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バイオ生産におけるCHO細胞：応用と革新

チャイニーズハムスターの卵巣由来である CHO細胞株は、その幅広い応用範囲から、医学および生物学研究の要となっています。この哺乳類細胞株は、組換えタンパク質の生産から遺伝子発現、毒性スクリーニング、栄養学、遺伝学研究に至るまで、無限の可能性を秘めています。

📋 CHO細胞株 — 基本情報
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本記事では、CHO細胞の魅力的な世界について深く掘り下げ、これらの細胞がバイオ医薬品研究に革命をもたらし、命を救う治療法への道を開いた経緯を探ります。強力なCHO細胞の秘密を解き明かし、それらが医学をはじめとする様々な分野でいかに画期的な進歩を牽引しているかを発見しましょう！始める前に知っておくべきすべてを学べます。内容は以下の通りです：

CHO細胞株とは？

1957年にセオドア・T・パックによって樹立されて以来、チャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞は、その急速な増殖と高いタンパク質産生能力により、生物学および医学研究において欠かせない存在となっています。 チャイニーズハムスターの卵巣に由来するこれらの上皮細胞は、バイオ製造、遺伝学、毒性スクリーニング、栄養学、および遺伝子発現の研究で広く使用されています。

CHO 細胞は、ヒトに見られるものと同様の翻訳後修飾（PTM）を受けたタンパク質を産生することができます。また、プロリン合成能力に欠け、上皮成長因子受容体（EGFR）を発現しないため、さまざまな EGFR 変異の調査に理想的です。

バイオ製造分野では、CHO細胞はモノクローナル抗体、組換えタンパク質、ワクチンの生産に広く利用されています。CHO細胞を用いて製造された60種類以上の治療用タンパク質が承認されており、その用途は拡大し続けています。 本記事では、CHO細胞の卓越した特性と多様な応用例に焦点を当て、生物医学およびその他の分野における進歩を牽引するその重要な役割を強調します。CHO細胞の魅力的な世界を探求し、生物医学研究におけるその比類なき可能性を発見する準備をしましょう！

Chinese hamster

CHO細胞：バイオ医薬品業界における組換えタンパク質生産の定番

バイオテクノロジー業界では、モノクローナル抗体、組換えタンパク質、ワクチンなどのバイオ医薬品を製造するために、チャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞が頻繁に使用されています。

ご存じないかもしれませんが、もしあなたがモノクローナル抗体療法を受けたことがあるなら、その背景にはチャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞の存在があるかもしれません。この適応性の高い細胞は、バイオ医薬品業界において、生物医学研究、診断、そして様々な治療薬に使用される組換えタンパク質の生産に頻繁に利用されています。 モノクローナル抗体（mAb）と呼ばれるタンパク質ベースの治療薬は、がん、自己免疫疾患、感染症など、様々な病気の治療に用いられています。 CHO細胞は、ヒト細胞と同様の翻訳後修飾を行うため、mAbsの製造に頻繁に使用されます。これらの修飾は、治療薬が適切に機能するために不可欠です。

遺伝子工学によって作られるタンパク質は、組換えタンパク質として知られています。これらは研究用試薬としてだけでなく、治療薬や診断薬としても利用されます。 CHO細胞は、翻訳後修飾を受け、ヒト細胞に見られるものと同様の複雑な糖鎖構造を持つため、その急速な増殖、高いタンパク質発現能、および大量のタンパク質を発現する能力により、組換えタンパク質の製造に特に適しています。 培養液1リットルあたり3～10グラムの収量を実現するCHO細胞株は、治療用タンパク質を大量生産する比類なき能力により、バイオ医薬品分野において画期的な存在となっています。 CHO細胞は、遺伝子最適化によって組換えタンパク質を大量に生成する能力が高められ、現代の生物医学において不可欠な要素となっています。

ワクチンは、ウイルスや細菌による感染症の予防および治療に使用されるバイオ医薬品です。COVID-19ワクチンは、CHO細胞を用いて製造されるものの一つです。 科学者たちは、バイオ医薬品の生産におけるCHO細胞の性能を向上させるため、遺伝子工学、培地最適化、プロセス開発など、数多くの技術を開発してきました。これらの技術により、CHO細胞を用いたバイオ医薬品の生産に向けた、高収率かつ低コストの培養システムが確立されました。 CHO細胞の幅広い用途には、以下が含まれます：

