Production en fed-batch à l’échelle de l’alpha‑1‑antitrypsine recombinante par des cellules CHO dans un bioréacteur orbital agité à usage unique

Pourquoi cette protéine compte pour les patients

L’alpha‑1‑antitrypsine (A1AT) est une protéine protectrice qui aide à préserver les poumons et d’autres organes des dommages causés par des enzymes inflammatoires. Les personnes nées avec une déficience en A1AT peuvent développer précocement des maladies pulmonaires sévères et d’autres complications. Aujourd’hui, leur traitement principal consiste en des perfusions régulières d’A1AT purifiée à partir de dons de sang — une thérapie à vie coûteuse qui dépend d’un approvisionnement plasmatique limité. Cette étude explore comment produire l’A1AT dans un système de culture cellulaire industriel et contrôlé, ce qui pourrait un jour fournir une source plus fiable et évolutive de ce médicament important.

Des dons sanguins aux usines cellulaires

La thérapie actuelle par A1AT repose sur des protéines extraites du plasma humain donné. Outre son coût élevé, cette approche est vulnérable aux pénuries d’approvisionnement et comporte un risque résiduel de transmission virale. Parallèlement, les chercheurs découvrent sans cesse de nouvelles utilisations potentielles de l’A1AT, notamment pour calmer l’inflammation nuisible, protéger les organes transplantés et aider dans des affections comme le diabète, l’arthrite, l’infarctus du myocarde, l’accident vasculaire cérébral et l’insuffisance hépatique aiguë. Tout cela augmente la demande. Pour rompre la dépendance vis‑à‑vis des donneurs humains, les équipes cherchent à fabriquer de l’A1AT humaine recombinante (rhA1AT) — la même protéine humaine, mais produite par des cellules génétiquement modifiées cultivées dans des bioréacteurs.

Pourquoi des cellules CHO et des cuves plastiques agitées

L’équipe a choisi des cellules d’ovaire de hamster chinois (CHO), la valeur sûre de la fabrication biopharmaceutique moderne. Les cellules CHO se développent bien en cultures en suspension à grande échelle sans sérum, ajoutent des motifs glucidiques proches de ceux de l’humain aux protéines et sécrètent le produit directement dans le milieu de culture, ce qui simplifie la purification. Plutôt que des cuves en acier inoxydable agitées mécaniquement, les chercheurs ont utilisé un bioréacteur orbital agité à usage unique (SB10‑X). Ce système est essentiellement un grand récipient plastique stérilisé mis en mouvement circulaire tandis que le gaz circule au‑dessus de la surface du liquide. Par rapport aux cuves mécaniquement agitées, ces systèmes agités sont plus simples à installer, moins coûteux à exploiter à petite échelle et moins agressifs pour les cellules sensibles au cisaillement, tout en reproduisant les conditions de mélange et d’aération des flacons agités standard utilisés en phase exploratoire.

Choisir une lignée cellulaire championne

À partir de cellules CHO déjà modifiées pour produire la rhA1AT, les chercheurs ont isolé dix clones dérivés d’une seule cellule et les ont suivis pendant trois mois. Pour chaque clone, ils ont mesuré la vitesse de croissance et la quantité d’A1AT produite par cellule au fil du temps, avec et sans un médicament de sélection courant (méthotrexate). Si certains clones produisaient davantage de protéine, ils avaient tendance à croître plus lentement. Un clone — nommé Clone 2 — offrait un bon compromis : il croissait relativement vite et maintenait une production d’A1AT stable et correcte sur 12 semaines. Sur la base de ces caractéristiques combinées, le Clone 2 a été choisi pour la montée en échelle et le développement du procédé.

Montée en échelle et réglage de l’environnement cellulaire

Avec le Clone 2, l’équipe a d’abord réalisé des cultures en fed‑batch dans des flacons agités standard, où des nutriments supplémentaires sont apportés au fil du temps pour augmenter les rendements. Ils ont ensuite transféré le même procédé dans un bioréacteur agité à usage unique SB10‑X de 10 litres. Dans les deux cas, les cellules ont atteint des densités élevées, mais le bioréacteur a atteint jusqu’à environ 20 % de niveaux d’A1AT maximaux en plus que les flacons, grâce à un meilleur contrôle de l’oxygène et du pH. La productivité spécifique par cellule — la quantité de protéine produite par cellule et par jour — était similaire entre les systèmes (environ 10–12 picogrammes par cellule et par jour), confirmant que le procédé peut être mis à l’échelle sans perte de performance. Les scientifiques ont également suivi de près des nutriments comme le glucose et la glutamine, et des déchets comme le lactate et l’ammonium. En abaissant le niveau initial de glutamine lors de la deuxième campagne au bioréacteur, ils ont réduit l’accumulation d’ammonium d’environ la moitié sans nuire à la productivité, bien que cela ait entraîné plus de lactate, soulignant la nécessité d’équilibrer soigneusement nutriments et sous‑produits.

Obtenir un produit final sûr et fonctionnel

Une fois récoltée, la rhA1AT a été clarifiée et purifiée en deux étapes chromatographiques, donnant un pic protéique unique et net en HPLC et un rendement global d’environ 70 %. Fait important, l’activité biologique de la protéine — sa capacité à inhiber l’élastase, l’enzyme pulmonaire délétère — est passée d’environ un tiers d’actif dans la matière première à environ deux tiers actif après la première étape de purification, puis est restée élevée. L’équipe a également testé la tolérance de la rhA1AT aux conditions acides souvent utilisées pour inactiver les virus dans la fabrication d’anticorps. Ils ont constaté que la protéine est stable près de pH neutre mais perd du matériel récupérable à des pH plus bas, ce qui suggère que l’inactivation virale standard à faible pH endommagerait le produit et que des stratégies alternatives d’élimination ou d’inactivation virale sont nécessaires.

Ce que cela signifie pour les thérapies futures

En termes simples, ce travail montre qu’il est techniquement faisable de cultiver des cellules CHO modifiées dans des bioréacteurs jetables et doucement agités pour produire des quantités médicalement pertinentes d’alpha‑1‑antitrypsine active. Si des optimisations supplémentaires — comme de meilleures stratégies d’alimentation, des variations de température ou de pH, et le contrôle des métabolites — pourraient encore augmenter les rendements, l’étude établit une plateforme évolutive et flexible susceptible de réduire la dépendance à l’A1AT d’origine plasmatique. Si ces procédés sont traduits et étendus avec succès, ils pourraient contribuer à garantir un approvisionnement d’A1AT plus stable, plus sûr et potentiellement plus abordable pour les personnes atteintes de déficience génétique et pour les nouvelles utilisations thérapeutiques actuellement explorées.

Citation: Tang, W.Q., Jiang, C.Q.Z., Zheng, Z.Y. et al. Scaled up fed-batch production of recombinant alpha-1-antitrypsin by CHO cells in single-use surface aerated orbital shaken bioreactor. Sci Rep 16, 7790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37353-w

Mots-clés: alpha‑1‑antitrypsine, cellules CHO, bioréacteur, protéine recombinante, fabrication de biologiques