Design of a demonstrator for industrial production of red blood cells from stem cells, in a transfusion purpose

• Auteur / Autrice : Guillaume Rousseau
• Direction : Luc Douay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biothérapies et biotechnologies
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Hématologie, oncogenèse et biothérapies (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Techniques de culture cellulaire

Transfusion sanguine

Coût-efficacité

Bioréacteurs

Cellules souches hématopoïétiques

Mots clés libres

Bioprocédé

Résumé

La transfusion de globules rouges est une pratique médicale courante utilisée dans de nombreuses situations cliniques, dans le but de restaurer le taux d'hémoglobine d'un patient anémique ou de reconstituer sa volémie. Divers systèmes de collecte ont été mis en place à travers le monde depuis des dizaines d'années pour aboutir à un produit d'utilisation généralisée de plus en plus sûr. Toutefois, les pays en voie de développement sont aujourd'hui confrontés à des déficits quantitatifs majeurs, tandis que les pays disposant des meilleures capacités de collecte restent confrontés à des insuffisances qualitatives sur certaines applications spécifiques. Pour toutes ces raisons, le monde de la recherche travaille depuis des décennies à développer des alternatives au don du sang. Parmi celles-ci, une voie particulièrement prometteuse est la production ex vivo de globules rouges de culture. Cette méthode consiste à fabriquer artificiellement des globules rouges humains, à partir de cellules souches de différentes origines. Elle nécessite une expertise biologique pour contrôler la croissance et la différenciation des cellules, ainsi que la maîtrise d'un procédé technique qui autorise la production économique de globules rouges à l'échelle industrielle. Le monde académique s'est essentiellement intéressé à la problématique biologique jusqu'à ce jour. Les meilleurs protocoles publiés permettent théoriquement la production de plusieurs dizaines de culots globulaires à partir des cellules souches hématopoïétiques isolées d'un sang placentaire, la fonctionnalité des globules rouges produits est comparable à celle de globules rouges natifs, et ils survivent favorablement une fois injectés chez l'humain. Notre travail a consisté principalement en la mise en place d'un outil et d'un procédé qui permettent de projeter ce savoir-faire biologique vers une application clinique économiquement viable. Dans une démarche de preuve de principe, nous avons (i) mis au point un procédé de culture dynamique en bioréacteur dont le rendement est identique au savoir-faire statique en flasque, puis (ii) conçu un procédé de perfusion innovant permettant la concentration efficace des cellules en culture ainsi que la pleine exploitation des molécules les plus onéreuses de notre milieu de culture. Nous avons ainsi atteint une concentration maximale de plus de 108 cellules/mL, 20 fois plus élevée que la concentration standard en culture statique. Cet accomplissement permet d'envisager la production d'un culot globulaire dans un volume de 30 litres. Le procédé innovant de perfusion a quant à lui permis de réduire le coût de revient de plus d'un facteur 4, avant optimisation. A l'issue de ce travail, nous disposons d'un chemin crédible pour produire des globules rouges de culture à grande échelle. Certains aspects du procédé restent encore à définir, mais la plupart ne présentent plus de verrou théorique et pourraient être développés par un travail ambitieux de recherche et développement. La problématique du coût de production demeure centrale malgré les avancées enregistrées ; des pistes d'économies sont proposées, mais la conversion effective de cette recherche en un produit clinique révolutionnaire nécessiterait la convergence de nombreuses compétences scientifiques et industrielles complémentaires, ainsi que des investissements substantiels

Blood transfusion is a common medical practice used in several clinical applications, aimed at restoring the level of hemoglobin of anemic patients, or reconstituting their full blood volume. Diverse public collection agencies have been set up across the world in the past decades in order to get a safer and more widespread product. Nevertheless, emerging countries are still facing massive quantitative deficits, while the ones with best collection capacities remain exposed to local qualitative insufficiencies in some specific applications. For ail these reasons, the academic world has been looking for alternatives to blood donation for decades. Amongst them, a very promising route is the ex vivo production of red blood cells, which consists in making human red blood cells artificially, from stem cells of various origins. This concept requires both a biological expertise in order to control the growth and the differentiation of the cells, and a robust industrial process allowing the economical production of red blood cells on an industrial scale. Academic research has mainly focused on the biological aspect up to now. Published protocols theoretically allow production of several dozens of red blood cells units from hematopoietic stem cells isolated from one cord blood. The functionality of produced red blood cells has proved similar to native ones, and their survival compares favorably when injected in a human. On the other hand, how to scale up the production process and reduce costs has not been the subject of many articles. This is the main topic of this thesis. In a proof of concept approach, we have (i) set a dynamic culture process in a bioreactor conserving the same output of the static plastic flasks, and (ii) conceived an innovative perfusion process allowing the concentration of cells in culture as well as the conservation and reuse of the most expensive constituants of our culture medium. We have reached a maximal cell concentration of 108 cells/mL, which is more than 20 times higher than the cell concentration obtained in static conditions. This accomplishment allows us to consider production of a red blood cells unit in a 30 liters bioreactor. Meanwhile, the economical perfusion process allowed us to reach a more than 4-fold reduction of the process costs, before optimizations. This work has paved the way for a credible process to produce red blood cells at a large scale. Some aspects of the process remain elusive and have to be adressed, but most theoretical barriers have been lifted, and they could be developed through an ambitious research and development program. Cost remains the major issue, despite the progress that has already been made in this thesis. Ideas for possible cost-cutting measure; are considered, but the efficient conversion of this research into a clinical product would require the convergence of several scientific and industrial complementary competencies, together with substantial investments.