scale-X™ 生物反应器在病毒载体生产中的应用
Vero 细胞均匀生长的应用笔记
摘要
scale-X 生物反应器是一种新型固定床系统，可用于贴壁和悬浮细胞系的培养。设备单元占地小，而具有相当大的表面积，从而可获得极高细胞密度。本研究比较了在scale-X hydro生物反应器和标准微载体培养体系中进行的贴壁Vero细胞培养。两种系统可获得相似的单位面积细胞浓度。随后，展开螺旋卷式固定床显示，细胞在轴向和径向上具有均匀的分布。这表明在生物反应器内部具有均匀的液体流动和细胞附着。观察到的均质的细胞生长是一个重要的规模放大因素，以按可重复的方式，实现可用表面积最大限度的利用。
scale-X生物反应器简介
大多数病毒疫苗的生产工艺基于贴壁细胞平台。典型的培养系统，如滚瓶、多层细胞培养皿和微载体生物反应器，在规模放大时，都有一定的限制。为了克服潜在的规模放大限制，简化生产，固定床生物反应器是一个极具价值的替代选择。创新的scale-X生物反应器是一种可规模放大的固定床系统，可从研发（2.4 m2生长表面积）放大到中试（10和30m2生长表面积）和生产规模（200和600m2生长表面积；图1）。scale-X专利技术使用了一种结构化的螺旋卷式非编织聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）固定床，以减少局部过度压实和死区，同时实现可用内表面积及质量的最佳利用，获得批次间的高可重复性（图2）。
材料、方法 & 设备
固定床工艺：scale-X hydro生物反应器
细胞系和工艺条件
用于细胞密度和分布评估的方法
» 可从固定床提取12根整合的取样条（每根1面积2.15 cm2）在1 mL细胞裂解缓冲液中充分混合3 min。消化的细胞核用结晶紫染色并进行计算。
» 当达到目标细胞密度后，取出固定床，小心地铺开，剪下确定的1 cm2面积（图3）。条带上的细胞用试剂A100（ChemoMetec）裂解，并使用血细胞计数器对细胞核进行计数。
对照工艺：在搅拌罐生物反应器（STR）中进行Cytodex® 1微载体培养
细胞系和工艺条件
用于细胞密度和分布评估的方法
» 从生物反应器取5 mL样品体积。进行三次的洗脱后，用0.1 M柠檬酸、0.1%结晶紫和0.1% Triton X-100溶液裂解细胞。
» 37℃孵育1小时后，用血细胞计数器对染色的细胞核进行计数。该方法详细描述，参见Trabelsi et al.文章（Khaled Trabelsi, 2004）。
工艺参数（用于两种培养）
» 添加4 mM谷氨酰胺的无血清培养基（VP-SFM， Gibco™）
» 补加葡萄糖和谷氨酰胺原液，以分别防止两种底物低于8 mM和2 mM
» 使用CO2和 0.5 NaHCO3（微载体）或0.5 NaOH（scale-X）将pH值控制为7.2
» 温度设定点为37℃
» 溶氧设定点为50%（顶部空间通气）
VERO细胞生长
比较不同生物反应器系统内的最大Vero细胞密度（Kiesslich，2020）（图4）：
scale-X hydro 生物反应器（2.4 m2）:2.7 x 105 cells/cm2
STR Cytodex® 1（0.75 m2）：2.4 x 105 cells/cm2
不同的细胞接种密度导致了不同但相当的生长曲线图。scale-X生物反应器中的单位面积细胞密度（2.7x 105 cells/m2）略高于微载体培养（2.4 x 105 cells/m2）。两种系统的培养基使用量接近，为2.1 - 2.2 ×109 cells/L培养基。当考虑两个系统在同等产量下的反应器体积时，固定床生物反应器的设备占地显著降低（降低5倍）。
图4. 相比标准微载体培养，scale-X hydro生物反应器中的Vero细胞生长，由Kiesslich et al.（2020）提供。
Univercells进行了延长的Vero细胞生长研究（图5）。在scale-X hydro生物反应器中进行了多次实验（n=26），获得了可重复的细胞密度，平均为2.5×105 cells/cm2。规模放大至更大的scale-X carbo生物反应器（10m2和30m2），可获得相似的单位面积细胞密度。
图5. Vero 细胞曲线图：试验以Vero 细胞生长在不同scale-x 规格体积（内部数据）
在结构化、螺旋卷式固定床中的Vero细胞分布
在培养的不同阶段（2.7×105 cells/cm2和5.3×105 cells/cm2时，图6），对Vero细胞分布进行了研究。为此，从展开的固定床中提取了9个样本，并测定细胞密度。
在scale-X hydro生物反应器中，Vero细胞在固定床中轴向和径向均匀分布。研究进行了进一步的计算机流体动力学研究，结果显示，在结构化固定床中没有死区和非均匀性（数据未显示）。均匀的细胞生长使可用表面积得到充分利用。
图6. scale-X生物反应器的结构化固定床中的Vero细胞生长分布。
细胞沿径向（从中心半径）和轴向（固定床高度）均匀分布。（a.）由Kiesslich et al.（2020）友情提供，（b.）在Univercells实验室进行。
总结
在这两种工艺中，贴壁Vero细胞达到了相同的密度。当转移到更大的固定床scale-X生物反应器时，达到了类似的细胞生长趋势和最高单位面积细胞密度。最后，对Vero细胞生长分布的研究显示，固定床内有均匀的细胞贴壁和生长。与微载体工艺相比，固定床的紧凑设计使设备占地面积降低5倍。
总体而言，结果表明，结构化的scale-X固定床生物反应器系统是传统“规模扩展”技术的合适替代方案，后者如多层培养皿和滚甁，也包括具有一定技术挑战性的培养系统，如微载体工艺。
目前的scale- X生物反应器可以转化至生产规模（600 m2），并整合到连续的NevoLine™生产平台中。NevoLine系统将强化的上游工艺与连续的下游工艺相结合，以降低资本投入和运营成本，实现低成本、大规模的生产能力。
参考文献
Khaled Trabelsi, S. R. (2004). Comparison ofvarious culture modes for the production of rabies virus by Vero cells grown onmicrocarriers in a 2-l bioreactor. Enzyme and Microbial Technology.
Kiesslich, S.V.-C.-F. (2020). Serum-free production of rVSV-ZEBOV in Vero cells:Microcarrier bioreactor versus scale-X™ hydro fixed-bed. Journal of Biotechnology.
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