Development of a Production Process for a Virus Like Particle Based Vaccine in Cell Culture

Chaque année, le virus de l'influenza est responsable d'un grand nombre de maladies et décès. Aux vues de la fréquence élevée de mutation du virus, l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS) est en alerte permanente afin de répondre rapidement à toute émergence d'une souche pandémique. Bien que des thérapies anti-virales existent, la méthode la plus efficace contre toute propagation de la maladie est la vaccination. La majorité des vaccins disponibles sur le marché sont produits dans des oeufs et sont composés d'antigènes viraux purifiés séparés des virus entiers inactifs. Le système de production n'est cependant pas adapté à une situation de pandémie, la capacité étant limitée à une dose de vaccin par oeuf. Aussi, l'intervalle de 6 mois entre l'identification de la souche virale et la production du vaccin est trop longue pour envisager répondre de manière adéquate à la case l'émergence d'une pandémie. Pour ces raisons, les procédés de production de virus par culture cellulaire peuvent permettre de répondre de manière adéquate à une pandémie potentielle. Récemment, la Food and Drug Administration (FDA) a approuvé deux vaccins produits par culture cellulaire, le premier étant produit dans des cellules de mammifère tandis que le second est produit de manière recombinante dans des cellules d'insecte. Les vaccins à base de particules pseudo-virales (PPVs) représentent une des approches les plus prometteuses afin de répondre à la menace constante de l'apparition de souches pandémiques. Les PPVs sont des particules produites en culture cellulaire de manière recombinante et qui sont composées d'antigènes viraux capables d'induire une réponse immunitaire, bien que ces particules soient dénuées de matériel génétique viral. Alors que la plupart des travaux effectués sur les PPVs de l'influenza se sont concentrés sur les aspects immunologiques, peu d'études se sont attachées au procédé de production lui-même, et en particulier à son adaptation à une production industrielle. Une autre difficulté résulte du fait que les chercheurs ont jusqu'à présent utilisé des méthodes standards de quantification du virus de l'influenza afin de caractériser les vaccins potentiels, ces méthodes étant compatibles pour la quantification d'échantillons purifiés. Elles ne sont pas compatibles, cependant, avec l'analyse d'échantillons durant le procédé de production. C'est une des raisons pour lesquelles l'étude du procédé de production lui-même reste à accomplir. viii Les études précédentes sur les PPVs de l'influenza ont été principalement effectuées dans des cellules d'insecte en utilisant le système d'expression du baculovirus (BEVS). Ces études ont également démontré une contamination par le baculovirus recombinant. Cependant, il a été également démontré que le baculovirus comprenant des promoteurs de mammifères (Bacmam) est capable de transduire de manière efficace des cellules de mammifères et d'exprimer ultérieurement des gènes sous le contrôle de promoteurs de mammifères. Un tel baculovirus est ainsi incapable de se répliquer, ce qui réprime de manière efficace la production contaminante de baculovirus. Afin de remédier à une possible contamination par le baculovirus, la production de PPVs a été effectuée dans des cellules HEK 293 cultivées en suspension en utilisant le système Bacmam. Le système fut évalué pour sa capacité de production PPVs de l'influenza composées d'hémaglutinine (HA), de neuraminidase (NA) ainsi que de protéines matricielles (M1). Ces PPVs ont ensuite été comparées à des PPVs produites dans ces cellules Sf9. Les PPVs des deux systèmes ont été caractérisées avec les méthodes de quantification présentement disponibles : test SRID (single radial immunodiffusion assay), test d'hémagglutination, microscopie électronique en coloration négative et western blot. Les PPVs étaient présents dans le culot ainsi que dans le surnageant dans la production pour les cellules HEK 293. Dans les cellules Sf9, la production de PPVs était 1.5 log plus importante que dans les cellules HEK 293. Les PPVs produites dans les cellules Sf9 avaient une activité totale HA plus importante et étaient de manière générale plus homogènes en termes de morphologie et taille. Cependant, les PPVs produites dans les cellules Sf9 contiennent 20 fois plus de baculovirus que de PPVs, ce qui peut contribuer à l'activité détectée dans les tests HA et SRID. Cette conclusion doit être prise en compte au cours du développement du procédé de production. Cette étude démontre les avantages du système de baculovirus pour la production de PPVs dans les cellules d'insecte par rapport à de la production dans les cellules HEK 293. Cette étude démontre également qu'une purification du baculovirus contaminant est également nécessaire avant de pouvoir considérer ces PPVs comme des vaccins potentiels.

