Automation and integration of a bioreactor for continuous cell culture
Automatisation et intégration d'un réacteur de culture cellulaire pour un fonctionnement en continu
Résumé
Over the past six decades, cell culture has become a common practice. It is a major tool in biological research for the understanding of life science, such as the study of disease and the discovery of new drugs. It plays an important role in many industries since it is involved in the production of many food, cosmetic, and pharmaceutical products.However, Research and the industry are now facing some limits and are expressing needs to be addressed. They are both associated with high costs due to a large consumption of resources (cells, reagents, qualified operators). More specifically, cell culture in research is characterized by low throughput of experiments, important variability and risk of contamination due to the recurrent manual operations performed by operators. Additionally, experiments are performed in static conditions and on models (2D cultures, animals…) which poorly resemble the human physiology. Industrial cell culture needs miniaturized systems that mimic the large scale bioreactors and offer higher screening possibilities.Microfluidic cell culture systems represent a promising tool to address the aforementioned issues and needs. The change of physical behaviors at the small-scale in microfluidic devices allow controlling temporally and spatially the cell microenvironment, unattainable with conventional cell culture methods. The level of automation and integration allows the substantial increase of the number of experience per system and considerable reduction of resource consumption. Thus, many small cellular 3D architectures grown under dynamic conditions and in high-throughput have been performed and have demonstrated their ability to quickly re-create more physiological environments. Regarding the industrial culture, miniaturized cultures have already shown their ability to reproduce the characteristics of the culture observed in macrobioreactors with higher screening capabilities.In this framework, a benchtop microfluidic bioreactor, complying with the standard microfluidic platform and format used in the host laboratory, has been successfully fabricated to perform continuous cell cultures. Integrated solutions were developed to provide continuously the adequate conditions for cell proliferation (perfusion, thermal regulation…). Integrated cell harvest was also performed with the final goal to achieve long-term cell culture in the bioreactor.The fabricated system proved to guarantee sterile conditions for cell cultures on a regular lab bench. Moreover, these cultures were achieved autonomously without requiring a cumbersome incubator. In these conditions, the bioreactor demonstrated the possibility to perform continuous cell cultures of various cell types during several days: insects cells were cultured during 5 days and mammalian cells during 3 days. Regarding the mammalian cell cultures performed, a breakthrough has been achieved compared to the cultures performed in microfluidic systems since microcarriers (diam.:175 µm) were used as growth support.Although microcarrier cell culture is routinely performed in the industry, no autonomous microfluidic culture system has addressed this type of culture yet. Such a miniaturization is a major step forward for bioprocess applications where the need to develop scale-down bioreactors that mimic large scale operation has been clearly identified to shorten and reduce the costs associated to bioproduct development.
Au cours des six dernières décennies, la culture cellulaire est devenue une pratique courante. Elle est un outil majeur de la recherche biologique pour la compréhension du vivant, l'étude de maladies et la découverte de nouveaux médicaments. Elle représente un outil très répandu dans de nombreuses industries étant impliquées dans la production de produits alimentaires, cosmétiques et pharmaceutiques.Cependant, les cultures cellulaires en recherche et en industrie sont aujourd'hui confrontées à des limites et soulèvent des besoins à satisfaire. Elles sont toutes deux associées à des coûts élevés du fait des ressources nécessaires (cellules, réactifs, opérateurs qualifiés). Plus précisément, la culture en recherche est caractérisée par le faible débit des expériences, une variabilité importante et un risque de contamination due à la répétition d'opérations manuelles. De plus, les expériences de culture sont effectuées dans des conditions statiques et sur des modèles (cultures 2D, animaux...) relativement éloignés de la physiologie humaine. La culture cellulaire industrielle, quant à elle, a besoin de systèmes miniaturisés qui miment les procédés des bioréacteurs à grande échelle et qui offrent des possibilités de criblage plus élevés.Les systèmes de culture microfluidique représentent un outil prometteur pour résoudre ces problèmes et ces besoins. Le changement de comportement de la physique à petite échelle dans ces dispositifs permet de contrôler temporellement et spatialement le microenvironnement des cellules. Ce qui n'est pas possible avec des méthodes de culture classiques. Le degré d'automatisation et d'intégration permet une nette augmentation du nombre d'expériences par système et la réduction conséquente de la consommation de ressources. Ainsi, de nombreuses petites architectures 3D cellulaires cultivées dans des conditions dynamiques et à haut débit ont été réalisées et ont démontré leur capacité à recréer rapidement des environnements plus physiologiques. En ce qui concerne la culture industrielle, des cultures miniaturisées ont déjà montré leur capacité à reproduire les caractéristiques observées dans les macrobioreactors avec des possibilités de criblages élevées.Dans ce contexte, un bioréacteur microfluidique de paillasse, se conformant aux formats standards utilisés dans le laboratoire d'accueil, a été fabriqué avec succès au cours de cette thèse pour effectuer des cultures cellulaires en continu. Des solutions intégrées ont été mises au point pour fournir de façon continue les conditions adéquates pour la prolifération cellulaire (perfusion, régulation de température…). Des études ont également été menées afin d'automatiser la récolte des cellules avec pour but final de cultiver ces cellules sur du long terme dans le bioréacteur.Le système fabriqué garantit ainsi des conditions stériles pour les cultures sur un simple banc de laboratoire. En outre, ces cultures ont été réalisées de façon autonome sans utiliser un incubateur encombrant. Dans ces conditions, le bioréacteur permet de réaliser des cultures en continu de divers types cellulaires sur plusieurs jours: des cellules d'insectes ont été cultivées pendant 5 jours et des cellules de mammifère pendant 3 jours. En ce qui concerne les cultures de cellules de mammifère, une avancée majeure a été effectuée par rapport aux cultures réalisées dans les systèmes microfluidiques en utilisant comme support de culture des microporteurs (diam. : 175 µm).Bien que la culture de cellules sur microporteurs soit réalisée en routine dans l'industrie, aucun système de culture microfluidique autonome n'a encore intégré ce type de culture. Ce genre de miniaturisation est une avancée majeure pour des applications en bioprocédés où il devrait permettre de raccourcir et réduire les coûts associés au développement de bioproduits.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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