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Le cellule CHO nella bioproduzione: applicazioni e innovazioni

Derivata dall'ovaio di un criceto cinese, la linea cellulare CHO è un pilastro della ricerca medica e biologica grazie alla sua ampia gamma di applicazioni. Questa linea cellulare di mammifero offre infinite possibilità, dalla produzione di proteine ricombinanti all'espressione genica, allo screening di tossicità, alla nutrizione e agli studi genetici.

📋 Linea cellulare CHO — Informazioni essenziali
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BSL-1
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Il nostro articolo approfondisce l'affascinante mondo delle cellule CHO, esplorando come queste cellule abbiano rivoluzionato la ricerca biofarmaceutica e aperto la strada a terapie salvavita. Preparatevi a svelare i segreti delle potenti cellule CHO e a scoprire come guidano progressi rivoluzionari in medicina e oltre! Imparerete tutto ciò che c'è da sapere prima di iniziare, tra cui:

Cos'è la linea cellulare CHO?

Sin dalla loro creazione nel 1957 da parte di Theodore T. Puck, le cellule ovariche di criceto cinese (CHO) sono diventate un punto fermo nella ricerca biologica e medica grazie alla loro rapida crescita e all'elevata produzione di proteine. Queste cellule epiteliali, derivate dall'ovaio del criceto cinese, sono ampiamente utilizzate nella biofabbricazione, nella genetica, nello screening di tossicità, nella nutrizione e negli studi sull'espressione genica.

Le cellule CHO sono in grado di produrre proteine con modificazioni post-traduzionali (PTM) simili a quelle presenti nell’uomo. Sono inoltre carenti nella sintesi della prolina e non esprimono il recettore del fattore di crescita epidermico (EGFR), il che le rende ideali per lo studio di varie mutazioni dell’EGFR.

Nella biofabbricazione, le cellule CHO sono ampiamente utilizzate per la produzione di anticorpi monoclonali, proteine ricombinanti e vaccini. Più di 60 proteine terapeutiche prodotte con cellule CHO sono state approvate per la produzione e il loro uso continua ad espandersi. Il nostro articolo esamina le straordinarie proprietà e le diverse applicazioni delle cellule CHO, sottolineando il loro ruolo cruciale nel promuovere i progressi nella biomedicina e oltre. Preparatevi a esplorare l'affascinante mondo delle cellule CHO e a scoprire il loro potenziale senza pari nella ricerca biomedica!

Chinese hamster

Cellule CHO: la scelta preferita dall'industria biofarmaceutica per la produzione di proteine ricombinanti

Nel settore biotecnologico, le cellule di ovaio di criceto cinese (CHO) sono spesso utilizzate per creare prodotti biofarmaceutici come anticorpi monoclonali, proteine ricombinanti e vaccini.

Anche se forse non ne siete consapevoli, se avete mai seguito una terapia con anticorpi monoclonali, la colpa potrebbe essere delle cellule ovariche di criceto cinese (CHO). Queste cellule adattabili sono spesso utilizzate dall’industria biofarmaceutica per produrre proteine ricombinanti impiegate nella ricerca biomedica, nella diagnostica e in una varietà di terapie. Le terapie a base di proteine chiamate anticorpi monoclonali (mAb) sono utilizzate per trattare una varietà di malattie, come il cancro, le condizioni autoimmuni e le malattie infettive. Poiché subiscono modificazioni post-traduzionali simili a quelle delle cellule umane, le cellule CHO sono spesso utilizzate per produrre mAb. Queste modificazioni sono necessarie affinché tali terapie funzionino correttamente.

Le proteine create tramite ingegneria genetica sono note come proteine ricombinanti. Oltre ad essere reagenti di ricerca, possono essere utilizzate anche come terapie e strumenti diagnostici. Poiché possono subire modificazioni post-traduzionali e presentano glicosilazioni complesse simili a quelle delle cellule umane, le cellule CHO sono particolarmente adatte alla produzione di proteine ricombinanti grazie alla loro rapida crescita, all'elevata espressione proteica e alla capacità di produrre grandi quantità di proteine. Con rese che vanno da 3 a 10 grammi per litro di coltura, la linea cellulare CHO rappresenta una svolta nel settore biofarmaceutico grazie alla sua impareggiabile capacità di produrre in massa proteine terapeutiche. Le cellule CHO sono ora una componente vitale della biomedicina contemporanea grazie all'ottimizzazione genetica, che aumenta la loro capacità di generare grandi quantità di proteine ricombinanti.

