Procédés de culture en masse de cellules animales

Les procédés de culture en masse de cellules animales ont progressé de façon considérable ces 30 dernières années. Ils sont ainsi devenus essentiels aux industries des biotechnologies pour l'obtention de nombreux produits à application thérapeutique et diagnostique (vaccins viraux, cytokines, facteurs de croissance, anticorps monoclonaux, protéines recombinantes, etc.). Ces produits sont utilisés pour la prévention ou le traitement de maladies telles que le cancer, les infections virales, les déficiences héréditaires et nombre de maladies chroniques. Cette accélération impose d'augmenter les capacités de production. On dénombre ainsi plus d'une quinzaine d'installations utilisant des réacteurs en cuve agitée Inox de l'ordre de 15 000 litres. Des productions plus spécialisées utilisent des systèmes moins volumineux mais plus diversifiés. Un fort engouement est récemment apparu pour des réacteurs à usage unique, comme maillons de la chaîne de production ou pour le criblage de conditions opératoires. Concernant les investissements, du fait des longs délais d'installation et de validation d'une unité industrielle, ceux-ci doivent être anticipés le plus tôt possible, en s'appuyant sur des connaissances amont et sur des outils performants d'aide à la décision.

La faisabilité de la production industrielle d'un bioproduit par des cellules animales passe par le transfert de la culture des cellules à l'échelle du réacteur sans perte des performances de production et de qualité. Le défi consiste à mettre en œuvre des cellules assez fragiles, dans des conditions de stress environnemental, biochimique et physique, tout en conservant leur potentiel de production. Il importe ainsi de développer une approche intégrée et multi-échelle qui prenne en compte les aspects liés aux bioréacteurs, aux caractéristiques cellulaires et à la qualité du produit. Les défis à relever allient la connaissance des processus cellulaires en lien avec le milieu de culture, l'adaptation des cellules aux contraintes des réacteurs, la formulation des milieux de culture, la recherche d'outils d'analyse des cellules et des produits pour améliorer le contrôle en ligne des procédés, la conception de nouveaux réacteurs, la maîtrise des conditions opératoires et l'identification des paramètres clés de l'extrapolation. Il s'agit donc nécessairement d'une approche interdisciplinaire entre les sciences de la vie et le génie des procédés.

Dans ce contexte, cet article se propose de présenter les principales spécificités des procédés de culture de cellules animales. Après avoir exposé les caractéristiques des lignées cellulaires industrielles les plus utilisées, nous évoquerons les défis actuels touchant aux milieux de culture et nous apporterons des données relatives à l'impact des facteurs opératoires sur le comportement cellulaire. Une autre partie s'attachera à la présentation des technologies de réacteurs, classiques où à usage unique, ainsi qu'aux outils de contrôle et de conduite de ces procédés. Enfin, des éléments liés à l'hydrodynamique et aux transferts de matière rencontrés dans ces procédés seront présentés.