医薬品製造施設。

バイオ医薬品製造におけるCHO細胞

CHO細胞は、がん、自己免疫疾患、感染症などの治療に用いられる組換えタンパク質やモノクローナル抗体を含む、様々なバイオ医薬品の製造に使用されています。 バイオ医薬品分野でCHO細胞が採用されている主な理由は、ヒト細胞と同様の翻訳後修飾を行う能力にあり、これによりCHO細胞はヒトと適合性のある治療用タンパク質を生産するための理想的な哺乳類宿主となっています。 CHO宿主細胞のタンパク質プロファイルに対する包括的な理解と、宿主細胞タンパク質ELISA技術の導入は、CHO細胞システムで製造されるバイオ医薬品の純度と安全性を確保するために不可欠です。その結果、CHO細胞はバイオテクノロジー産業における多機能プラットフォームとしての地位を確固たるものにしています。

CHO細胞を用いた抗体生産の進展

CHO細胞は、様々な疾患に対する標的療法を提供することで生物医学の分野に革命をもたらしたモノクローナル抗体の生産に広く利用されている。CHO細胞は、ヒトタンパク質を正しく折りたたみ、組み立て、修飾する能力を持つため、組換え抗体の発現およびタンパク質治療薬の生産における礎となっている。 CHO細胞を用いた抗体生産は、細胞培養技術とCHO細胞工学の進歩に伴い進化し、バイオ医薬品の開発に不可欠な高品質なCHO細胞が生み出されています。DNA技術や高度な細胞培養法を含む包括的なバイオテクノロジー的手法が適用され、抗体生産効率の向上に向けてCHO細胞システムが最適化されています。

分子生物学とCHO細胞工学

分子生物学的手法とCHO細胞培養の融合により、トランスジェニックCHO細胞株の作製や、所望の形質を得るためのチャイニーズハムスター細胞変異体の操作が可能となった。細胞工学およびDNA技術におけるこれらの進歩は、特定の組換えタンパク質を高効率で産生できるCHO細胞の開発を促進した。 CHO細胞やHeLa細胞を含む真核細胞培養法に関する研究は、細胞メカニズムの理解を深め、治療用タンパク質生産のための哺乳類細胞培養の最適化に寄与してきました。

しかし、それだけではありません！CHO細胞には、生物医学研究において他にも次のような魅力的な応用があります：

  • 毒性スクリーニング：CHO細胞は、抗がん剤や抗ウイルス治療薬を含む医薬品の毒性を評価するために使用されます。例えば、ある研究では、CHO細胞を対照細胞株として用いて、南極微細藻類由来の脂肪酸の抗乳がん特異的活性を調査しました。
  • 遺伝子発現：CHO細胞は、遺伝子機能の研究や標的タンパク質の生産を目的として、遺伝子の安定発現および一過性発現に用いられます。また、遺伝子編集ツールを用いて、CHO細胞株における遺伝子ノックインおよびノックアウトモデルが開発されています。

CHO細胞研究の将来展望

CHO細胞システムにおける継続的な研究開発は、バイオ医薬品生産におけるこれらの細胞の効率と汎用性の向上に焦点を当てています。CHO細胞は組換えタンパク質治療薬の最前線にあり続けるため、医療およびバイオテクノロジーの未来におけるその役割は極めて重要であり、抗体開発や人命を救う治療法の生産における新たな進歩が期待されています。

「強力なCHO細胞」のメリットを発見

CHO細胞株が魅力的な研究ツールである理由となる主な利点を以下に示します。

  1. 培養の容易さ：CHO細胞株の培養手順や条件は、それほど厳密ではありません。これらの細胞は頑強で、温度やpHの変化にも耐えることができます。そのため、大規模培養に最適です。
  2. 翻訳後修飾：これらの細胞はヒト細胞に類似しており、同様の翻訳後修飾を生成することができます。したがって、CHO細胞は、優れた薬理活性を備えた生体適合性の高い生物学的製剤の生産に使用できます。
  3. 高い生産性：CHO細胞は、組換えタンパク質を高収率で生産するために広く利用されています。CHO細胞株の遺伝的最適化により、培養液1リットルあたり約3～10グラムのタンパク質が得られるようになりました。
  4. 遺伝子発現：CHO細胞はトランスフェクションが容易であるため、一過性および安定発現の研究に頻繁に利用されています。さらに、CHO細胞株を用いた遺伝子ノックインおよびノックアウトモデルの開発には、多くの遺伝子工学ツールが活用されています。
  5. 政府の承認：CHO細胞は、米国およびEUで承認された約50種類の生物学的製剤に使用されています。
  6. ウイルス感受性の低さ：ハムスター由来であるため、ヒトウイルスの増殖リスクが低減され、生産ロスの削減とバイオセーフティの向上が図られます。

