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生物生産におけるCHO細胞：応用と革新

チャイニーズハムスターの卵巣に由来するCHO細胞株は、その応用範囲の広さから、医学・生物学研究において大きな力を発揮している。この哺乳類細胞株は、組換えタンパク質生産から遺伝子発現、毒性スクリーニング、栄養学、遺伝子研究まで、無限の可能性を提供する。

この記事では、CHO細胞の魅力的な世界を掘り下げ、この細胞がいかにバイオ医薬品研究に革命をもたらし、救命治療への道を切り開いたかを探ります。強力なCHO細胞の秘密を解き明かし、CHO細胞がいかにして医学とそれ以外の分野での画期的な進歩を促しているかを知る準備をしよう！本書では、以下のような、研究を始める前に知っておくべきことをすべて学ぶことができます：

CHO細胞株とは？

1957年にTheodore T. Puck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タンパク質産生により、生物学および医学研究の定番となっている。チャイニーズハムスターの卵巣に由来するこの上皮細胞は、生物製造、遺伝学、毒性スクリーニング、栄養学、遺伝子発現研究などに広く用いられている。

CHO細胞は、ヒトと同様の翻訳後修飾（PTM）を持つタンパク質を産生することができる。CHO細胞はまた、プロリン合成が欠損しており、上皮成長因子受容体（EGFR）を発現しないため、様々なEGFR変異の研究に理想的である。

バイオ製造では、CHO細胞はモノクローナル抗体、組換え蛋白質、ワクチンの製造に広く使われている。CHO細胞で作られた60以上の治療用タンパク質が製造承認されており、その使用は拡大し続けている。私たちの記事は、CHO細胞の驚くべき特性と多様な用途に注目し、生物医学とそれ以外の分野での進歩を推進する上で、CHO細胞が果たす重要な役割に焦点を当てています。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よう！

CHO細胞組換えタンパク質生産におけるバイオ医薬品業界の常用薬

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の製造にチャイニーズ・ハムスター卵巣（CHO）細胞が頻繁に使用されている。

意識していないかもしれないが、モノクローナル抗体療法を受けたことがある人は、チャイニーズ・ハムスター卵巣（CHO）細胞が原因かもしれない。この順応性の高い細胞は、バイオ製薬業界で頻繁に使用され、生物医学研究、診断、様々な治療薬に使用される組換えタンパク質を生産している。モノクローナル抗体（mAbs）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使用されている。CHO細胞は、ヒト細胞に類似した翻訳後修飾を行うため、mAbの作製に頻繁に用いられる。これらの修飾は、これらの治療薬が適切に機能するために必要である。

遺伝子工学によって作られたタンパク質はリコンビナントタンパク質として知られている。研究用試薬としてだけでなく、治療薬や診断薬としても使用できる。CHO細胞は翻訳後修飾を受けることができ、ヒト細胞に見られるような複雑なグリコシレーションを持つため、増殖が早く、タンパク質の発現量が高く、大量のタンパク質を発現できることから、組換えタンパク質の製造に特に適している。培養1リットル当たり3グラムから10グラムの収量があるCHO細胞株は、治療用タンパク質を大量生産する比類のない能力のおかげで、バイオ医薬品のゲームチェンジャーとなっている。CHO細胞は、遺伝子の最適化によって大量の組換えタンパク質を生成する能力が向上したため、今や現代の生物医学に欠かせない要素となっている。

ワクチンは、ウイルスや細菌による感染症を予防・治療するためのバイオ医薬品である。COVID-19に対するワクチンは、CHO細胞を使って作られるワクチンのひとつである。科学者たちは、バイオ医薬品の生産におけるCHO細胞の性能を高めるために、遺伝子工学、培地の最適化、プロセス開発など、数多くの技術を生み出してきた。これらの技術により、CHO細胞を用いたバイオ医薬品製造のための高収率、低コスト培養系が構築された。CHO細胞の広範な用途には以下のようなものがある：

医薬品製造施設。

バイオ医薬品生産における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など、様々なバイオ医薬品の生産に用いられている。CHO細胞のバイオ医薬品への採用は、ヒト細胞と同様の翻訳後修飾を行う能力によるところが大きく、ヒトに適合した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る。CHO宿主細胞タンパク質のプロファイルを包括的に理解し、宿主細胞タンパク質ELISA技術を導入することは、CHO細胞系で生産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ある。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る。

CHO細胞ベースの抗体生産における進歩

CHO細胞はモノクローナル抗体の生産に広く使用されており、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。CHO細胞は、ヒトタンパク質を正しく折り畳み、アセンブルし、改変する能力を持つため、組換え抗体発現とタンパク質治療薬の生産における礎石となっている。CHO細胞抗体生産は、細胞培養技術とCHO細胞工学の向上とともに進化し、バイオ医薬品の開発にとって極めて重要な高品質のCHO細胞をもたらしている。DNA技術や洗練された細胞培養法を含む包括的なバイオテクノロジー・アプローチは、抗体生産効率を高めるためにCHO細胞系を最適化するために応用されてきた。

