抗体医薬に代表されるような蛋白質医薬品製造においては、バイオテクノロジーを用いた生産は欠くことができない工程の一つである。特に、蛋白質医薬品の多くは生体内生理活性に翻訳後修飾が必要であり、高等真核生物である動物細胞を用いた生産技術が必要とされる。21世紀に入って動物細胞を用いた生産技術は長足の進歩を遂げ、さらに周辺技術も格段に発展し、10g/Lを超える生産例も報告されている。
一方では、複雑な高等生物から構築された細胞株を用いる生産系そのものの解明は依然として明確にはなされてはいない。望むべき生産系を自在に構築して目的物を自在に生産するためには、複雑な生物そのものとも呼べる細胞株の解明と制御が必要である。ある意味ではこれは人工生命を構築し、利用することに等しく、簡単に解決できる問題ではない。さらに、蛋白質医薬品製造プロセスは細胞株構築・培養・精製・レギュレーション等といった様々な分野の高度な科学技術を総合して初めて可能となるプロセスであり、これら各ステップやその複雑な相互関係の解析と利用は基盤的技術として必要とされる。
医薬品の評価の面からはレギュラトリーサイエンスという学問分野がある。これに対応するものとして小生は、プロダクションに関わるサイエンス、「プロダクションサイエンス」を提唱したい。本書では、工学的な観点に立脚し特に日本で近年開発されているプロダクションサイエンスに関わる最新の科学・技術を上流から下流まで紹介しながら、本分野における基礎概念から最新の動向まで幅広くまとめて紹介することを目的とした。このように様々な分野の高度な科学技術を結集して行われる蛋白質医薬品生産は高度先進国でしかなしえない産業であり、我が国においても一層の発展が望まれる。
本書は、抗体医薬・蛋白質医薬品の製造プロセスに向けた技術に焦点をあて、夢を語る「使えるかもしれない」テクノロジーではなく、使うための高度な基盤技術・科学・工学に焦点をあてた実用的な面からの紹介を心がけている。日本企業における抗体医薬への参入を促し、我国における先端技術を紹介し、先んじて核酸医薬・ペプチド医薬への参入を図るために参考になる書籍として本書が産業界の役に立てば幸いである。
目次
【第1編 細胞培養による蛋白質生産】
第1章 細胞培養の始まりと意義（大政健史）
1. はじめに
2. 工業動物細胞―実際に産業に用いられる細胞とは―
3. 今後の工業動物細胞に必要な特性・課題
第2章 蛋白質医薬品製造技術の動向―抗体医薬を中心に―（曽田裕行）
1. はじめに
2. 抗体医薬製造というチャレンジ
3. プラットフォーム技術
4. 製造量との戦い
5. コストとの戦い
6. 安全性との戦い
7. おわりに
【第2編 動物細胞における細胞工学】
第1章 宿主ベクター系と組換え技術（清水正史）
1. はじめに
2. 発現ベクター
2.1 プロモーター／エンハンサー
2.2 選択マーカー遺伝子と遺伝子増幅
3. 高発現システム
3.1 発現安定化エレメント
3.2 迅速なスクリーニング
4. 宿主細胞
5. おわりに
第2章 不均衡変異導入法による動物細胞育種法の開発（堀内貴之）
1. はじめに
2. 不均衡変異導入法とは
3. 動物細胞育種の基本プロセス
4. 高品質な突然変異体ライブラリー
4.1 高い突然変異頻度
4.2 多様な突然変異種
4.3 低い細胞障害毒性
5. 組換え抗体を高生産する宿主CHO細胞の育種
6. まとめ
第3章 組換え酵素を用いた遺伝子増幅技術（上平正道）
1. はじめに
2. Cre-loxPによる逐次遺伝子組込みシステムの概要
3. プラスミドおよびCHO細胞を用いた遺伝子組込み反応の評価
3.1 プラスミドでの遺伝子組込み
3.1.1 P1とP2の反応によるP12の生成
3.1.2 P1+P2+P3の反応によるP123の生成および2サイクル目の組込み反応の確認
3.2 細胞染色体上での遺伝子増幅
3.2.1 P1およびP2のトランスフェクションによる組換え反応
3.2.2 P12とP3のトランスフェクションによる組換え反応
3.2.3 P1を組み込んだCHO細胞株での組込み反応
4. おわりに
第4章 抗体医薬に代表される糖タンパク質製剤の新しい評価技術
―レクチンマイクロアレイによる糖鎖構造のディファレンシャル解析―（武石俊作，久野敦）
1. 序論
1.1 バイオ医薬の開発及び経済的現状
1.2 抗体医薬