Abstract

Each year, influenza is the cause for many cases of illness and deaths worldwide. Due to the virus' fast mutation rate, the World Health Organization (WHO) is constantly on alert to be able to respond rapidly in the case of the emergence of a pandemic strain. Although anti-viral therapies exist, the most proficient way to stop the spread of disease is through vaccination. The majority of influenza vaccines on the market are produced in embryonic hen's eggs and are composed of purified viral antigens split from inactivated whole virus. This manufacturing system, however, is limited in its production capacity, especially in the case of a pandemic, producing approximately one vaccine dose per egg. Additionally, the process from strain identification to vaccine release is about 6 months, which is relatively long especially if a vaccine is urgently needed. For this reason, cell culture processes for vaccine production are a topic of interest amongst the vaccine industry to better respond to the threat of a potential influenza pandemic. Recently, the FDA, supporting the basis for this research, has approved two cell culture based vaccines, the first produced in mammalian cells and the second in insect cells using recombinant technology. Virus-like particle (VLP) vaccines are one of the most promising approaches to respond to the constant threat of the emergence of pandemic strains. VLPs are particles produced in cell culture utilizing recombinant protein technology composed of viral antigens that can elicit immune response but lack viral genetic material. Most of the work done on influenza VLPs have focused on the immunological aspects of VLPs with little attention paid to bioprocessing, in particular the scalability of the production methods. Another challenge stems from the fact that researchers have used standard influenza virus quantification techniques up to this point to characterize VLP vaccine candidates, as they are suitable methods to use for purified samples. These methods, however, are not suitable for in-process analysis of samples, which is generally the case for process development. As a result, process development is quite challenging without an appropriate quantification method, which is one reason this avenue has not been fully explored. Past influenza VLP studies have been mainly performed in the baculovirus expression vector system (BEVS) in insect cells and report contamination with recombinant baculovirus. However, baculovirus with mammalian promoters (Bacmam) have been shown to efficiently transduce vi mammalian cells and further express genes under mammalian promoter control but are unable to replicate, efficiently repressing contaminating baculovirus production. In order to address the issue of baculovirus contamination, VLP production was performed in HEK 293 suspension cells using the Bacmam gene delivery system. The proposed system was assessed for its ability to produce influenza VLPs composed of Hemagglutinin (HA), Neuraminidase (NA) and Matrix Protein (M1) and compared to VLPs produced in Sf9 cells through the lens of bioprocessing. VLPs from both systems were characterized using currently available influenza quantification techniques such as single radial immunodiffusion assay (SRID), HA assay, negative staining electron microscopy (NSEM) and western blot. VLPs were found to be associated with the cell pellet in HEK 293 production in addition to in the supernatant. It was found that VLP production in Sf9 cells produced 1.5 logs more VLPs than in HEK 293. Sf9- VLPs had higher total HA activity and were generally more homogeneous in morphology and size. However, Sf9 VLP samples contained 20 times more baculovirus than VLPs. Baculovirus can contribute to HA activity in both the HA assay and SRID, which should be acknowledged during process development stages. This study shows the strength of the insect-cell baculovirus system for VLP production when compared to proposed alternatives in HEK 293 cells from the bioprocessing point of view but also highlights that there is a major need for baculovirus removal to properly characterize and consider them as vaccine candidates.