分子生物学とCHO細胞工学

分子生物学的技術と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、チャイニーズハムスター細胞変異体の操作により、所望の形質が得られるようになった。このような細胞工学とDNA技術の進歩により、特定の組換えタンパク質を高い効率で生産できるCHO細胞の開発が促進された。CHO細胞やHeLa細胞を含む真核細胞培養アプローチの探究は、細胞メカニズムのより深い理解と、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貢献している。

しかし、それだけではない！CHO細胞は、生物医学研究において他にも以下のような魅力的な用途がある：

  • 毒性スクリーニング：CHO細胞は、抗がん剤や抗ウイルス剤を含む薬剤の毒性を評価するために使用される。例えば、CHOを対照細胞株として、南極微細藻類由来の脂肪酸の抗乳がん特異的活性を調べた研究がある。
  • 遺伝子発現：CHO細胞は、遺伝子機能研究や標的タンパク質生産のために、遺伝子を安定的かつ一過性に発現させるために使用される。遺伝子編集ツールは、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の開発に使用されている。

CHO細胞研究の将来展望

現在進行中のCHO細胞系の研究開発は、バイオ医薬品生産におけるCHO細胞の効率性と汎用性を高めることに焦点を当てている。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、医学とバイオテクノロジーの将来におけるCHO細胞の役割は重要であり、抗体開発や救命治療の生産における新たな進歩が期待されています。

マイティーCHO細胞の利点を知る

CHO細胞株を魅力的な研究ツールとする主な利点は以下の通りである。

  1. 培養の容易さ： CHO細胞株の培養手順や培養条件はうるさくありません。これらの細胞は丈夫で、温度やpHの変化に耐えることができる。従って、大規模培養に理想的である。
  2. 翻訳後修飾： これらの細胞はヒト細胞と似ており、同様の翻訳後修飾を行うことができる。従って、CHO細胞は、優れた医薬活性を持つ生体適合性の生物学的製剤の生産に使用できる。
  3. 高い生産性： CHO細胞は、高収率の組換えタンパク質の生産に広く用いられている。CHO細胞株の遺伝学的最適化により、培養物1リットル当たり約3～10グラムのタンパク質が得られている。
  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使用される。さらに、CHO細胞株を用いた遺伝子ノックインやノックアウトモデルの開発には、多くの遺伝学的ツールが用いられている。
  5. 政府の承認： CHO細胞は、米国およびEUで承認された約50の生物治療薬に使用されている。
  6. 低いウイルス感受性：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く、生産ロスを低減し、バイオセーフティが向上します。

CHO細胞の主な特徴

  • 形態：CHO細胞は上皮細胞のような外観を示し、細長い繊維芽細胞のような形をしている。接着性があり、通常単層で増殖する。

  • 細胞の大きさ：CHO細胞の平均直径は12-14μmである。

  • ゲノムと倍数性：CHO細胞は21本の染色体を持つ異数体であり、チャイニーズハムスターに見られる2倍体の染色体数とは異なる。CHO細胞の核型は、2番染色体やX染色体の部分的な喪失を含む、複数の構造的再配列によって特徴づけられる 。

CHO細胞の顕微鏡写真：高コンフルエント時（左）と約50％コンフルエント時（右）。

CHO細胞株とCHO-K1細胞株の比較

オリジナルのCHO細胞株が1956年に報告されて以来、この細胞株は様々な目的のために多くのバリエーションが作られてきた。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）がメタンスルホン酸エチルによる突然変異誘発によって作製された。しかし、変異原化するとDHFR活性に戻るため、その有用性は限られていた。その後、CHO細胞をガンマ線で突然変異誘発し、両方のDHFR対立遺伝子が完全に除去されたCHO-DG44を作製した。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、工業的タンパク質生産に広く用いられている。その後、他の選択系も普及し、CHO-K1、CHO-S、CHO-Proマイナスなどの宿主細胞が高レベルのタンパク質を生産することが示されている。遺伝的に不安定なため、これらの細胞株は、動物性成分を含まないか、化学的に定義された培地で、懸濁培養バイオリアクターで培養されることが多い。CHO細胞の遺伝学とクローン誘導の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細胞を培養するための10の秘訣

  1. CHO細胞株はメンテナンスが少なく、培養が容易な細胞株である。
  2. CHO細胞は、14～17時間という迅速な個体数倍加時間を持つ。
  3. CHO細胞は接着性があり、単層で増殖しますが、懸濁液で増殖させることもできます。
  4. アキュターゼを用いて、80-90％コンフルエントで CHO細胞をサブカルチャーする。
  5. CHO細胞を1 x104cells/cm2 の細胞密度で播種し、約4日でコンフルエントな単層を得る。
  6. 最適な培養には、5％FBSとL-グルタミンを添加した50：50のDMEMとHam's F12混合液を使用する。
  7. 増殖培地は週に2-3回更新する。
  8. CHO細胞は、37℃、5％炭酸ガス添加の加湿インキュベーター内で培養する。
  9. CHO細胞は、液体窒素の気相または液相（-196℃）で保存する。
  10. CHO細胞株の取り扱いおよび培養については、バイオセーフティーレベル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ール、ビデオ、最近の論文

