ホローファイバークロスフローメンブレンによる細胞培養由来治療用タンパク質の清澄ろ過

現在、治療用タンパク質の製造は哺乳類細胞培養で行う傾向にあります。哺乳類細胞で産生したタンパク質は正しく折り畳まれており、適切な翻訳後修飾が可能です。技術の進歩により、高純度の培養液を用いれば、目的タンパク質が培地中に直接発現し、その発現レベルは1 g/L以上に達します。バイオテクノロジー企業が哺乳類細胞培養の処理に遠心分離、デッドエンドろ過、クロスフローろ過のどの方法を選択するかを評価した結果、費用対効果、スケールアップの容易さ、1段階処理に関してクロスフローろ過(CFF)が優れており、バリデートされた安全な閉鎖系であると認められました。

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バッチ細胞培養プロセス

・ 従来の発酵プロセスとほぼ同様です。
・ 大容量の容器に細胞、栄養素、ガス（この場合酸素）を添加します。
・ 細胞が増殖し、数日で細胞密度10⁶～10⁷になります。
・ 増殖がとまるほど細胞が死にはじめます。
・ 発現レベルが上昇するにつれて、細胞の生存率が低下し、培養プロセス終了時には細胞膜が薄く、破れやすくなります。
・ 発現レベルが高いほど商業的価値が高くなりますが、目的タンパク質を細胞から分離しづらくなります。

分離方法

カラムにロードする前に、目的タンパク質を含む溶液から細胞の不溶物を除去するには3通りの方法があります。

・ 遠心分離
・ デッドエンドろ過
・ クロスフローろ過

上の2つはラボスケール～パイロットスケールのプロセスに広く使われており、クロスフローろ過はラージスケールのプロセスによく使われています。

分離方法の比較

この3つの分離方法は特性がまったく異なるので、特性を1つだけ取り上げて意味のある比較をするのは不可能です。これらの方法を評価するには複数の特性を比較する必要があります。

遠心分離

メリット	デメリット
小容量バッチ
入手しやすい	限界容量が6 L
使い方が簡単	スケールアップ不可
迅速な分離	遠心後ポリッシングのためにろ過が必要な場合あり
大容量―連続フロー
迅速な分離	多額な設備投資が必要
洗浄が容易	遠心後ポリッシングのためのろ過が必要
小さい設置面積	高い維持費

シングルパス（デッドエンド）カートリッジろ過

メリット	デメリット
小容量バッチ
少ない設備投資	高い1 Lあたりのコスト
使い方が簡単
迅速なプロセス時間
大容量―連続フロー
少ない設備投資	高い1 Lあたりのコスト
最小限のバリデーション	高い廃棄コスト
中程度のプロセス時間	カートリッジのハンドリングが面倒
維持費不要

ホローファイバークロスフローメンブレン

メリット	デメリット
小容量バッチ
汎用性のある装置－MF/UF	洗浄が必要
1段階で清澄ろ過完了	操作者の注意が必要
低運転コスト	細胞特性に応じた至適化
直線的なスケールアップが可能
大容量―連続フロー
中程度の運転コスト	大きい設置面積
閉鎖系	洗浄バリデーション
自動システムを利用可	高い設備費用

システムサイジングと経済性

・ パイロットスケール用システムのサイジングは、実際のフルスケールの送液特性を示すラボスケールでの実験結果にもとづいて行います。スループットに影響を及ぼす細胞密度／細胞生存率のバラツキやプロセス時間にも注意が必要です。
・ 上記のデータをベースラインとして利用してプロセスのスケールアップ工程に適したカートリッジやシステムをご提案できます。

容量	カートリッジ	システム/（要循環フロー）
100 L	CFP-4-E-9A	UniFlux™ 30 /12 LPM
500 L	CFP-4-E-65	UniFlux™ 120 /60 LPM
1000 L	2XCFP-4-E-65	UniFlux™ 400 /120 LPM
2000 L	4XCFP-4-E-65	UniFlux™ 400 /120 LPM (カートリッジを連結)

考察

費用の見積もりはライン別に容易に調べることができますが、ここでは一般的な結論を述べます。経済的な観点から、遠心分離とクロスフローろ過の設備費用と運転費用はほとんど変わりません。ホローファイバークロスフローメンブレンの場合、全体的なコストはスループットと繰返し使用の回数で決まります。ラージスケールプロセスの繰返し使用の回数は、特定の供給流量でのパイロットスケールの実験によって決定します。

結論

哺乳類細胞のバッチ培養プロセスで産生した治療用タンパク質をラージスケールで清澄ろ過を行う際には、2つの方法があります。遠心分離後、連結したノーマルフローろ過カートリッジを使う方法と、ホローファイバークロスフローメンブレンろ過カートリッジで行う方法です。弊社のホローファイバーメンブレンカートリッジは、細胞生存率とスループットの両方で常に高いパフォーマンスを発揮します。さらに、ラージスケールで使用したお客さまから、約50サイクル使用しても流束は完全に復帰し、運転費用や廃棄費用を大幅に削減できるとご報告いただいています。ホローファイバー内蔵のカートリッジデザインは、設備費用をさらに削減でき、同じ製造設備で各種タンパク質を製造している施設での交換作業が容易になります。

スケールアップが必要で、カートリッジを直列で連結してろ過する従来の方法を採用してキャパシティーを上げようとしている場合には、初期清澄ろ過工程で最も費用対効果の高い手段として、ホローファイバークロスフローメンブレン精密ろ過カートリッジの使用をおすすめします。ホローファイバークロスフローメンブレン技術はスケールアップが可能であり、30～100 Lスケールでテストすれば、どんなサイズの製造スケールのコストについても的確に見積もることができます。詳しくは弊社までお問い合わせください。

詳細情報

アプリケーションノート
Hollow fiber cross flow membranes for the clarification of therapeutic protein derived from cell culture カタログ番号：11-0036-44