I vaccini sono prodotti biofarmaceutici utilizzati per prevenire e curare le infezioni causate da virus e batteri. I vaccini contro il COVID-19 sono tra quelli realizzati con cellule CHO. Gli scienziati hanno creato una serie di tecniche, tra cui l'ingegneria genetica, l'ottimizzazione dei terreni di coltura e lo sviluppo di processi, per migliorare le prestazioni delle cellule CHO nella produzione di prodotti biofarmaceutici. Queste tecniche hanno portato alla creazione di sistemi di coltura ad alto rendimento e a basso costo per la produzione di prodotti biofarmaceutici utilizzando cellule CHO. L'ampia gamma di applicazioni delle cellule CHO include:

Stabilimento di produzione farmaceutica.

Le cellule CHO nella produzione biofarmaceutica

Le cellule CHO vengono utilizzate per produrre vari prodotti bioterapici, tra cui proteine ricombinanti e anticorpi monoclonali impiegati nel trattamento di malattie quali il cancro, i disturbi autoimmuni e le malattie infettive. L'adozione delle cellule CHO nei prodotti biofarmaceutici è in gran parte dovuta alla loro capacità di eseguire modificazioni post-traduzionali simili a quelle delle cellule umane, rendendole ospiti mammiferi ideali per la produzione di proteine terapeutiche compatibili con l'uomo. La comprensione completa dei profili proteici delle cellule ospiti CHO e l'implementazione delle tecniche ELISA per le proteine delle cellule ospiti sono fondamentali per garantire la purezza e la sicurezza dei prodotti biofarmaceutici realizzati nei sistemi cellulari CHO. Di conseguenza, le cellule CHO hanno consolidato la loro posizione come piattaforma multifunzionale nell'industria biotecnologica.

Progressi nella produzione di anticorpi basati su cellule CHO

Le cellule CHO sono ampiamente utilizzate nella produzione di anticorpi monoclonali, che hanno rivoluzionato il campo della biomedicina fornendo terapie mirate per varie malattie. Le cellule CHO sono diventate la pietra angolare nell'espressione di anticorpi ricombinanti e nella produzione di terapie proteiche grazie alla loro capacità di ripiegare, assemblare e modificare correttamente le proteine umane. La produzione di anticorpi con cellule CHO si è evoluta grazie ai miglioramenti nelle tecniche di coltura cellulare e nell'ingegneria delle cellule CHO, portando a cellule CHO di alta qualità che sono fondamentali per lo sviluppo di prodotti biofarmaceutici. Sono stati applicati approcci biotecnologici completi, tra cui la tecnologia del DNA e sofisticati metodi di coltura cellulare, per ottimizzare i sistemi di cellule CHO e aumentare l'efficienza della produzione di anticorpi.

Biologia molecolare e ingegneria delle cellule CHO

La fusione delle tecniche di biologia molecolare con la coltura delle cellule CHO ha portato alla creazione di linee cellulari CHO transgeniche e alla manipolazione di mutanti delle cellule di criceto cinese per ottenere i tratti desiderati. Questi progressi nell'ingegneria cellulare e nella tecnologia del DNA hanno facilitato lo sviluppo di cellule CHO in grado di produrre proteine ricombinanti specifiche con elevata efficacia. L'esplorazione di approcci di coltura di cellule eucariotiche, comprese le cellule CHO e HeLa, ha contribuito a una migliore comprensione dei meccanismi cellulari e all'ottimizzazione delle colture di cellule di mammiferi per la produzione di proteine terapeutiche.

Ma non è tutto! Le cellule CHO hanno altre affascinanti applicazioni nella ricerca biomedica, tra cui:

  • Screening di tossicità: le cellule CHO sono utilizzate per valutare la tossicità dei farmaci, compresi gli agenti terapeutici antitumorali e antivirali. Ad esempio, uno studio ha esplorato l'attività specifica contro il cancro al seno degli acidi grassi derivati dalle microalghe antartiche utilizzando le cellule CHO come linea cellulare di controllo.
  • Espressione genica: le cellule CHO vengono utilizzate per esprimere geni in modo stabile e transitorio per studi sulla funzione genica o per la produzione mirata di proteine. Gli strumenti di editing genetico vengono utilizzati per sviluppare modelli di knock-in e knockout genico nelle linee cellulari CHO.

