Zellphysiologische Charakterisierung von Zellkulturen in der Influenza-Impfstoffproduktion

Jährlich erkranken weltweit etwa 500 Millionen Menschen an einer Influenza-Virusinfektion (WHO 2003). Zum Schutz vor den schwerwiegenden Folgen der Infektion werden Impfstoffe eingesetzt. Diese werden momentan hauptsächlich in embryonierten Hühnereiern produziert. Neue Verfahren verwenden stattdessen Säugetier-Zellkulturen, die in modernen biotechnologischen Prozessen hergestellt werden. Maßgeblich für die Produktivität der Produktionsverfahren in Zellkulturen ist neben der Optimierung der Zellexpansion die Wechselwirkung des Virus-Wirtszellsystems.Ausgehend von einem Modellprozess zur Influenza-Virusproduktion in Microcarrierkulturen von Madin Darby Hunde-Nierenzellen (MDCK) wurden im Zusammenhang mit der Virusvermehrung die zellbiologischen Mechanismen Zellzyklus und Apoptose (programmierter Zelltod) untersucht. Im Gegensatz zu zellbiologisch oder virologisch motivierten Arbeiten der Grundlagenforschung, bei denen typischerweise ungeregelte Bedingungen in statischer Kultur vorliegen, war es in Bioreaktoren möglich, die Zellphysiologie unter kontrollierten Prozessbedingungen zu untersuchen. Speziell die zeitliche Aufschlüsselung des Verlaufes der virusinduzierten Apoptose stellt dabei ein Alleinstellungsmerkmal der vorliegenden Arbeit dar.Die Analyse der Virusinfektion, des Zellzyklusses und der Apoptose erfolgten im Wesentlichen mittels Durchflusscytometrie. Die Methode ermöglichte die Korrelation der Influenza-Virusinfektion mit der Apoptose auf Einzelzellebene. Darüber hinaus konnten die bei der Infektionsdetektion gemessenen relativen Fluoreszenzintensitäten über eine Kalibration der Fluoreszenz in Moleküläquivalente von gelöstem Fluoreszein transformiert werden, was zur Abschätzung der Kopien des viralen Nukleoproteins pro Zelle genutzt werden konnte.Die Induktion der Apoptose während der Virusvermehrung in statischen Zellkulturen konnte auch für das Modellsystem der Virusproduktion im Bioreaktor bestätigt werden. Dabei wurde Apoptose fast ausschließlich bei infizierten Zellen nachgewiesen, die Fraktion der nicht-infizierten apoptotischen Zellen war vernachlässigbar klein. Dies wurde auch in scheininfizierten Kultivierungen bestätigt. Die getrennte Analyse von Zellen auf Microcarriern und abgelösten Zellen im Überstand zeigte deutliche Unterschiede im Nukleoprotein-Gehalt und dem Anteil apoptotischer Zellen auf. Adhärente Zellen zeichneten sich dabei durch einen höheren Nukleoprotein-Gehalt, aber einem minimalen Anteil von apoptotischen Zellen aus, während die abgelösten Zellen im Überstand zu einem hohen Anteil apoptotisch waren, jedoch vergleichsweise wenig Nukleoprotein-Kopien pro Zelle aufwiesen. Zusammen mit der Analyse der Virusakkumulation im Kulturüberstand wurde aus den Daten ein mechanistisches Schema für den Ablauf von Virusinfektion und Apoptose in Microcarrier-Kulturen abgeleitet. Demnach geht der Hauptteil der Virusausbeute auf die adhärenten Zellen zurück. Dabei sind die Virus-Replikationsrate und die Überlebensdauer einer infizierten Zelle bis zur Exekution der Apoptose und der resultierenden Ablösung vom Microcarrier die entscheidenden Kriterien für die Virusausbeute von MDCK-Zellen.Die Analyse des Zellzyklusses von MDCK-Zellen auf Microcarriern lieferte zusätzliche Informationen über das Kulturverhalten während der Zellexpansion im Bioreaktor. Untersuchungen zur gezielten Veränderung der Virusausbeute durch (bio-) chemische Mediumszusätze in statischen Screeningsystemen und in Bioreaktoren zeigten massive Ausbeuteverringerungen als Folge der Apoptoseinduktion. Basierend auf dem etablierten Screeningsystem in Sechs-Well-Platten können weitere Substanzen getestet werden.Anhand der im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Daten und Erkenntnissen wurden stochastische und populationsbasierende Modelle