Modélisation multiéchelle d'un bioprocédé de production d'anticorps monoclonaux

Multiscale modeling of a monoclonal antibody production bioprocess

• Auteur / Autrice : Alejandro Avilan garzon
• Direction : Eric Olmos, Bruno Ebel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Procédés Biotechnologiques
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe 3 - BIOPROMO - Bioprocédés Biomolécules
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Morchain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Olmos, Bruno Ebel, Cleo Kontoravdi, Emma Petiot, Céline Loubiere
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cleo Kontoravdi, Jérôme Morchain

Mots clés

Mots clés libres

Bioprocédés

Cho

Modélisation

Anticorps

Modelling

Bioprocess

Cho

Antibody

Résumé

Au cours des dernières décennies, la culture de cellules d'ovaire de hamster chinois (CHO) est devenue la méthode privilégiée pour la production industrielle de biothérapeutiques, notamment des protéines complexes comme les anticorps monoclonaux (AcM). Afin d'améliorer les performances, la robustesse et l'automatisation des processus, des jumeaux numériques ont été développés pour simuler et prédire le comportement des cultures à moindre coût. Leur développement doit s'appuyer sur des modèles biologiques et physiques intégrant les échelles microscopique (intracellulaire) et macroscopique (extracellulaire), en tenant compte des données du procédé. Les modèles cinétiques macroscopiques, généralement de type Monod, excluent la plupart des détails du métabolisme intracellulaire, reliant les produits aux concentrations de substrats extracellulaires. Ils sont simples à utiliser et nécessitent moins de paramètres, mais manquent de précision lorsque les conditions de culture changent. À l'échelle microscopique, le développement de modèles cinétiques tenant compte de l'ensemble du réseau métabolique reste difficile, notamment en raison du nombre élevé de paramètres cinétiques à déterminer. Plusieurs alternatives ont été proposées, telles que le modèle basé sur les contraintes Flux Balance Analysis (FBA), qui suppose un état intracellulaire stable et détermine la distribution des flux à partir des flux entrants et d'une fonction d'optimalité. Toutefois, ces modèles nécessitent des flux de consommation expérimentaux, ce qui limite leur capacité à prédire le comportement dynamique des cultures. Les modèles multi-échelles combinent la dynamique intracellulaire des modèles microcinétiques avec les dynamiques macroscopiques, la croissance cellulaire et les conditions de bioréacteur pour améliorer la précision. Ce travail vise à développer un modèle cinétique multi-échelle conservateur de masse pour la production d'AcM dans les cultures CHO. Une étude cinétique expérimentale a été réalisée sur la dynamique extracellulaire et intracellulaire de cultures discontinues de cellules CHO, mesurant les concentrations des principaux substrats, métabolites et produits. Les résultats ont permis de développer les modèles présentés. Un premier modèle basé sur la conservation des atomes a ainsi été développé. Comme toutes les protéines, les AcM sont composés d'acides aminés, eux-mêmes formés d'atomes de carbone, hydrogène, oxygène, azote et soufre (C.H.O.N.S), issus de sources présentes dans les milieux de culture commerciaux. Ce modèle cinétique atomistique repose sur le bilan de masse des atomes C.H.O.N.S au niveau cellulaire, en tenant compte de l'accumulation de métabolites intracellulaires et en couplant quatre phénomènes : i) le transfert de substrats et produits à travers la membrane, ii) les réactions intracellulaires, iii) la croissance cellulaire, et iv) la mort cellulaire. Pour les réactions intracellulaires, une approche simplifiée et nouvelle, basée sur la composition élémentaire de chaque espèce, est adoptée, modélisant la production d'AcM comme une réaction de polymérisation radicalaire, et la croissance cellulaire via le mécanisme de division. Ensuite, un modèle multi-échelle a été élaboré en couplant ce modèle avec un modèle microcinétique FBA. Ce dernier remplace le module de réactions intracellulaires, utilisant des flux de consommation déterminés par l'expression cinétique du modèle macroscopique. La distribution des flux obtenue et le taux de croissance calculé permettent de déterminer les concentrations des métabolites, qui sont ensuite intégrées dans les autres modules du modèle. La résolution simultanée de ce système aboutit à un modèle cinétique multi-échelle original, capable de décrire avec précision la dynamique intracellulaire sans nécessiter un grand nombre de paramètres complexes. Ce modèle reproduit les données expérimentales en termes de croissance cellulaire, de consommation de substrats et de vitesse de production.

Over the last decades, Chinese Hamster Ovary (CHO) cell culture has become the leading method for producing biotherapeutics, especially complex proteins like monoclonal antibodies (mAbs), due to their ability to perform post-translational modifications. To enhance performance, robustness, and process automation, digital twins have been developed to simulate and predict cell culture behavior quickly and at low cost. Efficient development of these digital twins requires integrating biological and physical models that cover scales from microscopic (intracellular) to macroscopic (extracellular). Macroscopic kinetic models, typically unstructured Monod-type models, simplify processes by excluding most intracellular metabolism details and focusing on extracellular substrate concentrations. While easier to use with fewer parameters, these models lack accuracy when culture conditions change. In contrast, microscopic models face challenges in modeling the entire metabolic network due to the complexity of determining numerous kinetic parameters. Flux Balance Analysis (FBA), a popular constraint-based model, assumes a steady intracellular state and predicts flux distribution using incoming fluxes and optimality objectives. However, steady-state models require experimental uptake fluxes, limiting their ability to predict dynamic culture behavior. Multiscale models, which combine microkinetic and macrokinetic understanding, offer a more accurate representation of CHO cell culture by linking intracellular dynamics to extracellular conditions and bioreactor parameters. This work focuses on developing a mass-conservative multiscale kinetic model for mAb production in CHO cell culture. An experimental kinetic study was conducted to observe both extracellular and intracellular dynamics, measuring concentrations of key substrates, metabolites, and products. These data served as the foundation for the models in this study. A primary model based on atomic conservation was first developed. Since mAbs, like all proteins, are composed of amino acids, they contain carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur (C.H.O.N.S.) atoms sourced from commercial culture media. This atomistic kinetic model relies on C.H.O.N.S. mass balance at the cell level, considering intracellular metabolite accumulation and coupling four key processes: (i) transfer of substrates and products across the cell membrane, (ii) intracellular reactions, (iii) cell growth, and (iv) cell death. Instead of modeling the entire metabolic network, a simplified approach based on the elemental composition of each species was used. The mAb production is modeled as a radical polymerization reaction, while cell growth derives from cell division. A multiscale model was then developed by coupling the atomistic model with a microkinetic FBA model. The FBA model replaces the intracellular reaction module, using the macroscopic model to determine uptake fluxes. The resulting flux distribution and calculated growth rates is used to obtain the concentrations of metabolites, which are then fed into other modules of the model. By solving this system simultaneously, a novel multiscale kinetic model was created. This model provides a detailed description of intracellular dynamics without requiring numerous parameters from complex intracellular kinetics. It successfully reproduces experimental data regarding cell growth, substrate consumption, and production rates.