Prospettive future nella ricerca sulle cellule CHO

La ricerca e lo sviluppo in corso sui sistemi di cellule CHO si concentrano sul miglioramento dell'efficienza e della versatilità di queste cellule nella produzione biofarmaceutica. Poiché le cellule CHO rimangono all'avanguardia nella terapia con proteine ricombinanti, il loro ruolo nel futuro della medicina e della biotecnologia è significativo e promette nuovi progressi nello sviluppo di anticorpi e nella produzione di trattamenti salvavita.

Scopri i vantaggi delle potenti cellule CHO

Ecco alcuni vantaggi chiave della linea cellulare CHO che la rendono uno strumento di ricerca interessante.

  1. Facilità di coltura: le procedure e le condizioni di coltura della linea cellulare CHO non sono complesse. Queste cellule sono resistenti e in grado di tollerare variazioni di temperatura e di pH. Sono quindi ideali per la coltura su larga scala.
  2. Modifiche post-traduzionali: queste cellule sono simili alle cellule umane e in grado di produrre modifiche post-traduzionali simili. Pertanto, le cellule CHO possono essere utilizzate per produrre prodotti biologici biocompatibili con un'eccellente attività farmaceutica.
  3. Elevata produttività: le cellule CHO sono ampiamente utilizzate per la produzione di elevate quantità di proteine ricombinanti. L'ottimizzazione genetica della linea cellulare CHO ha portato a una produzione di circa 3-10 grammi di proteine per litro di coltura.
  4. Espressione genica: le cellule CHO sono facili da trasfettare; pertanto, sono frequentemente utilizzate per studi di espressione transitoria e stabile. Inoltre, molti strumenti genetici vengono utilizzati per sviluppare modelli di knock-in e knockout genico utilizzando la linea cellulare CHO.
  5. Approvazioni governative: le cellule CHO sono state utilizzate in quasi 50 prodotti bioterapici approvati negli Stati Uniti e nell'Unione Europea.
  6. Bassa suscettibilità ai virus: grazie alla loro origine da criceto, il rischio di propagazione di virus umani è ridotto, diminuendo le perdite di produzione e aumentando la biosicurezza.

Caratteristiche principali delle cellule CHO

  • Morfologia: le cellule CHO presentano un aspetto simile a quello delle cellule epiteliali, con una forma allungata e simile a quella dei fibroblasti. Sono aderenti e crescono tipicamente in monostrati.

  • Dimensioni cellulari: il diametro medio delle cellule CHO è compreso tra 12 e 14 μm.

  • Genoma e ploidia: le cellule CHO sono aneuploidi e possiedono 21 cromosomi, il che differisce dal numero di cromosomi euploidi riscontrato nel criceto cinese. Il cariotipo delle cellule CHO è caratterizzato da molteplici riarrangiamenti strutturali, tra cui la perdita parziale del cromosoma 2 e del materiale X. 

CHO cells mid confluent and at a high confluency

Immagini al microscopio di cellule CHO: ad alta confluenza (a sinistra) e con una confluenza di circa il 50% (a destra).

Confronto tra la linea cellulare CHO e la linea cellulare CHO-K1

Da quando la linea cellulare CHO originale è stata descritta nel 1956, sono state create molte varianti della linea cellulare per vari scopi. La linea CHO-K1 è stata generata da un singolo clone di cellule CHO nel 1957, mentre la linea CHO-DXB11 (nota anche come CHO-DUKX) è stata successivamente ottenuta tramite mutagenesi con etilmetansolfonato. Tuttavia, la loro utilità era limitata a causa della loro capacità di tornare all'attività DHFR una volta mutagenizzate. Successivamente, le cellule CHO sono state mutagenizzate con radiazioni gamma per produrre la linea CHO-DG44, in cui entrambi gli alleli DHFR sono stati completamente eliminati. Questi ceppi privi di DHFR richiedono glicina, ipoxantina e timidina per la crescita e sono ampiamente utilizzati per la produzione industriale di proteine. Da allora si sono diffusi altri sistemi di selezione e si è dimostrato che cellule ospiti come CHO-K1, CHO-S e CHO-Pro minus producono livelli elevati di proteine. A causa dell'instabilità genetica, queste linee cellulari sono spesso coltivate in terreni privi di componenti animali o chimicamente definiti in bioreattori a coltura in sospensione. Sono state inoltre discusse le complessità della genetica delle cellule CHO e della derivazione clonale.

