La collaboration Canada-Irlande stimule l’innovation en bioprocédés

La croissance économique spectaculaire du marché biopharmaceutique au cours des deux dernières décennies a transformé la capacité à lutter contre les principales maladies et troubles humains, notamment les épidémies virales, le cancer, l'auto-immunité, l'arthrite et l'ostéoporose. Les produits qui peuvent désormais être fabriqués à partir de bioprocédés à grande échelle impliquant des cellules de mammifères sont des vaccins viraux et des protéines recombinantes, les anticorps monoclonaux constituant la part du lion des développements récents.

La clé du succès de ces développements réside dans les outils analytiques désormais disponibles pour surveiller et contrôler la croissance des cellules et permettre de comprendre leur état métabolique pendant la production. La méthode traditionnelle de mesure de la croissance des cellules consistait à prélever un échantillon du contenu d'un bioréacteur, à ajouter un colorant (généralement du bleu trypan) et à compter un champ de cellules au microscope ou à l'aide d'un compteur de cellules automatisé. La viabilité cellulaire est généralement calculée par la proportion de cellules qui excluent le colorant, celles colorées en bleu étant considérées comme mortes ou non viables. Cette méthode, développée dès 1917, repose sur la capacité d'une membrane cellulaire intacte à exclure le gros colorant bleu trypan. Cependant, les problèmes de cette méthode sont qu'elle nécessite un échantillonnage manuel et qu'elle suppose que toutes les cellules ayant une membrane intacte sont viables (ce qui n'est pas vrai).

Dans le cadre d'une collaboration en cours entre le département de génie électrique de l'Université du Manitoba et le groupe de technologie cellulaire du National Institute for Bioprocessing Research and Training (NIBRT) en Irlande, de nouvelles méthodes sont en cours de développement qui s'appuient sur les propriétés diélectriques changeantes des cellules au cours de leur profil de croissance dans un bioprocessus. Les propriétés diélectriques font référence au comportement des cellules dans un champ électrique. L'avantage de ces méthodes est qu'elles ne reposent pas sur la coloration des cellules et peuvent détecter les changements métaboliques subtils dans une cellule avant que la membrane ne soit endommagée, donnant ainsi une indication précoce de la perte de viabilité cellulaire. 

Une méthode qui a été explorée est l'utilisation d'une sonde de biocapacité qui peut être insérée dans un bioréacteur pour mesurer le changement de capacité électrique dans un champ électrique généré par la sonde. Ce type de sonde (fabriquée par Aber Instruments, au Pays de Galles) produit un profil similaire à celui de la méthode au bleu trypan, mais permet des lectures continues d'un bioprocessus et une indication beaucoup plus précoce de la perte de viabilité cellulaire que la méthode de marquage plus traditionnelle. Dans un autre aspect de ce travail, plusieurs versions d'un cytomètre diélectrophorétique ont été construites au Manitoba qui peuvent mesurer les propriétés diélectriques de cellules individuelles dans une population lorsqu'elles traversent un canal microfluidique exposé à un champ électrique. Les trajectoires des cellules sont détectées et sont indicatives de leur état métabolique.

Les méthodes de détection diélectrique dépendent de la teneur ionique changeante de la cellule qui, pendant la croissance normale, repose sur le métabolisme énergétique alimenté par des nutriments tels que le glucose et les acides aminés. Si ces nutriments s'épuisent, les mécanismes de transport actifs de la cellule sont compromis, ce qui entraîne un déséquilibre de l'environnement ionique intracellulaire. Nos recherches ont montré la capacité de mesurer la conductivité cytoplasmique des cellules pendant la culture par les méthodes diélectriques développées. Au fur et à mesure que les nutriments s'épuisent, la conductivité cytoplasmique diminue progressivement. Nous avons montré qu'il existe un seuil critique de conductivité cytoplasmique au-dessus duquel les cellules peuvent retrouver leur pleine viabilité si les niveaux de concentration en nutriments sont rétablis. Cependant, une fois que la conductivité cytoplasmique tombe en dessous du seuil, les cellules sont « absolument mortes ». Nous pensons qu'il s'agit d'une bien meilleure mesure de la « viabilité cellulaire » que les dommages membranaires mesurés par l'ancienne méthode. De plus, nos méthodes diélectriques se prêtent au biotraitement automatisé avec la nécessité d'une manipulation manuelle minimale.

La nature de notre collaboration est unique en ce sens qu’elle est internationale et qu’elle combine l’expertise en biologie cellulaire du NIBRT avec celle en génie électrique du Manitoba. La collaboration a débuté lorsque le Dr Michael Butler était professeur de microbiologie à l’Université du Manitoba, mais il a ensuite déménagé en Irlande pour occuper un poste de recherche au NIBRT. Le Dr Elham Salimi a reçu une bourse de recherche James M. Flaherty offerte par la Fondation universitaire Irlande-Canada et a passé plusieurs mois au NIBRT pour développer ce domaine de recherche. Elham est maintenant professeur adjoint en génie électrique à l’Université du Manitoba et dirige un groupe de biocapteurs. De nombreux articles de recherche évalués par des pairs ont été publiés au cours des dernières années à la suite de notre collaboration, ce qui témoigne de la valeur de l’approche multidisciplinaire et internationale de ce type de recherche.