L e infine abbiamo ottenuto fino a 1,1 x 10¹⁰ hMSC da un singolo lotto di produzione. Le cellule sono state raccolte dissolvendo completamente i microcarrier, concentrate, lavate e formulate con un sistema di trattamento cellulare basato su centrifuga a flusso continuo, e quindi aliquotate con un sistema di riempimento cellulare. Inoltre, abbiamo valutato la qualità dei prodotti hMSC per confermarne la conformità. Abbiamo anche dimostrato l’applicazione di questi microcarrier solubili per la produzione su larga scala di altri due tipi di celle di ancoraggio, le celle HEK293T e le celle Vero, che sono ampiamente applicate nell’industria CGT. La densità cellulare di picco delle cellule HEK293T ha raggiunto 1,68 x 10⁷ cellule/mL, mentre la densità di picco delle cellule Vero ha raggiunto 1,08 x 10⁷ cellule/mL. Il sistema ACISCP potrebbe essere adattato per coltivare una varietà di cellule aderenti e potrebbe potenzialmente diventare una potente piattaforma che contribuisce ad accelerare l’industrializzazione della CGT.

Protocol

Il cordone ombelicale umano è stato ottenuto dall’ospedale Tsinghua Changgeng di Pechino. Tutte le procedure e i protocolli relativi all’acquisizione, all’isolamento e alla coltura di cellule staminali mesenchimali del cordone ombelicale umano (UCMSC) sono stati condotti con il consenso informato e con l’approvazione del Comitato Etico dell’Ospedale Tsinghua Changgeng di Pechino (numero di deposito 22035-4-02), e le procedure e i protocolli sono conformi alla dichiarazione di Helsinki del 1964 e ai suoi successivi emend…

Representative Results

La piattaforma ACISCP è un sistema completamente chiuso che impiega una serie di bioreattori a serbatoio agitato per l’espansione dello scale-up, un sistema di elaborazione cellulare per la raccolta e la formulazione automatizzata delle cellule e un sistema di riempimento delle cellule (Figura 1). Le cellule aderenti si attaccano ai microcarrier porosi, che possono essere dispersi nel bioreattore, ottenendo così la coltivazione in sospensione delle cellule aderenti. <p class="jove_cont…

Discussion

Sia l’immunoterapia che la terapia con cellule staminali utilizzano cellule vive come farmaci; Tuttavia, i loro prodotti finali non devono essere purificati o sterilizzati allo stesso modo delle piccole molecole o dei virus. Pertanto, il principio della Quality by Design (QbD) dovrebbe essere sempre tenuto presente e applicato praticamente al processo di produzione e controllo chimico (CMC) durante la produzione di celle²³. Un sistema di coltura a cellule completamente chiuso, nonché un sistema d…