1.3 糖タンパク質製剤における糖鎖の重要性
1.4 糖鎖構造評価技術
2. レクチンマイクロアレイ
2.1 レクチンマイクロアレイ技術の概要
2.2 レクチンマイクロアレイの測定原理
2.3 レクチンマイクロアレイの特徴と品質
3. clone numberの異なるIgG糖鎖の分析例
3.1 サンプルと分析プロセス
3.2 実験結果及び考察
3.2.1 異なるclone numberのIgG糖鎖の評価
3.2.2 タンパク質の変性後の分析
3.3 まとめ
4. おわりに
第5章 ヒト人工染色体技術の抗体医薬への利用（長谷川嘉則，岡崎恒子，池野正史）
1. はじめに
2. 理想的遺伝子発現ベクターとしてのHACベクター
3. 人工染色体技術を利用した抗体産生
3.1 モノクローナル抗体の大量産生法
3.2 ヒト型抗体作製法
4. HACベクターの抗体医薬への可能性
4.1 ホスト細胞の選定
4.2 ホスト細胞の高機能化
4.3 タンパク産生量増加
第6章 新しいDNAチップ“3D-Gene”を用いた解析法とその応用（曹溢華，大政健史，近藤哲司，上田洋二，秋山英雄，信正均）
1. はじめに
2. 従来型DNAチップの特徴
3. 高感度チップの特徴
3.1 チップ形状・材質による検出スポット形状の安定化とノイズ低減
3.2 チップに固定するDNA（プローブDNA）の密度制御
3.3 ターゲットDNAとの反応性向上
4. 柱状構造DNAチップの性能評価
5. DNAチップの種類と医薬品開発への利用
6. BACクローンを利用した抗体医薬生産細胞解析用DNAチップへの展開
7. 今後の展開
第7章 薬効に関わる糖鎖構造の不均一性から解放された抗体医薬品製造システムの構築（神田豊，森勝弘，佐藤光男）
1. 抗体医薬とその治療薬としての課題
2. 抗体分子（ヒトイムノグロブリンG1）の構造
3. ADCCのメカニズムと抗体Fc領域の糖鎖
4. 抗体Fc領域の糖鎖構造とADCCとの関連
4.1 異なる三種類のフコース非結合型糖鎖を有するイムノグロブリンG1の生物活性解析
4.2 GDP-mannose 4,6-dehydratase（GMD）ノックアウトCHO細胞の樹立
【第3編 細胞の代謝および培地設計】
第1章 細胞培養における培地設計について（勝村泰彦）
1. はじめに
2. 古典的培地
2.1 細胞培養の始まり
2.2 細胞培養黎明期の培養培地
2.3 古典的合成培地への移行
3. 無血清培地
3.1 無血清化の要求
3.2 血清代替物の探求
3.3 無血清培地の登場
4. モノクローナル抗体製造のための培地設計
4.1 培養培地の選択
4.2 製造用培地の設計
5. おわりに
第2章 無血清培地の最適化手法について（佐藤渉，Bjorn K．Lydersen）
1. はじめに
2. 培地最適化の手法
2.1 実験計画法の応用
2.2 培地を構成する成分
2.3 培養方法
2.4 試作培地の性能評価方法
2.5 培地最適化の基礎になる培地の選択
2.6 濃度の最適化
2.7 フィード培地の設計
3. 培地最適化の実例
3.1 基礎培地の選定
3.2 基礎培地の最適化
3.3 フィード培地の設計
4. おわりに
第3章 植物由来多糖を利用した新規培地添加剤と抗体精製後廃液の再生利用（小川亜希子，寺田聡）
1. 概要
2. ラッキョウ由来多糖フルクタン
3. 抗体精製後廃液を利用した培地添加剤
第4章 魚由来血清の応用と実用化（髙木睦，藤原政司）
1. はじめに
2. 魚血清の細胞接着阻害
3. 魚血清の熱処理の接着細胞増殖促進効果
4. 魚血清の低濃度添加の接着細胞増殖促進効果
5. 魚血清中の脂質の接着細胞増殖に与える影響
6. 魚血清を用いた動物細胞浮遊培養
7. 今後の課題
第5章 システム工学的アプローチを用いた細胞設計（倉田博之）
1. 緒言
2. システム生物学
3. 細胞機能設計
4. コンピュータ援用設計システム
4.1 生体分子ネットワーク構築
4.2 データベース
4.3 ダイナミックモデリング
5. グルコース同化システムへの応用
6. 結言
【第4編 小規模細胞培養技術】
第1章 細胞培養におけるカイネティックス―培養方法および解析方法を中心に―（大政健史）
1. はじめに
2. 細胞培養のカイネティックス（動力学）
3. 回分培養における計算方法
4. 流加培養における計算方法
