Development of a Dynamic Model to Describe CHO cells Metabolic Network and Regulation

L'objectif principal de ce travail est de démontrer qu'une approche de modélisation dynamique peut être utile pour comprendre le comportement du métabolisme central du carbone des cellules CHO. La première partie de ce travail se concentre sur le développement d'un modèle dynamique de cellules CHO du métabolisme primaire. Ce travail a été inspiré par un modèle cinétique métabolique auparavant développé dans notre groupe pour décrire le métabolisme cellulaire primaire decellules de plante. Le modèle métabolique a été développé et calibré à l'aide de données obtenues au préalable par notre groupe dans des cultures de cellules CHO produisant un activateur du tissu plasminogène recombinant en bioréacteur. En plus des données de base, telles les concentrations en biomasse, en glucose, en lactate, en glutamine et en ammoniac, les concentrations intracellulaires de plusieurs nucléotides et la consommation d'oxygène par cellule étaient également disponibles. Le principal résultat de cette partie consiste en un modèle métabolique cinétique qui permet de décrire le comportement des voies métaboliques majeures dans les cellules CHO, c'est-à-dire la glycolyse, la voie des pentoses phosphate, le cycle des acides tricarboxyliques, la glutaminolyse ainsi que la respiration cellulaire. Le modèle possède 30 réactions et plus de 72 paramètres. Les simulations obtenues à l'aide du modèle permettent de décrire les données expérimentales, ce qui suggère que la structure proposée du modèle est en accord avec le fonctionnement biologique des cellules CHO. Le modèle a également été utilisé pour étudier l'effet qu'a l'induction par le butyrate de sodium sur une culture de cellules CHO, celui-ci étant un produit chimique couramment utilisé pour augmenter la production spécifique de protéines recombinantes. En considérant le nombre élevé de paramètres, l'adaptation du modèle a été minime, nécessitant le changement de seulement quelques paramètres, en accord avec les modifications de l'expression des gènes rapportées pour décrire l'effet du butyrate de sodium sur des cellules CHO. Bien que principalement spéculatifs tout en reposant sur des simulations du modèle, les résultats concordent avec les données ainsi qu'avec les hypothèses issues de la littérature concernant l'effet du butyrate de sodium sur le métabolisme des cellules CHO. vi Dans une seconde partie, la capacité descriptive du modèle a également été évaluée à l'aide de données provenant d'une autre lignée cellulaire CHO recombinante cultivée à des conditions de culture différentes. Le modèle a été testé pour simuler des cultures discontinues de différents clones d'une lignée de cellules CHO ayant été génétiquement modifiée pour posséder un système d'expression inductible utilisant le cumate comme agent inducteur et permettant la production d'anticorps monoclonaux anti-CD 20. Une lignée présentant unefaible production spécifique et une lignée possédant une plus haute production ont été comparées à la lignée parentale. De plus, il a été possible d'augmenter le nombre de métabolites extracellulaires et intracellulaires à l'étude. Il a été démontré que la structure du modèle permet à celui-ci de facilement s'adapter à une autre lignée cellulaire CHO et ses clones, en ne nécessitant encore une fois qu'un nombre limité de modifications au modèle, qui ont été interprétés et analysés comme caractéristiques de lignées cellulaires spécifiques. La portée du modèle a été étendue ici de manière à décrire aussi le métabolisme des acides aminés et de la production d'anticorps. Il comprend donc maintenant 35 réactions et 92 paramètres. Toutefois, une modification limitée, c'est-à-dire trois et cinq paramètres pour la lignée à faible production et celle à production élevée respectivement, a permis des simulations qui décrivent avec précision les différences sur le plan métaboliques liées à la variation clonale. En se fiant à nos résultats, il est clair que ce modèle dynamique peut être facilement adapté à l'ensemble des cultures existantes. Enfin, dans la troisième partie de la thèse, le comportement du modèle a été étudié tout en intégrant la régulation métabolique de la glycolyse. Le but de cette étude était d'évaluer dans quelle mesure notre modèle cinétique peut décrire l'effet d'une perturbation soudaine sur le comportement du métabolisme cellulaire, tout en ayant été calibré à l'aide des données de culture montrant une dynamique lente. Les mécanismes de régulation connus de la glycolyse des cellules de mammifères, tels que les mécanismes d'inhibition par rétroaction, par anticipation et les mécanismes d'activation par des métabolites glycolytiques et les variables énergétiques ont été intégrés dans le modèle. Une expérience in silico a été réalisée en ajoutant un stress hypoxique soudain, diminuant à 10% de saturation de l'air. Le modèle a ensuite été modifié pour inclure l'effet de sept fonctions de régulation, à savoir l'inhibition par anticipation ou par rétroaction et l'activation de métabolites de la glycolyse et l'activation par rétroaction de l'état vii énergétique de la cellule, dans la voie de la glycolyse avec un paramètre pour chaque cas. Fait intéressant, la structure du modèle avec la glycolyse régulée résulte à la simulation du passage d'un métabolisme de phosphorylation oxydative à un métabolisme de la glycolyse anaérobique, un résultat qui est en accord avec la littérature. Le modèle développé a ainsi montré une capacité prédictive. En conclusion, ce travail a abouti à un modèle dynamique décrivant le comportement du métabolisme des cellules CHO, et qui pourrait être utile comme outil in silico pour l'optimisation des bioprocédés.