Materials

0.25% trypsin EDTA	BasalMedia	S310JV	Used for 2D cell harvest.
3D FloTrix Digest	CytoNiche Biotech	R001-500	This is a reagent that specifically dissolves 3D TableTrix microcarriers.
3D FloTrix MSC Serum Free Medium	CytoNiche Biotech	RMZ112	This is a serum-free,animal-free medium for mesenchymal stem cell expansion and maintenance in 2D planar culture as well as 3D culture on 3D TableTrix microcarriers.
3D FloTrix Single-Use Filtration Module	CytoNiche Biotech	R020-00-10	This module contains 0.22 μm capsule filters used for filtration of culture medium and digest solution.
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (10 L)	CytoNiche Biotech	R020-00-03	Used as feed bag for 5 L bioreactor.
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (3 L)	CytoNiche Biotech	R020-00-01	Used as cell seeding or transfer bags.
3D FloTrix Single-Use Storage Bag (50 L)	CytoNiche Biotech	R020-00-04	Used as feed bag for 15 L bioreactor.
3D FloTrix vivaPACK Disposable Fill&Finish Consumable Kit	CytoNiche Biotech	PACK-01-01	This is a standard kit adapted to 3D vivaPACK fill and finish system.
3D FloTrix vivaPACK fill and finish system for cells	CytoNiche Biotech	vivaPACK	This system is a closed liquid handling device, with automated mixing and gas exhausting functions. Cells resuspended in cryopreservation buffer can be rapidly and evenly aliquoted into 20 bags per batch.
3D FloTrix vivaPREP PLUS cell processing system	CytoNiche Biotech	vivaPREP PLUS	This system is a continuous flow centrifuge-based device.Cells can be concentrated, washed, and resuspended under completely closed procedures.
3D FloTrix vivaPREP PLUS Disposable Cell Processing Kit	CytoNiche Biotech	PREP-PLUS-00	This is a standard kit adapted to 3D vivaPREP PLUS cell processing.
3D FloTrix vivaSPIN  bioreactor 15 L	CytoNiche Biotech	FTVS15	This bioreactor product employs a controller, a 15 L glass stirred-tank vessel, and assessories. A special perfusion tube is available.
3D FloTrix vivaSPIN  bioreactor 5 L	CytoNiche Biotech	FTVS05	This bioreactor product employs a controller, a 5 L glass stirred-tank vessel, and assessories.A special perfusion tube is available.
3D FloTrix vivaSPIN Closed System Consumable Pack (10/15 L)	CytoNiche Biotech	R020-10-10	This is a standard tubing kit adapted to 3D vivaSPIN bioreactor 15 L, containing sampling bags.
3D FloTrix vivaSPIN Closed System Consumable Pack (2/5 L)	CytoNiche Biotech	R020-05-10	This is a standard tubing kit adapted to 3D vivaSPIN bioreactor 5 L, containing sampling bags.
3D TableTrix microcarriers G02	CytoNiche Biotech	G02-10-10g	These porous and degradable microcarriers are suitable for HEK293T cell culture. They come pre-sterilized in 10g/bottle with C-Flex tubings for welding to tubes on bioreactors.
3D TableTrix microcarriers V01	CytoNiche Biotech	V01-100-10g	These porous and degradable microcarriers are suitable for adherent cell culture, they come as non-sterilized microcarriers that need to be autoclaved in PBS before use. They are especially suitable for vaccine production.
3D TableTrix microcarriers W01	CytoNiche Biotech	W01-10-10g (single-use packaging); W01-200 (tablets)	These porous and degradable microcarriers are suitable for adherent cell culture, especially for cells that need to be harvested as end products. They come pre-sterilized in 10g/bottle with C-Flex tubings for welding to tubes on bioreactors.The product has obtained 2 qualifications for pharmaceutical excipients from CDE, with the registration numbers of [F20200000496; F20210000003]. It has also received DMF qualification for pharmaceutical excipients from FDA, with the registration number of [DMF:35481]
APC anti-human CD45 Antibody	BioLegend	368512	Used in flow cytometry for MSC identity assessment
Calcein-AM/PI Double Staining Kit	Dojindo	C542	Calcein-AM/PI Double Staining Kit is utilized for simultaneous fluorescence staining of viable and dead cells. This kit contains Calcein-AM and Propidium Iodide (PI) solutions, which stain viable and dead cells, respectively.
Cap for EZ Top Container Closures for NALGENE-containers (500mL)	Saint-Gobain	CAP-38	Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands.
C-Flex Tubing, Formulation 374 (0.25 in x 0.44 in)	Saint-Gobain	374-250-3	Used for tube welding and disconnection.
CryoMACS Freezing Bag 50	Miltenyi Biotec	200-074-400	Used for expanding the 3D FloTrix vivaPACK Disposable Fill&Finish Consumable Kit.