Sbloccare le scoperte con le nostre cellule CHO

Dieci consigli per la coltura delle cellule CHO

  1. La linea cellulare CHO è una linea cellulare che richiede poca manutenzione ed è facile da coltivare.
  2. Le cellule CHO hanno un tempo di raddoppio della popolazione rapido, compreso tra 14 e 17 ore.
  3. Le cellule CHO sono aderenti e crescono come monostrati oppure possono essere adattate per crescere in sospensione.
  4. Sottocoltivare le cellule CHO all'80–90% di confluenza utilizzando Accutase.
  5. Seminare le cellule CHO a una densità cellulare di 1 x 104 cellule/cm² per ottenere un monostrato confluente in circa 4 giorni.
  6. Per una coltura ottimale, utilizzare una miscela 50:50 di DMEM e Ham's F12 integrata con 5% di FBS e L-glutammina.
  7. Rinnovare il terreno di coltura 2-3 volte alla settimana.
  8. Coltivare le cellule CHO in un incubatore umidificato con aggiunta del 5% di CO₂ gassosa a 37 °C.
  9. Conservare le cellule CHO nella fase vapore o liquida dell’azoto liquido (-196 °C).
  10. Seguire le linee guida di biosicurezza di livello 1 per la manipolazione e la coltura della linea cellulare CHO.

Protocolli, video e pubblicazioni recenti sulle cellule CHO

Ecco alcune risorse eccellenti da esplorare per approfondire la coltura e la manutenzione della linea cellulare CHO.

  1. Un protocollo completo di coltura cellulare sulle cellule CHO: questo link può aiutarti a imparare tutto sulla subcoltura e la trasfezione delle cellule CHO.
  2. Cellule CHO: questo sito fornisce informazioni di base sulla coltura cellulare della linea cellulare CHO, tra cui la divisione, la conservazione, il congelamento e lo scongelamento delle cellule, ecc.
  3. Scongelamento delle cellule CHO: questo video mostra un protocollo esemplare per lo scongelamento delle cellule CHO congelate.

Protocolli di trasfezione per la linea cellulare CHO

Le cellule CHO sono altamente suscettibili alla trasfezione genica sia transitoria che stabile. Ecco alcune risorse che forniscono informazioni utili sui protocolli di trasfezione della linea cellulare CHO.

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Pubblicazioni di ricerca interessanti che utilizzano cellule CHO

Di seguito sono riportati i riassunti di vari studi che hanno utilizzato cellule CHO:

  1. Studio: "Produzione rapida e ad alto rendimento dell'ectodominio spike SARS-CoV-2 a lunghezza intera tramite espressione genica transitoria in cellule CHO" (2021)

    • Scopo: Esprimere l'ectodominio spike del SARS-CoV-2 nelle cellule CHO utilizzando tre metodi di trasfezione transitoria per ottenere un'elevata produttività.
    • Metodologia: le cellule CHO sono state trasfettate con plasmidi che codificano l'ectodominio spike SARS-CoV-2 a lunghezza intera utilizzando tre metodi di trasfezione transitoria. L'espressione proteica è stata valutata mediante ELISA e Western blot.
    • Risultati chiave: Tutti e tre i metodi di trasfezione transitoria hanno mostrato alti livelli di espressione proteica, con la resa più elevata ottenuta dal metodo della polietilenimmina.

  2. Studio: "Ingegnerizzazione di una linea cellulare CHO stabile per l'espressione di un antigene del vaccino contro il coronavirus MERS" (2018)

    • Scopo: Produrre l'antigene del coronavirus MERS in cellule CHO da utilizzare come futuro candidato vaccino.
    • Metodologia: Le cellule CHO sono state trasfettate con un plasmide che codifica l'antigene del coronavirus MERS e selezionate per l'espressione stabile utilizzando la geneticina. L'espressione proteica è stata valutata mediante ELISA e Western blot.
    • Risultati chiave: La linea cellulare CHO stabile ha mostrato alti livelli di espressione proteica e stabilità nel corso di più passaggi.

