抗体表达CHO细胞株的构建策略与流程

抗体广泛存在于生物医学研究、 诊断和治疗的发展中， 且需求量大。然而， 满足全球市场日益增长的抗体需求量是一个巨大的挑战。为了维持抗体的供求平衡， 科学家们发明了更好的方法来优化抗体的表达， 以达到增加抗体的单体积表达量并减少生产成本。由于新的克隆方法、基因改造技术以及一系列的细胞和载体工程技术， 加上发酵技术上的改进， 这些都使抗体表达大大得益。

哺乳动物细胞是临床抗体药物产品使用的主要表达系统， 主要包括Sp2/0骨髓瘤细胞、 NS0小鼠骨髓瘤细胞、 HEK293人胚胎肾细胞和CHO中国仓鼠细胞， 其中以CHO系应用最为广泛。

海星生物致力于工程细胞株构建和改造，为科研加速，为工业赋能！

 

一、基于CHO细胞的抗体表达系统简介 

 

CHO细胞谱系 

细胞株开发常用的CHO细胞：DG44, DUXB11, CHO-S, CHO-K1 WT, CHO-K1 GS-/-

筛选标记	筛选试剂
代谢型筛选标记 (扩增型基因筛选标记)	二氢叶酸还原酶（DHFR）	甲氨蝶呤 (MTX)
	谷氨酰胺合成酶（GS）	氨基亚砜蛋氨酸 (MSX)
抗生素筛选标记 (非扩增型基因筛选标记)	嘌呤霉素搞性（Puromycin acetyltransferase）	嘌呤霉素 (Puromycin)
	杀稻瘟脱氢酶（Blasticidin deaminase）	杀稻瘟霉素 (Blasticidin)
	组氨醇脱氢酶（Histidinol dehydrogenase）	组氨醇 (Histidinol)
	潮霉素磷酸转移酶(Hygromycin phosphotransferase)	潮霉素 (Hygromycin)
	氯林可霉素而药基因（Zeocin resistance gene）	氯林可霉素 (Zeocin)
	博来霉素耐药基因（Bleomycin resistance gene）	博来霉素 (Bleomycin)
	氨基糖苷磷酸转移酶（Aminoglycoside phosphotransferase）	新霉素 (Neomycin or G418)

 

CHO细胞的优点

1. CHO细胞遗传背景清晰， 不易传播人类病毒， 具有很高的安全性， 以CHO作为宿主细胞表达生物蛋白质， 容易被药物审核机构， 如FDA审批通过
2. CHO细胞可以通过悬浮驯化适应无血清悬浮培养， 并能够实现在无血清培养基中快速及高密度生长，这为药物的质量控制和大规模生产带来极大的便利和实惠；
3. CHO细胞表达的重组蛋白质能够获得类似于人源蛋白质的翻译后修饰， 如翻译后的糖基化修饰、 唾液酸化修饰等， 生产的蛋白质较其它表达系统更加与人体天然的生物蛋白质相似第四， 较少分泌内源性蛋白， 降低纯化难度；
4. CHO细胞已经开发出了多种商业化高效高表达系统， 如二氢叶酸还原酶筛选体系、 谷氨酰胺合成酶筛选体系和遗传霉素筛选体系等。 

CHO细胞的异质性特征

CHO细胞在长期传代过程中存在的稳定性表达问题， 主要体现在：
1. CHO 细胞遗传不稳定性引起的表达不稳定
CHO 细胞系基因组本身具有不稳定性。通常， 中国仓鼠体细胞的染色体为 11 对22 条， 而中国仓鼠卵巢细胞的染色体则发生了大面积不稳定重排重组现象， 不同细胞系染色体的数目也不恒定。基因组的不稳定性， 主要表现在其染色体层面上的拷贝数变异。

2. 外源基因随机整合引起的表达不稳定
传统方法主要是通过表达质粒转染后， 利用压力筛选从而获得目的蛋白质表达细胞株。因此， 外源基因都是通过随机整合方式， 整合到CHO 基因组内。由于整合位点的不确定性， 可能在细胞培养后期引起表达不稳定。