第2章 小規模細胞培養技術―培養装置から，センサー技術，single-use technologyまで―（石川陽一）
1. 小型多連スクリーニング培養装置
1.1 50ml 8連培養装置
1.2 5ml 24連培養装置
1.3 マイクロプレート培養装置
1.4 フラスコ培養の高度化
2. ディスポーザブル培養槽
2.1 WAVE培養装置
2.2 Xcellerex培養装置
3. おわりに
第3章 細胞培養におけるsingle-use technology（澁谷明宏）
1. はじめに
2. Single-Use Bioreactorについて
3. single-use technologyとバリデーション
4. single-use technologyとプロセスエコノミー
5. まとめ
第4章 シングルユース培養バッグによる微生物・動物細胞培養（松田博行）
1. はじめに
2. シングルユース製品について
2.1 シングルユースバッグ製品活用の意義
2.2 シングルユース製品の弱点
2.3 シングルユースバッグのフィルムについて
3. シングルユース培養バッグによる微生物培養
3.1 微生物培養の各方法の比較
3.2 シングルユース培養バッグでの培養の利点
3.3 シングルユース微生物培養バッグの原理
3.4 シングルユース培養バッグでの実例
3.5 シングルユース培養バッグの応用
4. シングルユース培養バッグによる動物細胞培養
4.1 細胞培養について
4.2 シングルユース動物細胞培養バッグを使用する利点
4.3 シングルユース培養バッグでの実例
5. シングルユース培養バッグの課題
6. おわりに
【第5編 細胞培養における大規模培養技術】
第1章 細胞培養槽の数値シミュレーションとその応用（難波勝，村上聖）
1. はじめに
2. 通気撹拌槽の運転可能範囲（スケールアップウィンドー）
3. 細胞培養における培養環境の影響
4. 培養槽のモデル化とCFD解析
5. 細胞増殖の動的解析と生産性の向上
6. おわりに
第2章 溶存ガスの交換効率に視点をおいた動物細胞培養のスケールアップ（松永直樹）
1. はじめに
2. ガス交換効率の評価
3. 大型培養槽におけるdCO2の蓄積
3.1 液表面でのガス交換効率の変化
3.2 培養スケールアップにおける酸素供給効率の変化
3.3 培養スケールアップにおける溶存二酸化炭素の除去効率の変化
3.4 培養スケールアップにおける酸素供給と溶存二酸化炭素除去とのガス交換特性の違い
4. 大型培養槽のdCO2除去効率の評価
4.1 試験溶媒の選択
4.2 気泡径と気泡の安定性
4.3 dCO2の溶媒中での平衡状態
4.4 モデル培地の作製
5. おわりに
【第6編 蛋白質医薬品における分離精製と品質管理】
第1章 蛋白質医薬品製造における分離精製（勝田知尚）
1. はじめに
2. 諸物性
3. 分離精製工程の概略
4. 固液分離工程
4.1 遠心沈降
4.2 精密ろ過
5. 吸着分離工程
5.1 固定層吸着
5.2 クロマトグラフィー
第2章 超遠心分析を応用した蛋白質会合凝集の評価法（有坂文雄，井浦貴文）
1. はじめに
2. 沈降速度法
3. SEDFIT
4. 解析例―抗体溶液に含まれるオリゴマー―
4.1 高濃度における測定の問題点
4.2 オリゴマー含量のばらつき（再現性）について
5. 結論と今後の展望
第3章 抗体会合体の定量的評価の課題（津本浩平，江島大輔，荒川力）
1. はじめに
2. 抗体会合凝集形成：原理と実際
3. 抗体会合体の定量的評価：各サイズに応じた分析法
3.1 定量すべき会合体
3.2 Native-ゲル電気泳動（PAGE）
3.3 SEC，ゲルろ過
3.4 分析超遠心（AUC）
3.5 動的光散乱（DLS）
3.6 Asymmetric flow Field-Flow-Fractionation（AF4）
3.7 Micro-Flow Imaging（MFI）
4. 抗体会合凝集体の定量的評価：課題と今後
第4章 経済性を考慮した抗体医薬品の分離精製技術（稲川淳一）
1. はじめに
2. 承認済みの抗体医薬品
3. 抗体医薬品の精製プロセス
3.1 クロマトグラフィーによる精製戦略（Strategy）
3.1.1 Capture（プロテインA担体）
3.1.2 Intermediate purificationおよびPolishing（イオン交換，疎水性相互作用，ハイドロキシアパタイト等）