  3. Studio: "Attività citotossica degli acidi grassi delle macroalghe antartiche sulla crescita delle cellule tumorali del seno umano" (2018)

    • Scopo: Utilizzare le cellule CHO come controllo per valutare la tossicità degli agenti antitumorali sulle cellule normali.
    • Metodologia: Le cellule CHO sono state coltivate e trattate con acidi grassi provenienti da macroalghe antartiche, e la vitalità cellulare è stata valutata utilizzando il test MTT.
    • Risultati chiave: Gli acidi grassi delle macroalghe antartiche non hanno mostrato effetti citotossici sulle cellule CHO, suggerendo un potenziale utilizzo come agente antitumorale con selettività per le cellule tumorali.

  4. Studio: "Il knockout del gene della caspasi-7 migliora l'espressione della proteina ricombinante nella linea cellulare CHO attraverso l'arresto del ciclo cellulare nella fase G2/M" (2022)

    • Scopo: Manipolare geneticamente le cellule CHO per migliorare l'espressione delle proteine ricombinanti.
    • Metodologia: il gene della caspasi-7 è stato inattivato nelle cellule CHO utilizzando la tecnologia CRISPR/Cas9 e l'espressione proteica è stata valutata mediante Western blot e microscopia a fluorescenza.
    • Risultati chiave: Il knockout del gene caspasi-7 nelle cellule CHO ha portato a un miglioramento dell'espressione proteica, probabilmente dovuto all'arresto del ciclo cellulare in fase G2/M causato dalla perdita di caspasi-7.

  5. Studio: "Sviluppo di una linea cellulare CHO per la produzione stabile di anticorpi ricombinanti contro l'MMP9 umana" (2015)

    • Scopo: Produrre anticorpi monoclonali contro la proteina MMP9 umana nelle cellule CHO.
    • Metodologia: Le cellule CHO sono state trasfettate con plasmidi che codificano l'anticorpo contro l'MMP9 umana e selezionate per l'espressione stabile utilizzando la geneticina. L'espressione proteica è stata valutata mediante ELISA e Western blot.
    • Risultati chiave: La linea cellulare CHO stabile ha mostrato alti livelli di espressione dell'anticorpo e stabilità nel corso di più passaggi, suggerendo un potenziale utilizzo in applicazioni terapeutiche mirate all'MMP9 umana.