CHO細胞の主な特徴

  • 形態：CHO細胞は、細長く線維芽細胞のような形状をしており、上皮細胞に似た外観を示します。これらは接着性であり、通常は単層で増殖します。

  • 細胞サイズ：CHO細胞の平均直径は12～14μmです。

  • ゲノムと倍数性：CHO細胞は異数性であり、21本の染色体を有しています。これは、チャイニーズハムスターに見られる整数性の染色体数とは異なります。CHO細胞の核型は、2番染色体およびX染色体領域の部分的な欠失を含む、複数の構造的再編成を特徴としています。 

CHO cells mid confluent and at a high confluency

CHO細胞の顕微鏡写真：高密度培養時（左）と約50%の密接度時（右）。

CHO細胞株とCHO-K1細胞株の比較

1956年に最初のCHO細胞株が報告されて以来、様々な目的のために多くの派生株が作成されてきた。 CHO-K1は1957年にCHO細胞の単一クローンから作製され、その後、CHO-DXB11（CHO-DUKXとしても知られる）がエチルメタンスルホン酸による突然変異誘発によって作製された。 しかし、これらは変異誘発後に DHFR 活性に復帰してしまうため、その有用性は限定的でした。その後、CHO 細胞にガンマ線を照射して変異を誘発し、DHFR の両対立遺伝子が完全に除去された CHO-DG44 が作製されました。 これらのDHFR欠損株は、増殖にグリシン、ヒポキサンチン、チミジンを必要とし、工業的なタンパク質生産に広く利用されている。その後、他の選択系も普及し、CHO-K1、CHO-S、CHO-Pro minusなどの宿主細胞も高レベルのタンパク質を産生することが示されている。 遺伝的不安定性のため、これらの細胞株は、懸濁培養バイオリアクター内で、動物由来成分を含まない培地または化学的に定義された培地を用いて培養されることが多い。また、CHO細胞の遺伝学およびクローン由来に関する複雑さについても議論された。

CHO細胞でブレークスルーを起こす

CHO細胞の培養に関する10のヒント

  1. CHO細胞株は、維持管理が容易で培養しやすい細胞株です。
  2. CHO細胞の細胞数倍加時間は14～17時間と短いです。
  3. CHO細胞は接着性細胞であり、単層として増殖しますが、浮遊培養にも適応させることができます。
  4. Accutase を使用して、80～90% のコンフルエント時に CHO 細胞を継代してください。
  5. CHO 細胞を 1 x 104 細胞/cm2 の細胞密度で播種すると、約 4 日でコンフルエントな単層が形成されます。
  6. 最適な培養を行うには、5% FBS および L-グルタミンを添加した DMEM と Ham's F12 を 50:50 の比率で混合した培地を使用してください。
  7. 培養液は週に 2～3 回交換してください。
  8. CHO 細胞は、37°C、5% CO2 を添加した加湿インキュベーターで培養します。
  9. CHO 細胞は、液体窒素の気相または液相（-196°C）で保存してください。
  10. CHO 細胞株の取り扱いおよび培養については、バイオセーフティレベル 1 のガイドラインに従ってください。

CHO 細胞に関するプロトコル、ビデオ、および最近の出版物

CHO細胞株の培養および維持管理について学ぶための、優れたリソースをいくつかご紹介します。

  1. CHO 細胞に関する詳細な細胞培養プロトコル：このリンクでは、CHO 細胞の継代培養およびトランスフェクションに関するあらゆる情報を学ぶことができます。
  2. CHO細胞：このサイトでは、細胞の分割、保存、凍結、解凍など、CHO細胞株に関する基本的な細胞培養情報を提供しています。
  3. CHO細胞の解凍：この動画では、凍結CHO細胞の解凍プロトコルの実例を紹介しています。

CHO細胞株のトランスフェクションプロトコル

CHO細胞は、一過性および安定的な遺伝子導入の両方に非常に適しています。以下は、CHO細胞株のトランスフェクションプロトコルに関する有益な情報を提供するリソースです。