CHO細胞株の培養と維持管理について学ぶのに最適なリソースをご紹介します。

  1. CHO細胞に関する広範な細胞培養プロトコル：このリンクは、CHO細胞のサブカルチャーとトランスフェクションについて学ぶのに役立ちます。
  2. CHO細胞： このサイトでは、細胞の分割、保存、凍結、融解など、CHO細胞株に関する基本的な細胞培養情報を提供します。
  3. CHO細胞の解凍このビデオでは、凍結CHO細胞の解凍プロトコルを例示しています。

CHO細胞株のトランスフェクション・プロトコール

CHO細胞は、遺伝子の一過性トランスフェクションにも安定トランスフェクションにも非常に適しています。CHO細胞株のトランスフェクション・プロトコールに関する有用な情報を提供するリソースをいくつかご紹介します。

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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発表

以下は、CHO細胞を利用した様々な研究の要約である：

  1. 研究「CHO細胞における一過性遺伝子発現による完全長SARS-CoV-2スパイクエクトドメインの迅速、高収率生産」（2021年）

    • 目的：SARS-CoV-2スパイクエクトドメインをCHO細胞で3つの一過性トランスフェクション法を用いて発現させ、高い生産性を得る。
    • 方法方法：3種類の一過性トランスフェクション法を用いて、全長SARS-CoV-2スパイクエクト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とウェスタンブロットで評価した。
    • 主な結果3つの一過性トランスフェクション法はいずれも高レベルのタンパク質発現を示し、ポリエチレンイミン法で最も高い収量が得られた。

  2. 研究結果「MERS-コロナウイルスワクチン抗原発現のための安定CHO細胞株工学」（2018年）

    • 目的：将来のワクチン候補として使用するMERS-コロナウイルス抗原をCHO細胞で産生する。
    • 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トし、ジェネティシンを用いて安定発現するように選択した。タンパク質発現はELISAとウェスタンブロットで評価した。
    • 主な結果安定なCHO細胞株は、高レベルのタンパク質発現を示し、複数継代にわたって安定であった。

  3. 研究結果「ヒト乳がん細胞の増殖に対する南極マクロ藻類の脂肪酸の細胞毒性活性」（2018年）

    • 目的：正常細胞に対する抗がん剤の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、南極マクロ藻類由来の脂肪酸で処理し、MTTアッセイを用いて細胞生存率を評価した。
    • 主な結果南極大藻由来の脂肪酸はCHO細胞に対して細胞毒性を示さなかったことから、がん細胞に対する選択性を有する抗がん剤としての可能性が示唆された。

  4. 研究結果「カスパーゼ-7遺伝子のノックアウトによるCHO細胞株のG2/M期細胞周期停止を介した組換えタンパク質の発現改善」（2022年）

    • 目的：CHO細胞を遺伝子操作し、組換えタンパク質の発現を改善する。
    • 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と蛍光顕微鏡でタンパク質発現を評価した。
    • 主な結果CHO細胞でカスパーゼ-7遺伝子をノックアウトした結果、タンパク質発現が改善した。これは、カスパーゼ-7の欠損によってG2/M期の細胞周期が停止したためと考えられる。

  5. 研究結果「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細胞を用いてヒトMMP9タンパク質に対するモノクローナル抗体を作製する。
    • 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するように選択した。タンパク質の発現はELISAとウェスタンブロットで評価した。
    • 主な結果安定なCHO細胞株は、高いレベルの抗体発現と複数継代にわたる安定性を示し、ヒトMMP9を標的とした治療への応用の可能性を示唆した。

CHO細胞についてよくある質問

参考文献

  1. Reinhart, D., et al., 「組換えCHO-K1、CHO-DG44、およびCHO-Sのバイオプロセス」：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好む。Biotechnology journal, 2019.14(3): p. 1700686.
  2. Pan,X.、他、フェドバッチ培養におけるCHO細胞サイズ増加段階の代謝特性。Applied microbiology and biotechnology, 2017.101: p. 8101-8313.
  3. Turilova、V.I.、T.S. Goryachaya、およびT.K. Yakovleva、チャイニーズハムスター卵巣細胞株DXB-11：染色体不安定性および核型の不均一性。Molecular Cytogenetics, 2021, 14(1): p. 1-12.
  4. 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., et al., Engineering a stable CHO cell line for the expression of a MERS-coronavirus vaccine antigen.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マクロ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., et al., 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バイオテクノロジー、2022年。22(1): p. 8.

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