4. 経済性を考慮した精製プロセスの構築
4.1 処理能力の高いクロマトグラフィー担体の利用
4.1.1 流速特性の高い担体
4.1.2 結合容量（キャパシティー）が高い担体の使用
4.1.3 洗浄性やライフタイムを改良した担体の使用
4.2 抗体精製ステップ削減による効率化
4.3 プロセス開発の効率化
4.4 プラットフォームアプローチ
4.5 ディスポーサブル機器の使用
4.6 効率的な施設の使用
5. おわりに
第5章 抗体医薬品のクロマト分離プロセス（門屋利彦）
1. はじめに
2. 不純物
2.1 宿主細胞由来タンパク質（HCP：Host cell proteins）
2.2 宿主細胞由来DNA
2.3 抗体重合体
2.4 抗体分解物
2.5 抗体の翻訳後修飾体
2.6 漏出Protein A
2.7 ウイルス
2.8 微生物，発熱性物質
2.9 培地成分由来化合物類
3. 抗体精製に用いられるクロマトグラフィーモードと精製効果
3.1 Protein Aアフィニティクロマトグラフィー
3.2 イオン交換クロマトグラフィー（IEC）
3.3 疎水性相互作用クロマトグラフィー（HIC）
3.4 ハイドロキシアパタイトクロマトグラフィー（HAC）
3.5 サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）
3.6 マルチモードクロマトグラフィー
3.7 Hydrophobic charge inductionクロマトグラフィー（HCIC）
4. 精製プロセスデザイン
4.1 プラットフォームプロセス
4.2 精製プロセスに必要な充填剤特性
4.3 プロセス構築の迅速化
4.4 Protein Aカラムを使用しない精製プロセス
5. 精製スケールとスケールアップ
6. カラムと装置の洗浄
7. おわりに
第6章 抗体医薬品におけるテーラーメイド精製技術を目指した新規アフィニティ精製リガンド開発（広田潔憲，曽田裕行，巌倉正寛）
1. はじめに
2. 抗体医薬品製造におけるプロテインAクロマトグラフィーの問題点
3. プロテインA担体の改良もしくは代替技術
3.1 低分子化合物（MAbsorbents（R），ProMetic Life Science Inc.）
3.2 ラクダ抗体のドメイン（Capture Select（R），BAC B.V.）
3.3 プロテインAの改良蛋白質（Affibody（R），Affibody）
3.4 論理的デザインによるプロテインGの改変
4. テーラーメイド精製技術
5. アフィニティ・リガンドの総合的デザインおよびそのライブラリー化
6. クロマトグラフィーをその場観測できるリガンド・アレイ解析装置
7. おわりに
第7章 バイオ医薬品の製剤化技術（奥村一夫）
1. はじめに
2. 無菌製剤
2.1 抗体医薬製造のための標準的なスケジュール
3. 原薬製造（培養・精製）工程と製剤化工程のリンク
4. 製剤の製造工程
4.1 製剤設計の中で留意すべき事柄
4.2 添加剤等の製剤処方検討
4.3 凍結乾燥条件の検討
5. 品質試験
5.1 規格試験
5.2 安定性試験
6. まとめ
第8章 抗体医薬品開発における品質の確保について（川崎ナナ，石井明子，山口照英）
1. はじめに
2. 製造設計及び工程管理
2.1 遺伝子発現構成体の構築
2.2 細胞基材の樹立
2.3 培養及び精製
2.4 ウイルス安全性
2.5 製法変更
3. 特性解析
3.1 構造
3.2 物理的化学的性質
3.3 生物活性
3.4 不純物
4. 規格及び試験方法
4.1 確認試験
4.2 純度と不純物
4.3 力価
4.4 その他
第9章 コンパラビリティ・品質恒常性のための製造方法とは（岡村元義）
1. 蛋白質医薬品のコンパラビリティの考え方
1.1 なぜコンパラビリティなのか？
1.2 スケールアップにおけるコンパラビリティ
1.3 バイオ後続品のコンパラビリティ
1.4 生産性とコンパラビリティ
1.5 宿主細胞のコンパラビリティ
1.6 コンパラビリティの目標としてのヒト化
2. 品質の恒常性を目指した製造法
2.1 品質の恒常性を保つためのポイント
2.2 目標品質の設定は適切か？
2.3 分子のコンパラビリティから薬効および安全性のコンパラビリティへ
3. おわりに
