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Production efficace de protéines par des cellules d'insectes en
bioréacteur perfusé à haute densité cellulaire
Efficient protein production from insect cells in a high-cell
density perfused bioreactor
Les cultures de cellules d'insectes à grande échelle présentent un intérêt considérable pour la
production de protéines ou de vecteurs viraux, principalement dans le secteur pharmaceutique mais
aussi dans le secteur de l'agriculture. La manipulation des cellules d'insectes lépidoptères au moyen des
vecteurs de baculovirus ("baculovirus expression vectors", BEV) a révolutionné l'expression de
nombreuses protéines hétérologues. Parmi les avantages du système cellules d'insectes-BEV citons : (1)
les niveaux très importants d'expression protéique par rapport à ceux de la plupart des systèmes de
cellules de mammifères ainsi que plusieurs systèmes microbiens; (2) la capacité d'assurer correctement
des modifications post-traductionnelles souvent essentielles à l'activité biologique des produits
synthétisés (glycosylations, phosphorylations, ponts di-sulfures, sécrétion); (3) son indépendance de
systèmes parallèles ("helper independence") et l'absence d'activation d'oncogènes dormants; et (4) la
manipulation aisée des BEV qui permet l'insertion (sous la direction du promoteur baculoviral de
polyhédrine très puissant) des séquences encodant un très grand nombre de protéines provenant de
presque n'importe quel type d'organisme ou de tissu y inclus des protéines cytotoxiques. Les protocoles
de production de protéines (thérapeutiques ou diagnostiques) et de baculovirus recombinants
(biopesticides de deuxième génération) sont toujours basés sur des manipulations en échelle de
laboratoire. Néanmoins, l'industrie commence à en nécessiter de grandes quantités, difficilement
produites dans les conditions actuelles. La technologie de propagation de cellules animales tend vers le
développement des cultures continues avec rétention des cellules (perfusion) tout en renouvelant
continuellement le milieu de culture. Un "bottleneck" de cette technologie, surtout pour la culture des
cellules d'insectes, est l'observation fréquente d'une diminution de la production spécifique des cellules
avec l'augmentation de la densité cellulaire. Ce projet cherche (a) à mieux comprendre les mécanismes
par lesquels une haute densité cellulaire (souhaitable en bioréacteur perfusé) affecte le métabolisme des
cellules, (b) à identifier les exigences des cellules en oxygène et en nutriments pour leur croissance et
pour la multiplication virale, et (c) à optimiser les cultures perfusées à haute densité cellulaire.
Large-scale insect cell culture is attractive for the production of proteins or viral vectors,
mainly in the pharmaceutical sector but also in agriculture. The manipulation of
lepidopteran insect cells by means of baculovirus vectors ("baculovirus expression vectors",
BEV) has revolutionized the expression of many recombinant proteins. Advantages of the
insect cells-BEV system include very high levels of protein expression compared to most
mammalian cell and several microbial systems, the capacity of post-translational
modifications, its helper system-independence, the absence of dormant oncogene activation,
and the easy manipulation of the BEV. The latter allows the insertion (under the control of
the powerful baculoviral polyhedrin promoter) of sequences coding for a wide variety of
proteins, including cytotoxic ones. The protocols currently used for production of
recombinant protein or baculovirus are based on bench-scale manipulations and are not
fully adapted to the industry’s needs. The propagation technology for animal cells involves
concentration gradients of nutrients as well as of dissolved O2 and CO2, whose
consequences on cell growth and protein productivity are not well understood. There are
indications of adverse effects of such gradients on cellular productivity in high-cell density
conditions such as those occurring in continuous perfused cultures. This project aims to a)
better understand the mechanisms by which nutrient gradients in high cell density (in a
perfused bioreactor) affect cell metabolism and protein expression, b) identify the cellular
needs in terms of oxygen and nutrients for cell growth and viral propagation, and c)
optimize perfused cultures of high cell density.
Dans son travail récent comme académique à Rutgers University (New Jersey, Etats-Unis), le
demandeur a dirigé une des premières réalisations réussies en culture des cellules d'insectes en
bioréacteur. En outre, de son Unité de Génie Biologique, le demandeur anime un groupe de recherche
sans murs informellement appelé "Groupe UCL de Bioingéniérie Cellulaire" en étroite collaboration
avec CESAME (FSA, Prof. G. BASTIN) et l'Unité de Biochimie (FS, Prof. Y-J. SCHNEIDER). Ces
deux collègues avec expertises complémentaires ont déjà participé avec le demandeur en des
propositions de projets de recherche sur la technologie des cellules animales cultivées en conditions
strictement réglées. La présente recherche s'insérera dans le cadre de cette collaboration.