A review of the inhibitory waste metabolites produced during mAb biomanufacturing

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作者
Zhao Wang,Caitlin S. Morris,Duc Manh Hoang,Jianlin Xu,Michael Borys,Seongkyu Yoon
出处
期刊:Biotechnology Progress [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1002/btpr.88567
摘要

Chinese hamster ovary (CHO) cell culture underpins commercial manufacturing of most therapeutic monoclonal antibodies, yet productivity and product quality remain constrained by inhibitory metabolic by-products that accumulate across batch, fed-batch, and perfusion processes. While lactate and ammonium have historically dominated monitoring and control strategies, untargeted metabolomics and stable-isotope tracing have substantially expanded the inventory of bioprocess-relevant inhibitors. This review synthesizes current understanding of 17 inhibitory metabolites spanning eight metabolic pathways. These include branched-chain amino acid catabolites (isobutyrate, isovalerate, and 2-hydroxyisocaproate), aromatic amino acid derivatives (phenyllactate, indole-3-carboxylate), nucleotide-pathway by-products (cytidine monophosphate, guanosine monophosphate, and succinyladenosine), and apoptosis-correlated species such as glycerol-3-phosphocholine and oxidized glutathione. Reported concentration thresholds are compiled for better-studied inhibitors, while correlative evidence linking accumulation to apoptosis, reduced productivity, and altered glycosylation is summarized. We evaluate the analytical workflow combining LC-MS and NMR for discovery, Raman spectroscopy for in-line monitoring, and stable-isotope tracing for pathway validation. Control strategies are critically compared across three tiers: media and feed reformulation (amino acid limitation, dynamic pH, or oxygen-uptake-rate-driven feeding), targeted and multiplex genetic engineering (BCAT1 knockout, combined LDHA/PDK editing), and keto-acid precursor substitution. We close by identifying concrete gaps, chiefly the absence of cell-line-independent inhibition thresholds, and argue that coupling genome-scale metabolic models with PAT data is the logical next step toward predictive, closed-loop mAb manufacturing.
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