中国仓鼠卵巢细胞拥有22 条染色体， 其中10 对常染色体及2 条性染色体。而CHO-K1 细胞系则显示出与其有极大的不同，其仅有8 条染色体显示出同普通中国仓鼠染色体相同， 而13个染色体则以“Z” 标志， 因其中包含着染色体重排、 缺失、移位等现象。

 

二、抗体表达CHO细胞株的构建策略与流程 

 

1. 细胞内的蛋白表达过程

转录 → mRNA加工 → 翻译 → 翻译后折叠与修饰 → 细胞内转运 → 分泌

2. 抗体表达CHO细胞株的构建策略

Representation of different steps involved in building an efficient system for protein expression

 

3. 重组蛋白表达工程细胞株的构建流程图

载体构建 →  转染 → 细胞池(pool) 筛选 → 单克隆化筛选 → 批次补料培养筛选 → 蛋白质量筛选 → 细胞株最终选定与建库 → 细胞培养工艺开发与生产

（1）重组抗体表达载体构建：载体元件改造， 密码子优化， 信号肽优化等

（2）影响细胞转染环节的因素：转染效率和细胞活性

（3）单克隆筛选：有限稀释法、ClonePix、FACS

细胞的克隆形成是一个缓慢而且效率很低的技术过程，但是很多细胞实验都需要经过一个单克隆生长阶段，为了增加细胞株的克隆形成的效率，我们研发了该款细胞培养基。ClonePlusTM培养基含有多种细胞培养添加成分，包括：

海星生物使用ClonePlusTM培养基测试多种工程细胞株、肿瘤细胞株、原代细胞株、干细胞株等都能提高20～150%的克隆形成效率（数据来自同一株细胞对比）。

 

三、优化抗体表达水平的思路与方法

1. 载体设计优化
表达载体的设计需要适应表达系统， 以增加抗体的表达， 增加细胞稳定性， 提高转录， 分泌， 选择， 整合的效率。
（1）多种表达载体形式
单顺反子载体， 多启动子表达载体， 以及IRES或Furin-2A元件介导的多顺反子载体等。

（2）表达载体元件选择
启动子与增强子：CMV启动子、 SV40启动子、 EF-1α启动子、 CAG启动子等
PolyA：BGH PolyA、 SV40 PolyA等
筛选标记：代谢型筛选标记MTX/MSX， 抗生素筛选标记等

（3）位置效应与整合位点优化
染色质开放元件、 支架区/基质附着区（S/MAR） 、 FRT/FLP系统、 Cre-loxp系统 

VIRUS-Free™基因导入系统优势：

· 稳定整合效率高
· 插入片段大小不受限制
· 表型稳定

 

2. 基因定点整合

使用重组酶系统进行基因定点整合：
首先需要构建平台细胞， 利用模式蛋白（如 GFP 等） 筛选得到宿主细胞基因组中的高表达位点，之后利用 重组酶的特异性， 实现目的基因在该位点的定点整合。
如Flp/FRT 重组酶、 Cre/loxp 重组酶、PhiC31 重组酶、 Bxb1 重组酶等重组酶系统

3. 工程化细胞株驯化和改造

宿主细胞关键调节基因上调或者下调表达

靶向CHO细胞关键调节基因， 通过基因工程手段改造和驯化产生CHO细胞亚系，使表现出更好的凋亡抗性、 代谢、 糖基化、 蛋白表达、 细胞周期调节、 增殖、 分泌或细胞骨架动力学。

4. 从实际细胞株构建问题中排查优化
对于一个表达量低于预期的抗体， 可选取一个参考表达量正常的抗体进行对照进行研究：
（1） 探究整合位点的异质性影响
（2） 探究表达产物对细胞是否有影响
（3） 探究基因转录水平是否正常
（4） 探究目的蛋白的分泌情况
（5） 探究目的蛋白的折叠装配情况

苏州海星生物的主营业务是细胞基因编辑相关的产品研发与技术服务，主要为临床研究、细胞基因功能研究、基因诊断的企业和学术研究机构提供技术服务和产品。 海星生物的发展愿景是：“为科研加速，为工业赋能！”，打造全球齐全的基因编辑细胞库和基因编辑技术平台。