Planification expérimentale dans la modélisation métabolique des cellules CHO

Bien que les cellules CHO soient principalement utilisées par l'industrie pharmaceutique actuellement pour produire la majeure partie des protéines recombinantes, ces bioprocédés présentent toujours des coûts de production élevés. Aussi, plusieurs approches sont étudiées en recherche pour améliorer les procédés de culture et de production. Mais que cela soit par l'amélioration des milieux de culture, de la génétique de la cellule ou encore des appareillages utilisés, il semble essentiel de comprendre le comportement des cellules dans leur environnement de culture et de production. De multiples études abordent déjà cette problématique, par analyse de flux métabolique et/ou par la modélisation du comportement cellulaire en lien avec leur environnement. Dans ce contexte, un modèle dynamique peut prétendre à mieux décrire le comportement du métabolisme cellulaire au cours du temps, permettant une identification des étapes de croissance, de production, de mort cellulaire etc. Ainsi, notre groupe a préalablement développé un tel modèle du métabolisme primaire des cellules CHO. Se concentrant sur le métabolisme central du carbone, ce modèle inclut les cinétiques de réaction et de régulation des multiples flux métaboliques considérés. Le modèle comportant un très grand nombre d'inconnues par rapport à ses variables, il est très sous-déterminé et ainsi est très dépendant des mesures intra et extracellulaires obtenues pour le calibrer. Cependant les expérimentations sur les cellules CHO sont coûteuses et prennent du temps, il convient donc de s'assurer que des mesures supplémentaires améliorent en effet notre modèle. Dans ce contexte, la planification expérimentale est très efficace, car elle fournit une méthode qui a pour but de déterminer précisément une ou plusieurs expériences avec des paramètres d'entrée (composition du milieu, température etc.) identifiés et contrôlés, et dont les mesures expérimentales permettent de réduire l'erreur de détermination sur les paramètres calculés du modèle. Ce mémoire présente ainsi le travail de planification expérimentale effectuée sur une lignée de cellules CHO haute productrice. À partir du modèle déjà développé, une analyse de sensibilité a été faite sur l'ensemble des paramètres du modèle dans le but d'identifier ceux qui influencent le plus la qualité du modèle dans sa globalité. Ces paramètres sont ensuite re-identifiés à partir des données déjà produites, pour s'assurer que le modèle simule correctement. Par la suite une première étude a révélé que l'oxygène est un facteur de contrôle très intéressant pour une planification expérimentale, mais il convient de confirmer la bonne modélisation du comportement cellulaire vis-à-vis de celui-ci. Ainsi des expériences de respiration cellulaire ont permis de déterminer l'affinité des cellules CHO à l'oxygène et leur résistance à un milieu hypoxique. Les cellules présentent ainsi une haute affinité à l'oxygène et peuvent rester longtemps en hypoxie sans mourir. La grande affinité des cellules à l'oxygène nous indique alors qu'une coupure d'oxygène pendant la croissance d'une culture de cellules est un bon moyen de créer une perturbation suffisante pour générer de nouvelles données intéressantes. En effet l'idée de la planification expérimentale est de trouver comment générer des données autres que celles déjà utilisées précédemment, permettant ainsi de modéliser correctement le maximum de cas possibles. Ainsi la planification expérimentation finale a été effectuée sur une simulation de coupure d'oxygène avec la durée et le temps de début de cette coupure comme paramètres d'entrées. Il a été révélé que le temps de la coupure devra être autour de quatre heures, et que la coupure est plus efficace pendant la phase exponentielle.