Réduction de l'effet Warburg chez une lignée de cellules de mammifères productrices d'anticorps

L'effet Warburg, ou glycolyse aérobie, est l'une des signatures métaboliques du cancer. Il est aussi largement observé chez les cellules d'ovaires de hamster chinois (CHO), plateforme privilégiée par l'industrie pharmaceutique pour la production de médicaments. L'utilisation de la glycolyse aérobie, plutôt que de la respiration mitochondriale, comme voie catabolique principale est à l'origine d'un manque d'efficacité énergétique et d'une production accrue de lactate pouvant inhiber la croissance et la production. C'est pourquoi de nombreuses stratégies existent pour réduire l'effet Warburg durant les bioprocédés de cultures de cellules CHO. La plupart du temps, elles orientent le métabolisme vers la respiration en faisant appel à des modifications génétiques, activant ou inhibant des enzymes du métabolisme, ou à l'optimisation des conditions de culture, par le contrôle précis des échanges avec le milieu extracellulaire. Nous proposons dans ce mémoire une troisième approche encore peu explorée. En s'inspirant des thérapies métaboliques appliquées pour diminuer l'effet Warburg dans le cadre du cancer, nous avons ajouté au milieu de culture des molécules interagissant avec certaines enzymes clés du métabolisme énergétique. Deux candidats ont été sélectionnés pour notre étude : l'acide lipoïque, connu pour activer l'enzyme responsable de l'entrée du flux glycolytique dans la mitochondrie, et le bleu de méthylène, connu pour faciliter les échanges d'électrons à la membrane mitochondriale. Après avoir déterminé la dose maximale n'altérant pas la croissance pour chacune des drogues sur une lignée test de notre laboratoire capable de produire un anticorps monoclonal, nous avons mesuré leur effet sur la croissance, la viabilité, la consommation et la production de plusieurs métabolites importants, ainsi que sur des marqueurs directs de l'activité mitochondriale. Ce faisant, nous sommes parvenus à caractériser quelles voies métaboliques étaient activées et inhibées par la supplémentation de chacune des drogues et de leur combinaison. L'acide lipoïque semble encourager l'approvisionnement de la mitochondrie en intermédiaires réactionnels, tandis que le bleu de méthylène favorise les réactions d'oxydoréduction à la membrane mitochondriale et diminue le stress oxydatif qui en résulte. Ce dernier paramètre a un impact positif sur la productivité en anticorps, avec un titre final augmenté de 24 % par rapport au contrôle non traité. Ces résultats encourageants donnent un meilleur aperçu de la régulation métabolique des CHOs et présentent la supplémentation de drogues métaboliques comme une stratégie prometteuse pour augmenter la productivité des bioprocédés pharmaceutiques.

Abstract

The Warburg effect, or aerobic glycolysis, is one of the metabolic signatures of cancer. It is also widely observed in Chinese hamster ovary (CHO) cells, the pharmaceutical industry's preferred platform for the production of drugs. The use of aerobic glycolysis, rather than mitochondrial respiration, as the main catabolic pathway impairs energy efficiency and increases lactate production, undermining cellular growth and production. This is why many existing strategies aim to reduce the Warburg effect during CHO-based bioprocesses. Most of the time, they direct the metabolism towards respiration by using genetic modifications, through the activation or inhibition of metabolic enzymes, or by optimizing culture conditions, through the precise control of exchanges with the extracellular environment. In this work, we propose a third approach still scarcely investigated. Based on the example of metabolic therapies used in cancer treatments, we added effectors of certain energetic metabolism enzymes in the culture medium. Two candidates have been selected for our study: lipoic acid, known to activate the enzyme responsible for directing the glycolytic flux in the mitochondria, and methylene blue, known to facilitate electrons exchange at the mitochondrial membrane. After determining the maximal dose without growth effects for each drug on an antibody-producing cell line available in our laboratory, we measured their effect on growth, viability, consumption and production of key metabolites, as well as direct markers of mitochondrial activity. Therefore, we managed to characterize which metabolic pathways were activated and inhibited by the supplementation of each drug and their combination. Lipoic acid appears to promote the supply of mitochondrial reaction intermediates, while methylene blue promotes redox reactions at the mitochondrial membrane and decreases the resulting oxidative stress. This last parameter has a positive impact on antibody productivity, with a final titer increased by 24%, compared to untreated control. These encouraging results provide a better insight into the metabolic regulation of CHOs and present metabolic drug supplementation as a promising strategy for increasing the productivity of pharmaceutical bioprocesses.