Process Intensification and Scale-Up of Chinese Hamster Ovary Cell Cultures in Bioreactor for the Production of Recombinant Proteins

Les cellules ovariennes de hamster chinois (CHO) constituent la principale plateforme pour la production industrielle de protéines recombinantes. Elles sont généralement cultivées dans des bioréacteurs à grande échelle en mode cuvée alimentée. Le processus de mise à l’échelle, passant des flacons aux bioréacteurs de production pouvant atteindre 20 000 litres, est essentiel dans le développement des procédés biopharmaceutiques. Étant donné qu'il est impossible de maintenir constants tous les paramètres opérationnels lors de la mise à l’échelle, les stratégies se concentrent sur un paramètre clé, tel que la puissance volumétrique (P/V), le transfert d’oxygène, le débit gazeux volumétrique (vvm), ou la vitesse en bout de pale de l’agitateur. Parmi ces paramètres, l'aération et le mélange sont critiques pour améliorer la productivité des cultures cellulaires. L'aération est réalisée par bullage, utilisant des diffuseurs poreux (microsparger) ou à trous percés (macrosparger), qui a des impacts sur les taux de transfert d'oxygène, l’élimination du dioxyde de carbone et le cisaillement des cellules. Cependant, les effets du type de bulleurs et des stratégies d'aération sur la croissance cellulaire et la production de protéines recombinantes en mode cuvée alimentée n'ont pas été fréquemment étudiés dans les bioréacteurs de paillasse. De plus, le transfert de gaz dans les flacons agités, influencé par la vitesse d'agitation et le volume de remplissage, est crucial pour optimiser la croissance cellulaire, en particulier dans les cultures à haute densité. Cette thèse vise à explorer l’équilibre entre un apport suffisant en oxygène et une réduction du stress de cisaillement dans les cultures de cellules CHO afin d’intensifier les procédés cuvés alimentés par l’optimisation du transfert de gaz et des stratégies d’aération.

Abstract

Chinese Hamster Ovary (CHO) cells are the primary platform for industrial production of recombinant biotherapeutic proteins, typically cultivated in large-scale fed-batch bioreactors. The scale-up process, transitioning from flasks to production bioreactors of up to 20,000 liters, is critical in biopharmaceutical process development. Since maintaining all operating parameters constant across scales is impossible, scale-up strategies typically focus on a single key parameter, such as volumetric power input (P/V), oxygen mass transfer, volumetric gas flowrate (vvm), or impeller tip speed. Among these parameters, aeration and mixing are vital for enhancing cell culture productivity. Aeration is achieved through sparging, using frit or drilled hole spargers, which affect oxygen transfer rates, carbon dioxide stripping, and shear stress on the cells. However, the effects of sparger type and aeration strategies on CHO cell growth and recombinant protein production in fed-batch cultures have not been thoroughly investigated in benchtop bioreactors. Additionally, gas transfer in shake flasks, influenced by agitation rate and fill volume, is crucial for optimizing cell growth, especially in high-density perfusion cultures. This study aims to explore the balance between sufficient oxygen supply and reduced shear stress in CHO cell cultures to intensify fed-batch processes through improved gas transfer and aeration strategies.