Quantification et impact de collisions entre microporteurs lors de la culture de cellules souches mésenchymateuses en bioréacteurs

Quantification and impact of microcarrier collisions during mesenchymal stem cell culture in bioreactors

• Auteur / Autrice : Charlotte Maillot
• Direction : Eric Olmos, Dominique Toye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Amanda Andriola Silva Brun-Graeppi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Olmos, Dominique Toye, Jérôme Morchain, Joaquim M. S. Cabral
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Morchain, Joaquim M. S. Cabral

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collisions (physique)

Biomatériaux

Bioréacteurs

Cultures cellulaires

Cellules stromales mésenchymateuses

Mots clés libres

Culture de cellules souches mésenchymateuses

Bioréacteur

Microporteurs

MSC culture

Microcarrier

Bioreactor

Résumé

Les thérapies cellulaires et tissulaires sont des thérapies innovantes à base de cellules du patient (on parle alors de thérapies autologues) ou de cellules d'un donneur compatible (on parle alors de thérapies allogéniques). Contrairement aux médicaments chimiques ou à base des protéines souvent recombinantes (anticorps monoclonaux par exemple), le fait d'utiliser des cellules en tant que produit permet d'envisager de nouvelles cibles thérapeutiques qui peuvent être difficiles d'accès, et aussi d'augmenter la spécificité en engageant une transition vers des médecines ciblées et personnalisées. Cependant, le caractère vivant des thérapies (pour lesquelles les cellules en elles-mêmes constituent la thérapie) amène aussi une technicité en terme de production. En effet, les processus de production de ces nouvelles médecines doivent garantir une qualité des produits cellulaires dont les attributs et moyens de vérification d'activité sont souvent peu définis et/ou complexes. C'est d'autant plus une problématique que la qualité des matières premières peut être variable d'un donneur à un autre, particulièrement dans le cas de thérapies autologues pour lesquelles les patients ont bien souvent un système immunitaire et une qualité de don affecté par leur maladie. Pour commencer, une approche quantitative pour estimer la croissance cellulaire et la cinétique de mort causées par les collisions microporteur-microporteur dans les flacons Erlenmeyer spinner est décrite. Pour cela, les cellules ont été cultivées à différentes concentrations de microporteurs en utilisant deux types de microporteurs : Cytodex-1 et Synthemax II. Des cultures complémentaires ont été réalisées en ajoutant diverses concentrations de particules de même taille et densité que les microporteurs en vue de fournir des informations spécifiques sur la façon dont des particules supplémentaires peuvent avoir un impact sur la croissance des MSC sur les microporteurs. De plus, des éléments de caractérisation MSC ont été réalisés pour ces expériences afin de comprendre non seulement l'impact des interactions microporteur-microporteur sur la croissance mais aussi sur des éléments définis de la qualité cellulaire. En parallèle, afin d'estimer la quantité et l'intensité des collisions microporteurs-microporteurs dans une géométrie spécifique, des expériences ont été réalisées en utilisant à la fois l'atténuation de la lumière par les microporteurs Cytodex-1 (pour estimer la concentration locale de microporteurs) et des signaux acoustiques qui proviennent de particules entrant en collision avec un hydrophone (pour estimer la fréquence et l'intensité de la collision microporteur-capteur). Ces expériences ont fourni des éléments pour estimer la quantité de collisions de particules que les MSC peuvent percevoir pendant des phases dynamiques et stables, spécifiques aux cultures cellulaires en bioréacteur. Enfin, une approche basée sur les bioréacteurs pour la fabrication de MSC est présentée en se concentrant sur les aspects biologiques de l'impact de la concentration et de l'agitation des particules sur la croissance et les attributs de qualité des MSC. Pour cela, diverses cultures de MSC ont été réalisées dans des STR avec des concentrations de particules et des stratégies d'agitation variables. Les MSC produites dans ces conditions ont ensuite été caractérisées pour définir si certains attributs de qualité pouvaient être affectés par des paramètres tels que la concentration et/ou l'agitation des microporteurs.

To date, bottlenecks persist concerning deep scientific understanding of how various process parameters will impact the Mesenchymal Stem Cell production. Specifically applied to microcarrier-based expansion processes of WJ-MSC's, very little information is available to characterize the impact of microcarrier concentration on MSC growth and death rates or on critical quality attributes which may have crucial and possibly dangerous clinical impacts. As a result, the following work proposes to rationally describe the impact of particle concentration on MSC growth through a pluri-disciplinary characterization of microcarrier-microcarrier interactions in agitated conditions. In order to do so the biological and physical aspects of this work will be presented. To begin with, a quantitative approach to estimate cell growth and death kinetics caused by microcarrier-microcarrier collisions in both Erlenmeyer Flasks and Spinner Flasks is described. For this, cells were grown at various microcarrier concentrations using two microcarrier types : Cytodex-1 and Synthemax II. Complementary cultures were performed by adding various concentrations of particles with the same size and density as microcarriers in view of providing specific information on how additional particles may impact MSC growth on microcarriers. In addition, elements of MSC characterization were performed for these experiments to understand not only the impact of microcarrier-microcarrier interactions on growth but also on defined elements of cell quality. In parallel, in order to estimate the amount and intensity of microcarrier-microcarrier collisions in a specific tank geometry, experiments were performed using both the attenuation of light by Cytodex-1 microcarriers (to estimate local microcarrier concentration) and the acoustic signal which comes from particles colliding with a hydrophone (to estimate microcarrier-sensor collision frequency and intensity). These experiments provided elements to estimate the amount of particle collisions that MSC's may perceive during specific dynamic and steady phases of cell culture in STR's. Lastly, a bioreactor-based approach to MSC manufacturing will be presented focusing on biological aspects of how particle concentration and agitation impacts MSC growth and quality attributes. For this, various MSC cultures were performed in STRs with varying particle concentrations and agitation strategies. The MSC's produced in these conditions were then characterized to define if certain critical quality attributes could be affected by parameters such as microcarrier concentration and/or agitation.