Разработка, характеризация, трансфер банков клеток на основе Esherechia coli для производства биофармацевтических препаратов (обзор)

Введение. На международном фармацевтическом рынке важное место занимают биопрепараты, созданные с использованием методов рекомбинантной ДНК. Сегодня бактериальные штаммы и клеточные линии млекопитающих широко используются для производства рекомбинантных белков, моноклональных антител и вакцин. Для того чтобы поддерживать постоянное качество и однородность исходного посевного материала, создаются банки клеток.

Текст. Основные рекомендации по разработке банков клеток изложены в руководствах, касающихся качества лекарственных препаратов, ICH Q5. В России аналогичные требования представлены в решении Совета Евразийской экономической комиссии № 89 «Об утверждении Правил проведения исследований биологических лекарственных средств Евразийского экономического союза». В соответствии с вышеуказанными рекомендациями возможно формирование одно- или двухуровневой системы банка клеток. Первым шагом должно быть создание главного банка клеток (ГБК), который создается в соответствии с высокими стандартами качества. ГБК следует инициировать из одной хорошо охарактеризованной бактериальной колонии. Следующим шагом будет создание рабочего банка клеток (РБК) из одного или нескольких контейнеров ГБК. В связи с тем, что все РБК созданы на основе хорошо охарактеризованных ГБК, их характеризация может быть сокращена. При характеризации оценивается идентичность, чистота и стабильность банков клеток. Рекомендации для проведения тестов представлены в нормативных документах. Тесты на идентичность подтверждают, что клетки в банке точно идентифицированы и соответствуют предполагаемой клеточной линии. Это крайне важно для предотвращения перекрестной контаминации и обеспечения использования соответствующих клеточных линий в производственных процессах. Оценка чистоты проводится с целью подтверждения отсутствия контаминантов, таких как бактерии, грибы и микоплазмы, в составе клеточной линии. Контроль микробиологической чистоты является ключевым компонентом оценки и гарантирует, что в производственном процессе используются клетки, свободные от контаминантов. Характеризация клеточных банков позволяет оценить генетическую стабильность клеток с течением времени. Это включает в себя оценку того, сохраняют ли клетки свои предполагаемые генетические характеристики и не подвергаются ли нежелательным мутациям во время культивирования. При трансфере технологии производитель также должен предоставить полную информацию о характеризации банков клеток.

Заключение. В данной статье изложены основные принципы разработки, характеризации и трансфера банков клеток на основе бактериальной системы экспрессии.

1. Walsh G. Biopharmaceutical benchmarks 2018. Nature Biotechnology. 2018;36:1136–1145. DOI: 10.1038/nbt.4305.

2. McElwain L., Phair K., Kealey C., Brady D. Current trends in biopharmaceuticals production in Escherichia coli. Biotechnology Letters. 2022;44(8):917–931. DOI: 10.1007/s10529-022-03276-5.

3. İncir İ., Kaplan Ö. Escherichia coli in the production of biopharmaceuticals. Biotechnology and Applied Biochemistry. 2025;72(2):528–541. DOI: 10.1002/bab.2664.

4. Al-Rubeai M., editor. Cell Line Development. Cell Engineering. Dordrecht: Springer; 2009. 253 p.

5. Johnson I. S. Human insulin from recombinant DNA technology. Science. 1983;219(4585):632–637. DOI: 10.1126/science.6337396.

6. Sobolewska-Ruta A., Zaleski P. Cell Banks Preparation In Biopharmaceuticals Production. Postępy Mikrobiologii – Advancements of Microbiology. 2019;58(1):87–100. DOI: 10.21307/pm-2019.58.1.087.

7. Walsh G., Walsh E. Biopharmaceutical benchmarks 2022. Nature Biotechnology. 2022;40(12):1722–1760. DOI: 10.1038/s41587-022-01582-x.

8. Lagassé H. A. D., Alexaki A., Simhadri V. L., Katagiri N. H., Jankowski W., Sauna Z. E., Kimchi-Sarfaty C. Recent advances in (therapeutic protein) drug development. F1000Research. 2017;6:113. DOI: 10.12688/f1000research.9970.1.

