目前，基于膜分離系統(tǒng)的灌流細(xì)胞培養(yǎng)工藝中多采用中空纖維膜截留細(xì)胞。一般而言，膜污染和蛋白篩分系數(shù)下降是該類工藝中的主要挑戰(zhàn)。而且，為了更大程度地提高產(chǎn)品的收獲效率，需要在培養(yǎng)過程中更換濾膜，這會(huì)額外增加染菌風(fēng)險(xiǎn)和人力成本。此外，為了保證高收率和產(chǎn)品純度一致性，下游親和層析上樣時(shí)需要保證一定的裝載量。但是，灌流培養(yǎng)過程中每天收獲的蛋白的濃度不同，從而會(huì)增加下游連續(xù)流捕獲的復(fù)雜性，使得生產(chǎn)中很難將上下游連續(xù)收獲與捕獲進(jìn)行銜接。

本文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，在灌流細(xì)胞培養(yǎng)中，采用一種管徑0.2 μm的表面孔徑較大的中空纖維膜，可以有效緩解蛋白篩分系數(shù)下降的問題。在采用TFF系統(tǒng)的灌流培養(yǎng)中，采用此種膜首次避免了膜被亞微米級(jí)顆粒污染的問題。灌流培養(yǎng)中所采用的傳統(tǒng)的細(xì)胞截留膜，如果顆粒太小則無法被橫流的切向力沖走，所以直徑在20-200 nm范圍內(nèi)的顆粒可能會(huì)沉積到膜表面。相比之下，表面孔徑較大的灌流膜結(jié)構(gòu)可促進(jìn)培養(yǎng)液中生物大分子（如DNA分子）的跨膜運(yùn)動(dòng)，從而可以極大程度地提高產(chǎn)品的篩分系數(shù)。

采用上述微濾膜，本文獻(xiàn)將上游灌流細(xì)胞培養(yǎng)和下游連續(xù)流捕獲直接有效地銜接起來，成功實(shí)現(xiàn)了29天的連續(xù)培養(yǎng)和捕獲過程。

Figure 1. Tangential flow filtration-based perfusion cell cultures with nominal retention ratings of 0.2 um in black (1,250 s-1 and 1 LMH, 2,000 s-1 and 1 LMH, 2000 s-1 and 2 LMH, crossflow shear rate and permeate flux, respectively) and 0.65 μm in gray (1500 s-1 and 1 LMH, 3000 s-1 and 2 LMH, crossflow shear rate and permeate flux, respectively): (a) viable cell density (VCD); (b) viability; (c) antibody sieving coefficient; (d) transmembrane pressure (TMP). Increasing TMP indicates higher resistance for permeate flow, it was deemed high above the volumetric throughput (VT) cutoff of 1.5 psi (dash line) [Color figure can be viewed at wileyonlinelibrary.com].

Figure 2. Scanning electron microscopy topographies of the Microza membranes: (a) 0.2 μm UMP and (b) 0.65 μm UJP with ×5,500 and ×20,000 magnifications, respectively.

灌流培養(yǎng)工藝中，因細(xì)胞截留膜堵塞而造成的蛋白截留問題是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。CHO細(xì)胞培養(yǎng)過程中，需要保證無菌和無化學(xué)試劑殘留，所以無法使用污水處理中的曝氣清洗、化學(xué)試劑清洗等常見的中空纖維膜的清洗方法。因此，挑選可兼顧上下游需求的細(xì)胞截留膜尤為重要。一般認(rèn)為，只有傳統(tǒng)的大管徑膜能夠改善蛋白篩分系數(shù)，而本文獻(xiàn)所述的案例則顛覆了這種思路。

研究結(jié)果表明，可以通過優(yōu)化膜材質(zhì)的方法提高上游蛋白的收獲效率。采用0.2 μm管徑的大表面孔徑膜能很好的銜接上游灌流培養(yǎng)連續(xù)收獲和下游連續(xù)捕獲，從而大大縮短生產(chǎn)周期，提高廠房利用率。

文獻(xiàn)出處

DOI: 10.1002/bit.27504 

單位: Process Research and Development, Merck &Co., Inc.

引用: Pinto, NDS, Brower, M. Wide‐surface pore microfiltration membrane drastically improves sieving decay in TFF‐based perfusion cell culture and streamline chromatography integration for continuous bioprocessing. Biotechnology and Bioengineering. 2020; 117: 3336-3344.