Domande frequenti sulle cellule CHO

Le cellule CHO (Chinese Hamster Ovary) sono un tipo di linea cellulare derivata dall'ovaio del criceto cinese. Sono ampiamente utilizzate nella ricerca biologica e medica per vari scopi, tra cui la produzione di proteine ricombinanti, lo studio della funzione genica e lo sviluppo di farmaci terapeutici.
Le cellule CHO sono preferite per la produzione di proteine grazie alla loro capacità di eseguire modifiche post-traslazionali simili a quelle delle cellule umane. Questo fa sì che le proteine prodotte dalle cellule CHO abbiano maggiori probabilità di essere simili alle proteine umane in termini di struttura e funzione, il che è importante per le applicazioni terapeutiche.
Le cellule CHO sono adatte alla trasfezione, il processo di introduzione di DNA estraneo nelle cellule, in quanto accettano ed esprimono prontamente geni estranei. Questo le rende ideali per gli studi di espressione genica e la produzione di proteine ricombinanti.
Le cellule CHO sono comunemente utilizzate per la produzione di anticorpi perché possono essere ingegnerizzate per produrre alti livelli di anticorpi e possono eseguire modifiche post-traduzionali simili a quelle umane, assicurando che gli anticorpi siano funzionali e con minori probabilità di essere riconosciuti come estranei dal sistema immunitario umano.
Le cellule CHO sono importanti nella ricerca biotecnologica e farmaceutica per la loro versatilità nell'esprimere un'ampia gamma di proteine, la compatibilità con l'elaborazione delle proteine umane e la scalabilità dei processi produttivi, che le rendono una pietra miliare nello sviluppo di biofarmaci.
Le cellule CHO sono diventate comuni grazie alla loro genetica stabile, alla facilità di coltivazione, all'elevata produttività e alla capacità di replicare accuratamente le modifiche delle proteine umane, che le rendono una scelta affidabile ed efficiente per la produzione di proteine su scala industriale.
Le cellule CHO producono lattato come sottoprodotto della glicolisi anaerobica, una via metabolica che fornisce energia in condizioni di scarso ossigeno o quando la richiesta di energia supera la capacità della fosforilazione ossidativa. La produzione di lattato è anche influenzata dall'ingegneria metabolica delle cellule per ottimizzare i tassi di crescita e produzione.
I vantaggi delle cellule CHO includono la capacità di eseguire complesse modifiche post-traslazionali, l'elevata scalabilità e la robustezza in varie condizioni di coltivazione. Gli svantaggi possono includere il rischio di contaminazione virale, la complessa e costosa lavorazione a valle richiesta e le potenziali differenze rispetto ai modelli di glicosilazione umani.
Le cellule CHO hanno bisogno di glutammina come nutriente critico per la produzione di energia, la biosintesi di proteine e nucleotidi e come fonte di carbonio nel ciclo TCA, a sostegno della crescita e del mantenimento delle cellule.
Le cellule CHO sono eucariotiche, capaci di modifiche post-traduzionali e utilizzate per la produzione di proteine complesse. Le cellule E. coli sono procariotiche e vengono utilizzate per la produzione di proteine più semplici e ad alto rendimento, ma non dispongono dei macchinari per le modifiche post-traduzionali avanzate.
Le cellule HEK 293 sono cellule di rene embrionale umano note per l'elevata efficienza di trasfezione e per l'elaborazione di proteine simili a quelle umane, mentre le cellule CHO derivano da cellule ovariche di criceto e sono favorite per la loro crescita robusta e la scalabilità nella produzione di proteine.
Per una crescita e una produttività ottimali, le cellule CHO necessitano spesso di siero nel loro terreno di coltura, che fornisce gli ormoni, i fattori di crescita e i nutrienti necessari, anche se per applicazioni specifiche sono stati sviluppati terreni privi di siero.
Le cellule CHO possono essere ingegnerizzate per essere ricombinanti, cioè modificate geneticamente per esprimere geni estranei, il che le rende uno strumento chiave nella produzione di proteine ricombinanti per uso terapeutico.
Sì, le cellule CHO possono essere modificate per secernere alti livelli di anticorpi, il che le rende una scelta primaria per la produzione di anticorpi monoclonali terapeutici.
Le cellule convertono il piruvato in lattato in condizioni anaerobiche o quando la richiesta di energia supera la capacità della fosforilazione ossidativa mitocondriale, permettendo alla glicolisi di continuare a produrre ATP e NAD.

Riferimenti

  1. Reinhart, D., et al., Bioprocessing of Recombinant CHO‐K1, CHO‐DG44, and CHO‐S: CHO Expression hosts favor either mAb production or biomass synthesis. Biotechnology journal, 2019. 14(3): p. 1700686.
  2. Pan, X., et al., Caratterizzazione metabolica di una fase di aumento delle dimensioni delle cellule CHO in colture fed-batch. Microbiologia applicata e biotecnologia, 2017. 101: p. 8101–8313.
  3. Turilova, V.I., T.S. Goryachaya e T.K. Yakovleva, Linea cellulare di ovaio di criceto cinese DXB-11: instabilità cromosomica ed eterogeneità del cariotipo. Cytogenetica molecolare, 2021, 14(1): pagg. 1–12.
  4. Hunter, M., et al., ottimizzazione dell'espressione proteica nelle cellule di mammiferi. Protocolli attuali nella scienza delle proteine, 2019. 95(1): p. e77.
  5. Nyon, M.P., et al., Ingegnerizzazione di una linea cellulare CHO stabile per l'espressione di un antigene del vaccino contro il coronavirus MERS. Vaccine, 2018. 36(14): pp. 1853–1862.
  6. Pacheco, B.S., et al., Attività citotossica degli acidi grassi delle macroalghe antartiche sulla crescita delle cellule tumorali del seno umano. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2018. 6: p. 185.
  7. Ryu, J., et al., Sviluppo di una linea cellulare CHO per la produzione stabile di anticorpi ricombinanti contro l'MMP9 umano. BMC biotechnology, 2022. 22(1): p. 8.

 

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