9. Li F., Vijayasankaran N., Shen A. (Y.), Kiss R., Amanullah A. Cell culture processes for monoclonal antibody production. MAbs. 2010;2(5):466–479. DOI: 10.4161/mabs.2.5.12720.

10. Rosano G. L., Ceccarelli E. A. Recombinant protein expression in Escherichia coli: advances and challenges. Frontiers in Microbiology. 2014;5:172. DOI: 10.3389/fmicb.2014.00172.

11. Tripathi N. K., Shrivastava A. Recent developments in bioprocessing of recombinant proteins: expression hosts and process development. Fronters in Bioengineering and Biotechnology. 2019;7:420. DOI: 10.3389/fbioe.2019.00420.

12. Niazi S., Magoola M. Advances in Escherichia coli-based therapeutic protein expression: Mammalian conversion, continuous manufacturing, and cell-free production. Biologics. 2023;3(4):380–401. DOI: 10.3390/biologics3040021.

13. Geigert J., editor. The Challenge of CMC Regulatory Compliance for Biopharmaceuticals. Switzerland: Springer Cham; 2019. 426 p.

14. Cabrera C. M., Cobo F., Nieto A., Cortés J. L., Montes R. M., Catalina P., Concha A. Identity tests: determination of cell line cross-contamination. Cytotechnology. 2006;51:45–50. DOI: 10.1007/s10616-006-9013-8.

15. Schmeer M., Buchholz T., Schleef M. Plasmid DNA manufacturing for indirect and direct clinical applications. Human Gene Therapy. 2017;28(10):856–861. DOI: 10.1089/hum.2017.159.

16. Dashnau J. L., Xue Q., Nelson M., Law E., Cao L., Hei D. A risk-based approach for cell line development, manufacturing and characterization of genetically engineered, induced pluripotent stem cell-derived allogeneic cell therapies. Cytotherapy. 2023;25(1):1–13. DOI: 10.1016/j.jcyt.2022.08.001.

17. Zhu M. M., Mollet M., Hubert R. S., Kyung Y. S., Zhang G. G.Industrial Production of Therapeutic Proteins: Cell Lines, Cell Culture, and Purification. Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology. 2017;3:1639–1669. DOI: 10.1007/978-3-319-52287-6_29.

18. Byer H., Wang W., Mogilyanskiy L. Mastering Cell Bank Production. Biopharm International 2015;8:20–24.

19. Matanguihan C., Wu P. Upstream continuous processing: recent advances in production of biopharmaceuticals and challenges in manufacturing. Current Opinion in Biotechnology. 2022;78:102828. DOI: 10.1016/j.copbio.2022.102828.

20. Menendez A. T., Ritter N., Zmuda J., Jani D., Goyal J.Recommendations for Cell Banks Used in GXP Assays. BioProcess International. 2012;10(1):27–40.

21. Wrigley J. D., McCall E. J., Bannaghan C. L., Liggins L., Kendrick C., Griffen A., Hicks R., Fröderberg-Roth L. Cell Banking for Pharmaceutical Research. Drug Discovery Today. 2014;19(10):1518–1529. DOI: 10.1016/j.drudis.2014.05.006.

22. Simonin H., Bergaoui I. M., Perrier-Cornet J. M., Gervais P. Cryopreservation of Escherichia coli K12TG1: protection from the damaging effects of supercooling by freezing. Cryobiology. 2015;70(2):115–121. DOI: 10.1016/j.cryobiol.2014.12.006.

23. Whaley D., Damyar K., Witek R. P., Mendoza A., Alexander M., Lakey J. R. T. Cryopreservation: an overview of principles and cell-specific considerations. Cell Transplantation. 2021;30:0963689721999617. DOI: 10.1177/0963689721999617.

24. Bolhuis H., Grego M. Cryopreservation and recovery of a complex hypersaline microbial mat community. Cryobiology. 2024;114:104859. DOI: 10.1016/j.cryobiol.2024.104859.