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内容 1.5 milliliter

税抜き価格＋送料

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製品番号 603479

CHO細胞を用いた興味深い研究論文

以下は、CHO細胞を利用した様々な研究の概要です：

  1. 研究：「CHO細胞における一過性遺伝子発現によるSARS-CoV-2スパイクタンパク質全長外ドメインの迅速かつ高収率な生産」（2021年）

    • 目的：高生産性を実現するため、3つの一過性トランスフェクション法を用いてCHO細胞でSARS-CoV-2スパイク外ドメインを発現させること。
    • 方法：3つの一過性トランスフェクション法を用いて、SARS-CoV-2スパイクタンパク質全長外ドメインをコードするプラスミドをCHO細胞にトランスフェクトした。タンパク質の発現はELISAおよびウエスタンブロットにより評価した。
    • 主な結果：3つの一過性トランスフェクション法すべてで高レベルのタンパク質発現が認められ、ポリエチレニミン法で最高の収量が得られた。

  2. 研究：「MERSコロナウイルスワクチン抗原の発現に向けた安定CHO細胞株の作製」（2018年）

    • 目的：将来のワクチン候補として使用するため、CHO細胞においてMERSコロナウイルス抗原を生産すること。
    • 方法：CHO細胞にMERSコロナウイルス抗原をコードするプラスミドをトランスフェクションし、ジェネティシンを用いて安定発現株を選抜した。タンパク質の発現はELISAおよびウエスタンブロットにより評価した。
    • 主な結果：この安定CHO細胞株は、高いレベルのタンパク質発現を示し、複数回の継代にわたって安定性を維持した。

  3. 研究：「ヒト乳がん細胞の増殖に対する南極大型藻類由来脂肪酸の細胞毒性」 (2018)

    • 目的：抗がん剤の正常細胞に対する毒性を評価するための対照としてCHO細胞を用いること。
    • 方法：CHO細胞を培養し、南極大型藻類由来の脂肪酸で処理した後、MTTアッセイを用いて細胞生存率を評価した。
    • 主な知見：南極大型藻類由来の脂肪酸はCHO細胞に対して細胞毒性を示さず、がん細胞に選択的に作用する抗がん剤としての利用の可能性が示唆された。

  4. 研究：「カスパーゼ-7遺伝子のノックアウトは、G2/M期における細胞周期の停止を通じて、CHO細胞株における組換えタンパク質の発現を改善する」（2022年）

    • 目的：組換えタンパク質の発現を改善するために、CHO細胞を遺伝子操作すること。
    • 方法：CRISPR/Cas9技術を用いてCHO細胞でカスパーゼ-7遺伝子をノックアウトし、ウェスタンブロットおよび蛍光顕微鏡法によりタンパク質発現を評価した。
    • 主な結果：CHO細胞におけるカスパーゼ7遺伝子のノックアウトは、カスパーゼ7の喪失によって引き起こされるG2/M期の細胞周期停止により、タンパク質の発現改善をもたらした。

  5. 研究：「ヒトMMP9に対する組換え抗体の安定生産のためのCHO細胞株の開発」（2015年）

    • 目的：CHO細胞においてヒトMMP9タンパク質に対するモノクローナル抗体を生産すること。
    • 方法：CHO細胞にヒトMMP9に対する抗体をコードするプラスミドをトランスフェクトし、ジェネティシンを用いて安定発現株を選抜した。タンパク質の発現はELISAおよびウエスタンブロットにより評価した。
    • 主な知見：この安定化CHO細胞株は、高いレベルの抗体発現を示し、多回の継代にわたって安定性を維持したことから、ヒトMMP9を標的とした治療用途への応用が期待される。

