Eine genetische Optimierung von Zellen zur Arzneimittelherstellung löst eine jahrzehntealte Herausforderung in der Bioproduktion

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der University of California San Diego hat eine neue Strategie zur Verbesserung der Arzneimittelproduktion in Eierstockzellen des Chinesischen Hamsters (CHO) entwickelt, die häufig zur Herstellung proteinbasierter Medikamente zur Behandlung von Krebs, Autoimmunerkrankungen und vielem mehr verwendet werden .

Durch das Ausschalten eines Genschaltkreises, der für die Produktion von Milchsäure verantwortlich ist – einem Metaboliten, der die Zellumgebung toxisch macht – beseitigen Forscher eine primäre Hürde bei der Entwicklung von Zellen, die größere Mengen an Arzneimitteln wie Herceptin und Rituximab produzieren können, ohne ihr Wachstum oder ihre Energieproduktion zu beeinträchtigen.

Die Forschung: „Multiplex-Genombearbeitung eliminiert den Warburg-Effekt, ohne die Wachstumsrate in Säugetierzellen zu beeinträchtigen.“ veröffentlicht am 14. Januar in Naturstoffwechselstellt auch lang gehegte Annahmen über die Notwendigkeit des Milchsäurestoffwechsels für das Überleben der Zellen in Frage.

CHO-Zellen sind zu unverzichtbaren Werkzeugen der modernen Medizin geworden und dienen als „lebende Fabriken“, die mehr als die Hälfte der heute meistverkauften proteinbasierten Medikamente herstellen, darunter Therapien gegen Krebs, Autoimmunerkrankungen und mehr. Doch trotz ihres Erfolgs haben sie einen großen Nachteil: die geringe Proteinausbeute. CHO-Zellen produzieren nicht immer genug der gewünschten Medikamente, um den Bedarf zu decken, was diese Medikamente teurer macht.

Jetzt haben Forscher einen Ansatz entwickelt, der eine Verbesserung der Ausbeuten von CHO-Zellen bei der Arzneimittelproduktion verspricht. Der Ansatz zielt auf einen wichtigen Stoffwechselprozess ab: die Sekretion von Milchsäure.

Bei der Proteinproduktion setzen CHO-Zellen Milchsäure als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels frei. Je aktiver sie sind, desto mehr Milchsäure produzieren sie.

„Während wir Zellen züchten, um mehr Medikamente zu produzieren, baut sich Milchsäure auf und tötet die Zellen ab, wodurch die Ausbeute an lebensrettenden Medikamenten sinkt und gleichzeitig die Herstellungskosten steigen“, sagte der leitende Autor der Studie, Nathan Lewis, der die Studie während seiner Tätigkeit als Wissenschaftler leitete Professor an der Shu Chien-Gene Lay-Abteilung für Bioingenieurwesen und der Abteilung für Pädiatrie an der UC San Diego (jetzt an der University of Georgia).

Die Bemühungen, die Milchsäureproduktion zu stoppen, konzentrierten sich bisher auf die Hemmung des für diesen Prozess verantwortlichen Enzyms, der Laktatdehydrogenase. Diese Bemühungen waren jedoch erfolglos, da Laktatdehydrogenase für das Überleben der Zellen unerlässlich ist.

„Wenn man versucht, es zu entfernen oder zu blockieren, sterben die Zellen ab“, sagte Lewis. „Dies wurde in mehreren Studien nachgewiesen.“

In der neuen Studie haben Lewis und Kollegen unter der gemeinsamen Leitung von UC San Diego Bioengineering Ph.D. Der Absolvent Hooman Hefzi (heute Professor an der Technischen Universität Dänemark) verfolgte einen anderen Ansatz.

Anstatt sich auf die Laktatdehydrogenase selbst zu konzentrieren, entwarfen sie ein Netzwerk von Genen – fünf in CHO-Zellen und sechs in menschlichen Zellen –, die zusammenarbeiten, um die Milchsäureproduktion zu steuern. Die Forscher vermuteten, dass dieser Genkreislauf für die Überproduktion von Laktat in den Zellen verantwortlich sei.

Als die Forscher diesen Genschaltkreis ausschalteten, stellten die CHO-Zellen die Produktion von Milchsäure ein. Darüber hinaus zeigten die Zellen ein verbessertes Wachstum und produzierten im Vergleich zu ähnlich behandelten Kontrollen deutlich höhere Ausbeuten an proteinbasierten Medikamenten wie Herceptin und Rituximab, die zur Behandlung von Brustkrebs bzw. Lymphomen eingesetzt werden.

Die modifizierten CHO-Zellen produzierten auch erfolgreich eine Reihe anderer therapeutischer Proteine, darunter Enbrel, ein Mittel zur Behandlung von rheumatoider Arthritis und Psoriasis, und Erythropoietin, das die Produktion roter Blutkörperchen stimuliert.

Den Warburg-Effekt in Frage stellen

Diese Arbeit wirft auch Licht auf einen wichtigen biologischen Prozess, den sogenannten Warburg-Effekt. Der Warburg-Effekt wurde erstmals vor 100 Jahren vom deutschen Wissenschaftler Otto Warburg in Krebszellen beobachtet und bezieht sich auf eine Stoffwechselverschiebung, die dazu führt, dass Zellen Milchsäure überproduzieren. Es wurde lange angenommen, dass dieser Prozess für die Zellproliferation und die Energieproduktion von entscheidender Bedeutung ist.

Doch die neue Forschung stellt diese Vorstellung in Frage. Durch die Eliminierung des Warburg-Effekts in CHO-Zellen stellten die Forscher fest, dass die Zellen normale Wachstumsraten und Energieabgabe aufrechterhielten. Dies deutet darauf hin, dass der Warburg-Effekt möglicherweise nicht so wesentlich ist wie zuvor angenommen.

Die Forscher stellen fest, dass diese neu entwickelten „Warburg-Null“-CHO-Zellen auch mit industriellen Zelllinien-Entwicklungsprozessen kompatibel sind. Das bedeutet, dass diese Zellen problemlos in die reale Arzneimittelproduktion integriert werden könnten, was für die Bioproduktion von entscheidender Bedeutung sein könnte.

Das Team hat weitere Optimierungen entdeckt, die die Produktivität der CHO-Zellen weiter steigern, und untersucht weiterhin deren Auswirkungen auf den gesamten Arzneimittelherstellungsprozess.

„Unsere Arbeit hat das Potenzial, die Arzneimittelproduktion weitaus effizienter zu gestalten, was die Herstellungskosten erheblich senken könnte“, sagte Lewis. „Durch die Verbesserung der Produktivität dieser Zellen machen wir einen wichtigen Schritt, um lebensrettende Therapien wie Krebsbehandlungen und Gentherapien erschwinglicher und für Patienten weltweit zugänglicher zu machen.“