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Toward a robust lipid supplementation for SP2/0 fed-batch culture: Improving process performance by leveraging lipoprotein variability

Moisant, Rémy (2024)
Toward a robust lipid supplementation for SP2/0 fed-batch culture: Improving process performance by leveraging lipoprotein variability.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026549
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Toward a robust lipid supplementation for SP2/0 fed-batch culture: Improving process performance by leveraging lipoprotein variability
Language: English
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Hagen, Prof. Dr. Jörg von
Date: 20 March 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 200 Seiten
Date of oral examination: 20 November 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026549
Abstract:

In the context of recombinant monoclonal antibody production, the utilization of hybridoma cells is challenging due to their lipid auxotrophy. Although substituting serum with lipoproteins for lipid supplementation in SP2/0 cells has mitigated certain limitations associated with serum utilization, it has not addressed all the obstacles. The inherent variability in lipoprotein batches, derived from animal sources, exerts a significant impact on cell growth and the overall efficiency of the upstream cell culture process. This research aims to elucidate the relationship between lipoprotein batch-to-batch variability and the performance of upstream cell culture processes. An investigation was conducted utilizing multiple lipoprotein supplement batches from the same supplier. Notably, certain batches exhibited low performance characteristics during cell culture processes, manifesting as apoptosis induction and premature viability decline during fed-batch production. A physicochemical characterization of the lipoprotein supplement confirmed that lipoproteins predominantly contain sterols, fatty acids, and apolipoproteins, with a notable proportion of these constituents being oxidized. The induction of controlled oxidation in lipoprotein supplements resulted in observable changes, including browning of the supplement and increased UV absorbance, which, in turn, correlated with diminished performance in cell culture processes. This insight enabled the establishment of a threshold absorbance level at 276 nm, facilitating the identification of oxidized and low-performing lipoprotein supplement batches. This method serves to preemptively detect and exclude low-performing lipoprotein batches from the manufacturing process, thereby enhancing production robustness. Notably, it was determined that the chemical compounds responsible for viability drops were already present in the bovine serum raw material and were not introduced during the transformation process into lipoprotein supplements. To overcome limitations caused by lipoproteins, chemically defined lipid supplements were formulated. Utilizing methyl-beta-cyclodextrin inclusion complexes, fatty acids, and cholesterol were effectively solubilized in cell culture media. Optimization of the lipid-cyclodextrin balance, as well as fatty acid and cholesterol ratios, was undertaken to match the lipid requirements of SP2/0 cells while mitigating any cytotoxic effects stemming from cyclodextrin utilization. Although the cyclodextrin inclusion complexes with lipids demonstrated the potential to replace lipoproteins in the process, they yielded inferior performance, characterized by early viability decline and reduced overall growth. Hence, this alternative did not prove to be a viable substitute for lipoprotein supplementation, highlighting the challenges that persist in achieving chemically defined lipid supplementation in SP2/0 cell cultures with performance comparable to lipoprotein supplementation. Various other compounds were explored to support cell growth, with Trolox emerging as a promising candidate, effectively mitigating oxidation-related issues. These results should help to further optimize the formulation of cell culture media and identify parameters that influence the growth and production performance of cells for recombinant antibody production.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Im Zusammenhang mit der Produktion rekombinanter monoklonaler Antikörper stellt die Verwendung von Hybridomzellen aufgrund ihrer Lipid-Auxotrophie eine Herausforderung dar. Der Ersatz von Serum durch Lipoproteine zur Lipidsupplementierung in SP2/0-Zellen ist möglich, allerdings bleiben derzeit noch Probleme, die im Rahmen dieser Dissertation angegangen werden sollen. Die inhärente Variabilität von Lipoprotein-Chargen, die aus tierischen Quellen stammen, hat einen erheblichen Einfluss auf das Zellwachstum und die Gesamteffizienz des vorgeschalteten Zellkulturprozesses. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, die Beziehung zwischen der Variabilität von Lipoprotein-Chargen und der Leistung der vorgeschalteten Zellkulturprozesse zu klären. Es wurde eine Untersuchung unter Verwendung mehrerer Lipoprotein-Chargen desselben Lieferanten durchgeführt. Bestimmte Chargen wiesen während der Zellkulturprozesse schlechte Leistungsmerkmale auf, die sich in einer Apoptoseinduktion und einem vorzeitigen Rückgang der Lebensfähigkeit während der Fed-Batch-Produktion äußerten. Eine physikalisch-chemische Charakterisierung des Lipoproteinzusatzes bestätigte, dass Lipoproteine überwiegend Sterole, Fettsäuren und Apolipoproteine enthalten, wobei ein beträchtlicher Anteil dieser Bestandteile oxidiert ist. Die Induktion einer kontrollierten Oxidation in Lipoprotein-Formulierungen führte zu beobachtbaren Veränderungen, einschließlich einer Braunfärbung der Lipoproteinzusätze und einer erhöhten UV-Absorption, die wiederum mit einer verminderten Leistung in Zellkulturprozessen korrelierte. Diese Erkenntnis ermöglichte die Festlegung eines Schwellenwerts für die Absorption bei 276 nm, der die Identifizierung von oxidierten und schlecht funktionierenden Chargen von Lipoproteinzusätzen erleichtert. Diese Methode dient dazu, Lipoprotein-Chargen mit schlechter Leistung präventiv zu erkennen und aus dem Herstellungsprozess auszuschließen, wodurch die Produktionsstabilität erhöht wird. Insbesondere wurde festgestellt, dass die chemischen Verbindungen, die für das Absinken der Lebensfähigkeit verantwortlich sind, bereits im Rinderserum-Rohmaterial vorhanden sind und nicht während des Umwandlungsprozesses in Lipoproteinzusätze eingeführt wurden. Um die durch Lipoproteine verursachten Einschränkungen zu überwinden, wurden chemisch definierte Lipidzusätze formuliert. Unter Verwendung von Methyl-Beta-Cyclodextrin-Einschlusskomplexen wurden Fettsäuren und Cholesterin effektiv in Zellkulturmedien solubilisiert. Das Lipid-Cyclodextrin-Gleichgewicht sowie die Fettsäure- und Cholesterinverhältnisse wurden optimiert, um den Lipidbedarf der SP2/0-Zellen zu decken und gleichzeitig die zytotoxischen Auswirkungen der Cyclodextrinverwendung abzuschwächen. Obwohl die Cyclodextrin-Einschlusskomplexe mit Lipiden das Potenzial zeigten, Lipoproteine im Prozess zu ersetzen, erbrachten sie eine minderwertige Leistung, die durch einen frühen Rückgang der Lebensfähigkeit der Zellen und ein verringertes Gesamtwachstum gekennzeichnet war. Es wurde eine Supplementierung mit verschiedenen Verbindungen untersucht, wobei sich Trolox als vielversprechender Kandidat erwies, der die mit der Oxidation verbundenen Probleme wirksam abschwächt. Diese Ergebnisse sollen dazu beitragen, die Formulierung von Zellkulturmedien weiter zu optimieren und Parameter zu identifizieren, die das Wachstum und die Produktionsleistung von Zellen für die rekombinante Antikörperproduktion beeinflussen.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265490
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
500 Science and mathematics > 570 Life sciences, biology
Divisions: 07 Department of Chemistry > Clemens-Schöpf-Institut > Fachgebiet Biochemie
Date Deposited: 20 Mar 2024 14:41
Last Modified: 15 Apr 2024 10:28
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26549
PPN: 516907565
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