Dimethyl Sulfate (DMSO)	Sigma	D2650-100mL	Used for preparation of cryopreservation solution.
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM)	BasalMedia	L120KJ	Used for cultivation of HEK293T and Vero cells.
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (2 L)	DWK life sciences	218016357	Used for waste collection from the 5 L bioreactor.
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (5 L)	DWK life sciences	218017353	Used for waste collection from the 15 L bioreactor.
DURAN Original GL 45 Laboratory bottle (500 mL)	DWK life sciences	218014459	Used for supplementary bottle of 0.1 M NaOH.
EZ Top Container Closures for NALGENE-containers (500mL)	Saint-Gobain	EZ500 ML-38-2	Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands.
Fetal bovine serum (FBS) superior quality	Wisent	086-150	Used for cultivation of HEK293T cells.
FITC anti-human CD14 Antibody	BioLegend	301804	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
FITC anti-human CD34 Antibody	BioLegend	343504	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
FITC anti-human CD90 (Thy1) Antibody	BioLegend	328108	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
Flow cytometry	Beckman Coulter	CytoFLEX	Used for cell identity assessment.
Fluorescence Cell Analyzer	Alit life science	Countstar Rigel S2	Used for cell counting. Cell viability can be calculated by staining with AO/PI dyes.
GL 45 Multiport Connector Screw Cap with 2 ports	DWK life sciences	292632806	Brands and catalogue numbers are only for example, similar products are available from various suppliers and as long as they have the same functionality, items could be substituted with other brands.
Glucose Meter	Sinocare	6243578	Used for detecting glucose concentration in cell culture medium and supernatant.
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS), with calcium and magnesium	Gibco	14025092	Used for preparation of digest solution.
Human Albumin 20% Behring (HSA)	CSL Behring	N/A	Used for preparation of wash buffer.
Inverted fluorescent microscope	OLYMBUS	CKX53SF	Used for brifgt field and fluorescent observation and imaging.
Nalgene Measuring Cylinder (500 mL)	Thermo Scientific	3662-0500PK	Used for calibrating the liquid handling volume speed of peristaltic pumps.
Newborn calf serum (NBS) superfine	MINHAI BIO	SC101.02	Used for cultivation of Vero cells.
OriCell human mesenchymal stem cell adipogenic differentiation and characterization kit	Cyagen	HUXUC-90031	Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs.
OriCell human mesenchymal stem cell chondrogenic differentiation and characterization kit	Cyagen	HUXUC-90041	Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs.
OriCell human mesenchymal stem cell osteogenic differentiation and characterization kit	Cyagen	HUXUC-90021	Used for tri-lineage differentiation of hUCMSCs.
PE anti-human CD105 Antibody	BioLegend	800504	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
PE anti-human CD19 Antibody	BioLegend	302208	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
PE anti-human CD73 (Ecto-5'-nucleotidase) Antibody	BioLegend	344004	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
PE anti-human HLA-DR Antibody	BioLegend	307605	Used in flow cytometry for MSC identity assessment.
Phosphate Buffered Saline (PBS)	Wisent	311-010-CL	Used in autoclaving of glass vessel and V01 microcarriers, and replacement of culture medium.
Sani-Tech Platinum Cured Sanitary Silicone Tubing (0.13 in x 0.25 in)	Saint-Gobain	ULTRA-C-125-2F	Used for solution transfering driven by peristaltic pumps.
Sterile Saline	Hopebiol	HBPP008-500	Used for preparation of wash buffer.
Trypzyme Recombinant Trypsin	BasalMedia	S342JV	This reagent is used for bead-to-bead transfer of HEK293T and Vero cells.
Tube Sealer	Yingqi Biotech	Tube Sealer I	This sealer is compatible with both C-Flex tubing and PVC tubing.
Tube Welder for PVC tubing	Chu Biotech	Tube Welder Micro I	Used for welding of PVC tubing.
Tube Welder for TPE tubing	Yingqi Biotech	Tube Welder I-V2	Used for welding of TPE tubing.
ViaStain AO / PI Viability Stains	Nexcelom	CS2-0106-25mL	Dual-Fluorescence Viability, using acridine orange (AO) and propidium iodide (PI), is the recommended method for accurate viability analysis of primary cells, such as PBMCs, and stem cells in samples containing debris.