25. Bhattacharjee K., Chrungoo N., Joshi S. R. Cryopreservation design for bacterial cell: A non-conventional gizmatic approach. Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section B: Biological Sciences. 2021;91:811– 820. DOI: 10.1007/s40011-021-01266-7.

26. Weiskirchen S., Monteiro A. M., Borojevic R., Weiskirchen R. Unlocking potential: A comprehensive overview of cell culture banks and their impact on biomedical research. Cells. 2024;13(22):1861. DOI: 10.3390/cells13221861.

27. Maffei E., Shaidullina A., Burkolter M., Heyer Y., Estermann F., Druelle V., Suaer P., Willi L., Michaelis S., Hilbi H., Thaler D. S., Harms A. Systematic exploration of Escherichia coli phage-host interactions with the BASEL phage collection. PLoS Biology. 2021;19(11):e3001424. DOI: 10.1371/journal.pbio.3001424.

28. Tóth I., Bagyinszky E., Sváb D. Multiplex polymerase chain reaction typing scheme based on Escherichia coli O157: H7 Sakai prophage (Sp)-associated genes. International Journal of Infectious Diseases. 2022;120:68–76. DOI: 10.1016/j.ijid.2022.04.015.

29. Sofer G., Zabriskie D., editors. Process Validation in Manufacturing of Biopharmaceuticals. Boca Raton: CRC Press; 2000. 402 p.

30. Van der Burg D., Josefsson L., Emmer Å., Sänger – van de Griend C. E. Recent capillary electrophoresis applications for upstream and downstream biopharmaceutical process monitoring. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2023;160:116975. DOI: 10.1016/j.trac.2023.116975.

31. Lozano Terol G., Gallego-Jara J., Sola Martínez R. A., Martínez Vivancos A., Cánovas Diaz M., de Diego Puente T. Impact of the expression system on recombinant protein production in Escherichia coli BL21. Frontiers in Microbiology. 2021;12:682001. DOI: 10.3389/fmicb.2021.682001.

32. Allen J. R., Torres-Acosta M. A., Mohan N., Lye G. J., Ward J. M. Segregationally stabilised plasmids improve production of commodity chemicals in glucose-limited continuous fermentation. Microbial Cell Factories. 2022;21(1):229. DOI: 10.1186/s12934-022-01958-3.

33. De Marco A. Recent advances in recombinant production of soluble proteins in E. coli. Microbial Cell Factories. 2025;24(1):21. DOI: 10.1186/s12934-025-02646-8.

34. Jiang R., Yuan S., Zhou Y., Wei Y., Li F., Wang M., Chen B., Yu H. Strategies to overcome the challenges of low or no expression of heterologous proteins in Escherichia coli. Biotechnology Advances. 2024;75:108417. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2024.108417.

35. Schmeer M., Schleef M., Shankear R., Kobelt D., Walther W. Capillary Gel Electrophoresis (CGE) for quality control of plasmid DNA in gene therapy: quality control of 20 years stored GMP-grade plasmid DNA. Methods in Molecular Biology. 2022;2521:317–328. DOI: 10.1007/978-1-0716-2441-8_17.

36. Arredondo-Alonso S., Pöntinen A. K., Gama J. A., Gladstone R. A., Harms K., Tonkin-Hill G., Thorpe H. A., Simonsen G. S., Samuelsen Ø., Johnsen P. J., Corander J. Plasmid-driven strategies for clone success in Escherichia coli. Nature Communications. 2025;16(1):2921. DOI: 10.1038/s41467-025-57940-1.

37. Liao Y.-C., Saengsawang B., Chen J.-W., Zhuo X.-Z., Li S.-Y. Construction of an antibiotic-free Vector and its application in the Metabolic Engineering of Escherichia Coli for Polyhydroxybutyrate Production. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2022;10:837944. DOI: 10.3389/fbioe.2022.837944.

38. Michel A., Neville D. Developing an understanding of the analytical landscape for testing complex biological raw materials in advanced therapy medicinal products: A CRO perspective. Cell Gene Therapy Insights. 2021;7(2):317–326. DOI: 10.18609/cgti.2021.056.