Exploring the potential of 3D bioprinted cellularized structures as an innovative platform for bioproduction of recombinant proteins
Etude du potentiel des structure bio-imprimées en 3D comme nouvelles plateformes pour la production de protéines recombinantes
Résumé
The biopharmaceutical market has witnessed exponential growth and continuous evolution since the first industrial production of animal cell-based therapeutics in the late 1960s. Nevertheless, the quest for improved biomanufacturing processes faces persistent challenges, particularly in achieving high cell density and productivity. The existing technologies have struggled to meet the ever-increasing global demand for therapeutic agents and traditional bioreactor cultures of animal cells in suspension or as monolayers remain limited. This project originated from a collaborative effort between the academic platform 3D.Fab (ICBMS – Université Lyon 1) and the industrial company Sartorius. Our goal is to leverage the combined scientific expertise of both parties to introduce an innovative biomanufacturing strategy for producing recombinant proteins. We propose the application of bioprinting as a novel biofabrication tool to create complex, controlled, and reproducible 3D adherent cultures of various production cell lines. The objective is to explore the potential of 3D adherent cell cultures in addressing the limitations of current culture-based production. Our work has provided a deeper understanding of the global changes in cellular kinetics within 3D cultures and has described both the advantages and limitations of this culture method for bioproduction. We demonstrated that mAb-producing cell lines cultivated in such 3D bioprinted constructs exhibited higher specific productivity than our suspended bioreactor culture reference, and equivalent specific productivity compared to values reported in the literature for optimized fed-batch suspension cultures. Thus, we have demonstrated the potential of this technology to increase cell-specific productivity and raised questions about its potential to surpass the current maximum cell-specific productivity of 90 pg/cell/day. The 3D bioprinted culture of these production cell lines could be scaled up and cultivated in a custom bioreactor system with full control over key culture parameters. However, the inability of 3D cell culture to reach the high cell densities achieved in standard culture processes results in low volumetric productivity that cannot compete with current industrial bioprocesses. Our work has demonstrated that optimizing bioprinting parameters and hydrogel properties could enhance cell proliferation and increase the maximum cell density achievable. Nonetheless, while it is theoretically possible for cells to grow at very high cell density by colonizing 100% of the construct volume, it remains uncertain whether such a phenomenon is practically achievable. In fact, the greater resemblance of 3D cell culture to the in vivo environment may also trigger in vivo-like responses, such as cell-contact-induced apoptosis. Our research has indicated the presence of successive growth phases interspersed with stationary phases or even a reduction in cell density for some cell lines, which aligns with the growth-apoptosis cycles observed in tissues. Furthermore, existing in situ transfection tools have been studies for progressive insertion of genetic material in cells grown in 3D cultures. Such technology has not yet achieved efficiencies equivalent to those reported in monolayer or suspension cultures. Our work has not been able to overcome this obstacle, but we have proposed suggestions for improving in situ transfection efficiency. The insight provides by this work led to the conclusion that, with current technical capabilities, this technology does not present a compelling alternative to standard large-scale industrial bioproduction processes for recombinant proteins. Nevertheless, its similarity to the in vivo environment, increased specific productivity, and the cell-protective effects of the hydrogel matrix against hydrodynamic stresses present intriguing potential for personalized or niche therapies, such as stem cell-based treatments or extracellular vesicle production.
Le marché des biopharmaceutiques a connu une croissance exponentielle et continue depuis la première production industrielle de biomolécules issues de lignées cellulaires animales à la fin des années 1960. Néanmoins, l’amélioration des procédés de bio-production se heurte à des défis persistants, notamment en ce qui concerne la densification des cultures et l’augmentation de la productivité. Les technologies existantes ont peinent à la demande mondiale croissante et les cultures de cellules animales en suspension ou en monocouche dans les bioréacteurs traditionnels présentent un potentiel d’amélioration limité. Ce projet de thèse, issu d'une collaboration entre la plateforme académique 3D.Fab (ICBMS - Université Lyon 1) et l'entreprise Sartorius, a pour objectif de combiner l'expertise scientifique des deux parties pour proposer une stratégie innovante de production de protéines recombinantes. La bio-impression a été introduite comme outil de bio-fabrication novateur pour créer des cultures adhérentes de différentes lignées cellulaires de production en 3D avec des géométries complexes, contrôlées et reproductibles. L'objectif est d'explorer le potentiel des cultures adhérentes en 3D pour surmonter les limitations des procédés de production actuels. Notre travail a permis une meilleure compréhension des changements globaux des cinétiques cellulaires au sein des cultures en 3D et a décrit les avantages et les limitations de cette méthode de culture pour la bio-production. Nous avons démontré que les lignées cellulaires produisant des anticorps monoclonaux cultivées dans des structures 3D bio-imprimées présentaient une productivité spécifique plus élevée que notre culture de référence en bioréacteur en suspension, et une productivité spécifique équivalente aux valeurs rapportées dans la littérature pour les cultures optimisées en suspension alimentée (fed-batch). Ainsi, nous avons démontré le potentiel de cette technologie pour augmenter la productivité spécifique des cellules et soulevé des questions quant à sa capacité à surpasser la productivité spécifique maximale actuelle de 90 pg/cellule/jour. Nous avons ensuite pu réaliser des cultures bio-imprimées à plus large échelle en développant un système de bioréacteur personnalisé avec régulation des principaux paramètres de culture. Cependant, l'incapacité des cultures bio-imprimées à atteindre des densités cellulaires élevées entraîne une faible productivité volumique qui ne peut pas rivaliser avec les bioprocédés industriels actuels. Ensuite, nous avons démontré que la ressemblance de la culture cellulaire en 3D avec l'environnement in vivo peut déclencher des réponses physiologiques telles que l’alternance de cycles de croissance et d’apoptose, semblables à ceux observés dans les tissus in vivo. Finalement, des outils de transfection in situ ont été étudiés pour l'insertion progressive de matériel génétique dans les cellules cultivées en 3D. Cette technologie n'a pas permis d’atteindre des efficacités équivalentes à celles rapportées dans les cultures en monocouche ou en suspension. Notre travail n'a pas pu surmonter cet obstacle, mais nous avons proposé des suggestions pour améliorer l'efficacité de la transfection in situ. Les résultats présentés dans ce travail nous ont amenés à conclure qu'avec les capacités techniques actuelles, cette technologie ne présente pas une alternative convaincante aux procédés industriels courants pour la production de protéines recombinantes. Néanmoins, sa similarité avec l'environnement in vivo et sa capacité à augmenter la productivité spécifique présentent un potentiel intéressant pour les traitements personnalisés ou thérapies de niche, telles que les traitements à base de cellules souches ou la production de vésicules extracellulaires.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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