CHO細胞についてよくある質問

CHO（チャイニーズハムスター卵巣）細胞は、チャイニーズハムスターの卵巣由来の細胞株である。組換えタンパク質の生産、遺伝子機能の研究、治療薬の開発など、様々な目的で生物学および医学研究において広く利用されている。
CHO細胞は、ヒト細胞と同様の翻訳後修飾を行う能力があるため、タンパク質生産に好まれる。これによりCHO細胞で生産されるタンパク質は、構造と機能においてヒトタンパク質に類似する可能性が高くなり、治療用途において重要である。
CHO細胞は、外来DNAを細胞内に導入するプロセスであるトランスフェクションに適している。これは、CHO細胞が外来遺伝子を容易に取り込み発現するためである。この特性により、CHO細胞は遺伝子発現研究や組換えタンパク質の生産に理想的な細胞株となっている。
CHO細胞は抗体生産に広く用いられる。これは、高レベルの抗体を産生するよう遺伝子操作が可能であり、ヒトと同様の翻訳後修飾を実行できるためである。これにより抗体の機能性が確保され、ヒト免疫系によって異物として認識される可能性が低くなる。
CHO細胞は、多様なタンパク質の発現能力、ヒトタンパク質処理との適合性、生産プロセスの拡張性といった特性から、バイオテクノロジーおよび医薬品研究において重要であり、バイオ医薬品の開発における基盤技術となっている。
CHO細胞は、遺伝子の安定性、培養の容易さ、高い生産性、ヒトタンパク質修飾を正確に再現する能力により広く普及しており、工業規模のタンパク質生産において信頼性が高く効率的な選択肢となっている。
CHO細胞は、低酸素状態やエネルギー需要が酸化的リン酸化の能力を超える場合にエネルギーを供給する代謝経路である嫌気性解糖の副産物として乳酸を生成する。乳酸生成は、増殖速度と生産速度を最適化するための細胞の代謝工学の影響も受ける。
CHO細胞の利点には、複雑な翻訳後修飾を実行できる能力、高いスケーラビリティ、および様々な培養条件下での頑健性が含まれる。欠点としては、ウイルス汚染のリスク、必要とされる複雑でコストのかかる下流工程、およびヒトの糖鎖パターンとの潜在的な差異が挙げられる。
CHO細胞は、エネルギー産生、タンパク質およびヌクレオチドの生合成、ならびにクエン酸回路における炭素源としてグルタミンを必須栄養素として必要とし、細胞の増殖と維持を支えている。
CHO細胞は真核細胞であり、翻訳後修飾が可能で、複雑なタンパク質生産に使用される。大腸菌細胞は原核細胞であり、より単純で高収量のタンパク質生産に使用されるが、高度な翻訳後修飾を行う機構を欠いている。
HEK 293細胞はヒト胎児腎細胞であり、高いトランスフェクション効率とヒト様タンパク質処理能で知られている。一方、CHO細胞はハムスター卵巣細胞由来であり、タンパク質生産における旺盛な増殖性とスケーラビリティから好まれる。
CHO細胞は最適な増殖と生産性を得るために培養培地に血清を必要とする場合が多く、必要なホルモン、成長因子、栄養素を供給するが、特定の用途向けに血清不含培地も開発されている。
CHO細胞は組換え化が可能であり、つまり外来遺伝子を発現するよう遺伝子操作されているため、治療用組換えタンパク質の生産における重要なツールとなっている。
はい、CHO細胞は高レベルの抗体を分泌するように遺伝子操作が可能であり、治療用モノクローナル抗体の生産における第一選択となっています。
細胞は嫌気性条件下、あるいはエネルギー需要がミトコンドリアの酸化的リン酸化能力を超える場合に、ピルビン酸を乳酸に変換する。これにより解糖系が継続し、ATPとNADの生成が可能となる。

参考文献

  1. Reinhart, D. 他, 組換えCHO-K1、CHO-DG44、およびCHO-Sのバイオプロセシング：CHO発現宿主はmAb生産またはバイオマス合成のいずれかを優先する。Biotechnology journal, 2019. 14(3): p. 1700686.
  2. Pan, X. 他、フェッドバッチ培養における CHO 細胞の増殖段階の代謝特性。Applied microbiology and biotechnology, 2017. 101: p. 8101–8313.
  3. Turilova, V.I., T.S. Goryachaya, および T.K. Yakovleva, 中国ハムスター卵巣細胞株 DXB-11：染色体不安定性と核型不均一性。 Molecular Cytogenetics, 2021, 14(1): p. 1–12.
  4. Hunter, M. 他、哺乳類細胞におけるタンパク質発現の最適化。Current protocols in protein science, 2019. 95(1): p. e77.
  5. Nyon, M.P. 他, MERSコロナウイルスワクチン抗原の発現のための安定したCHO細胞株の作製. Vaccine, 2018. 36(14): p. 1853–1862.
  6. Pacheco, B.S. 他、ヒト乳がん細胞の増殖に対する南極大型藻類由来脂肪酸の細胞毒性活性。Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2018. 6: p. 185.
  7. Ryu, J. 他, ヒトMMP9に対する組換え抗体の安定生産のためのCHO細胞株の開発. BMC biotechnology, 2022. 22(1): p. 8.

 

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