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Type: Tese
Title: Expressão de anticorpos monoclonais anti-SARS-CoV2 em células CHO
Author(s)/Inventor(s): Marsili, Federico Francisco
Advisor: Castilho, Leda dos Reis
Co-advisor: Carvalho, Renato Sampaio
Co-advisor: Maranhão, Andrea Queiroz
Abstract: Os anticorpos monoclonais (mAbs) constituem atualmente o grupo de produtos biológicos mais relevante no mercado bio farmacêutico. Devido ao fato dessas moléculas serem compostas por duas unidades polipepndicas diferentes – duas cadeias leves (LC) e duas cadeias pesadas (HC) –, existem diversas estratégias que podem ser implementadas para permitir sua adequada expressão em sistemas heterólogos. Entre elas, destacam-se o uso de vetores monocistrônicos (cada um deles contendo as sequências codificantes para LC ou HC) e o uso de vetores policistrônicos (em que dois ou mais genes ou cístrons são expressos a partir de um único mRNA), sendo estes últimos comumente baseados em elementos IRES (do inglês internal ribosome entry site). Nesse contexto, dois mAbs com atividade neutralizante contra o SARS-CoV-2, que tinham sido anteriormente isolados por outros grupos de pesquisa, foram selecionados como moléculas modelo para avaliar a aplicação de um sistema de vetores de expressão de natureza modular, baseados em versões nativa e atenuada do elemento IRES do vírus da Encefalomiocardite (EMCV). O desenho dos vetores permitiu a obtenção de diferentes tipos de construções, sejam mono-, bi- ou tricistrônicas, alternando as posições dos genes codificantes para LC e HC, em relação ao elemento IRES de EMCV. Na versão tricistrônica, uma versão dita atenuada do elemento IRES de EMCV precede um gene que auxilia na detecção (codificante para a proteína verde fluorescente) ou na amplificação da expressão gênica (codificante para a enzima dihidrofolato redutase). Observou-se para ambos os mAbs, em experimentos de transfecção transiente realizados em células de Ovário de Hamster Chinês (CHO) da linhagem ExpiCHO™, uma maior produção associada ao uso dos vetores contendo o gene de LC no primeiro cístron (tanto bicistrônicos como tricistrônicos). A partir da expressão transiente realizada e utilizando os vetores bicistrônicos contendo o gene de LC no primeiro cístron, foi realizada a purificação dos mAbs produzidos mediante cromatografia de afinidade com Proteína A, com subsequente caracterização fisico-química, estrutural e funcional dos produtos. O estudo permtiu realizar a confirmação das sequências de aminoácidos (mediante nanoRP-LC/MS-MS); a avaliação das suas estruturas proteicas secundárias, terciárias e quaternárias (mediante dicroísmo circular, fluorescência intrínseca e SEC-HPLC e MET, respectivamente); a determinação do seu perfil de migração eletroforético (mediante SDSPAGE e western blot), da sua distribuição de tamanhos (mediante SEC-HPLC) e do seu perfil de N-glicosilação (mediante HILIC-HPLC e LC/MS). Além disso, foram também estudadas a capacidade dos mAbs de se ligar a diferentes variantes da glicoproteína S do SARS-CoV-2 (mediante Spot blot e LSPR) e de neutralizar diferentes linhagens do vírus (mediante ensaios de neutralização in vitro). Adicionalmente, um dos mAbs foi selecionado como molécula candidata para o desenvolvimento, por meio de transfecção estável, de linhagens celulares com produção construtiva baseadas na plataforma ExpiCHO™. Foram comparados dois protocolos de lipofecção diferentes, utilizando os lipídeos catiônicos Lipofectamina™ 3000 e Expifectamina™. Em conjunto, os resultados demonstram que os vetores bicistrônicos baseados no elemento IRES de EMCV, e contendo o gene de LC no primeiro cístron, representam uma estratégia eficiente para a produção de mAbs em células CHO, possibilitando a obtenção de anticorpos devidamente caracterizados do ponto de vista estrutural e funcional, e que os diferentes protocolos de transfecção estável avaliados em células ExpiCHO™ conduziram a rendimentos volumétricos comparáveis (4,1 e 6,4 mg/L).
Abstract: Monoclonal antibodies (mAbs) currently represent the most relevant group of biological products in the biopharmaceutical market. Because these molecules are composed of two different polypeptide units — two light chains (LC) and two heavy chains (HC) — several strategies can be implemented to enable their proper expression in heterologous systems. Among these strategies, the use of monocistronic vectors (each containing the coding sequence for either LC or HC) and polycistronic vectors (in which two or more genes or cistrons are expressed from a single mRNA molecule) are well described, being the lader commonly based on internal ribosome entry site (IRES) elements. In this context, two mAbs with neutralizing activity against SARS-CoV-2, previously isolated by other research groups, were selected as model molecules to evaluate the application of a modular expression vector system based on native and adenuated versions of the IRES element from encephalomyocarditis virus (EMCV). The vector design enabled the generation of different types of constructs — mono-, bi-, or tricistronic —, alternating the positions of the LC- and HC-encoding genes relative to the EMCV IRES element. In the tricistronic version, an adenuated version of the EMCV IRES element was introduced upstream of a gene that assists in the detection (encoding green fluorescent protein) or in the amplification of gene expression (encoding the dihydrofolate reductase enzyme). For both mAbs, transient transfection experiments performed in Chinese hamster ovary (CHO) cells of the ExpiCHO™ playorm, showed higher production levels associated with the use of vectors containing the LC gene in the first cistron (for both bicistronic and tricistronic constructs). mAbs obtained by transient transfections using bicistronic vectors with the LC gene in the first cistron were purified by Protein A affinity chromatography and subsequently subjected to physicochemical, structural, and functional characterization. The study allowed the confirmation of the amino acid sequences (by nanoRPLC/MS-MS); the evaluation of secondary, tertiary, and quaternary protein structures (by circular dichroism, intrinsic fluorescence, and SEC-HPLC and TEM, respectively); the determination of electrophoretic migration profiles (by SDS-PAGE and western blot), size distribution (by SEC-HPLC), and N-glycosylation profiles (by HILIC-HPLC and LC/MS). In addition, the ability of the mAbs to bind to different variants of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein (by spot blot and LSPR) and to neutralize different viral strains (by in vitro neutralization assays) was also evaluated. Furthermore, one of the mAbs was selected as a candidate molecule for the development, through stable transfection, of constitutively producing cell lines based on the ExpiCHO™ playorm. Two different lipofection protocols were compared, using the cationic lipids Lipofectamine™ 3000 and ExpiFectamine™. Taken together, the results demonstrate that bicistronic vectors based on the EMCV IRES element and containing the LC gene in the first cistron represent an efficient strategy for mAb production in CHO cells, enabling the generation of antibodies that are properly characterized from both structural and functional perspectives, and that the different stable transfection protocols evaluated in ExpiCHO™ cells led to similar volumetric yields (4,1 and 6,4 mg/L).
Keywords: Anticorpos monoclonais
Vetores monocistrônicos
Vetores bicistrônicos
Vetores tricistrônicos
Células CHO
Sítios internos de entrada ribossomal
Proteína
Monoclonal antibodies
Monocistronic vectors
Bicistronic vectors
Tricistronic vectors
CHO cells
Internal ribosome entry site
Protein
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Bioquímica
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 15-Dec-2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: MARSILI, Federico Francisco. Expressão de anticorpos monoclonais anti-SARS-CoV2 em células CHO. 2025. 196 f. Tese (Doutorado) - Curso de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
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