Metabolic Phenotyping of CHO Cells Varying in Cellular Biomass Accumulation and Maintenance during Fed-Batch Culture

CHO cell lines capable of high-level recombinant protein product biosynthesis during fed-batch culture are still generally obtained by intensive empirical screening of transfected cells rather than knowledge-guided cellular engineering. In this study, we investigate how CHO cell lines create and maintain cellular biosynthetic capacity during fed-batch culture to achieve the optimal combination of rapid exponential proliferation and extended maintenance of high cell biomass concentration. We perform a comparative meta-analysis of mitochondrial and glycolytic functions of 22 discrete parental CHO cell lineages varying in fed-batch culture performance to test the hypotheses that (i) "biomass-intensive" CHO cells exhibit conserved differences in metabolic programming and (ii) it is possible to isolate parental CHO cell lines with a biomass-intensive phenotype to support fed-batch bioproduction processes. We show that for most parental CHO cell lines, rapid proliferation and high late-stage culture performance are mutually exclusive objectives. However, quantitative dissection of mitochondrial and glycolytic functions revealed that a small proportion of clones utilize a conserved metabolic program that significantly enhances cellular glycolytic and mitochondrial oxidative capacity at the onset of late-stage culture. We reveal the central importance of dynamic metabolic re-programming to activate oxidative mitochondrial function as a necessary mechanism to support CHO cell biosynthetic performance during culture

Study and characterisation of human HEK293 cell line as a platform for recombinant protein production

El present treball es centra en l’estudi de la producció de proteïnes recombinants en línies cel·∙lulars de mamífer. Concretament, s’ha realitzat l’estudi de tres estratègies de bioprocés, totes elles basades en el cultiu de cèl·∙lules HEK293. Com a proteïna model per a l’expressió de proteïnes heteròlogues s’ha triat la proteïna CapPCV2, la qual conforma la càpsida viral del Circovirus porcí serotip 2 (PCV2). Aquest virus és l’agent causal de PCVDS (porcine circovirus diseases o malaties derivades de circovirus porcí). Aquest terme engloba un conjunt de malalties i síndromes que tenen un elevat impacte econòmic en la indústria porcina. El projecte s’ha enfocat des de la perspectiva de desenvolupament i optimització del bioprocés i, en conseqüència, l’increment de la producció volumètrica ha estat la força impulsora de tot el treball. En primer lloc es presenten els estudis per a la selecció del medi de cultiu i suplements nutricionals. El creixement cel·∙lular depèn en gran mesura de les característiques nutricionals i fisicoquímiques del medi en que se les cultiva. Per tant, trobar el medi adequat és un dels factors clau per a l’expansió del cultiu cel·∙lular. L’estudi inicial de medis de cultiu va permetre augmentar sis vegades la densitat de cèl·∙lules viables en comparació al medi original en que es cultivaven. D’altra banda, s’han explorat diferents estratègies de cultiu, i com a resultat s’ha implementat una estratègia de fed-­‐batch que ha permès arribar a densitats cel·∙lulars de 26.8x106 cell/mL. En el segon i tercer capítol de resultats, s’avaluen tres estratègies diferents per a la producció de la proteïna recombinant CapPCV2 (r-­‐CapPCV2). La primera estratègia ha estat la infecció de cèl·∙lules HEK293 amb un vector adenoviral que codifica el gen de la CapPCV2 (vector generat dins del treball d’aquesta tesis doctoral). Els paràmetres d’infecció s’han estudiat en profunditat per tal de trobar els paràmetres d’infecció (medi de cultiu, MOI (multiplicitat d’infecció), TOI (temps d’infecció) i TOH (temps de recollida)) per a la millora de la producció de la proteïna i el vector adenoviral. La segona i tercera estratègia estan basades en la generació de línies cel·∙lulars estables. Concretament, s’ha generat una línia cel·∙lular productora de r-­‐CapPCV2 a partir de la integració a l’atzar del vector plasmídic en el genoma de la cèl·∙lula. D’altra banda, s’han generat línies cel·∙lulars amb la integració dirigida del gen en llocs prèviament caracteritzats com d’altra transcripció genètica. La integració dirigida s’ha efectuat mitjançant la tecnologia RMCE (recombinant mediated cassette exchange, o bescanvi de casset mitjançada per recombinació). Després de la comparació de les productivitats específiques i volumètriques aconseguides amb cada estratègia, el millor productor va ser seleccionat. Nogensmenys, r-­‐CapPCV2 es produeix en quantitats molt baixes i per tant no ha sigut possible dissenyar un procés de producció rentable i altres alternatives de producció s’haurien d’estudiar en un futur. Finalment, l’estudi d’un comportament metabòlic particular observat en les cèl.lules en cultiu s’ha adreçat des d’una perspectiva fisiològica i metabòlica. A certes condicions extracel·∙lulars, s’ha observat que les cèl·∙lules HEK293 poden consumir de manera simultània glucosa i lactat durant el seu creixement exponencial. Després d’un ampli estudi d’aquestes condicions, s’ha determinat que el canvi de la producció d’àcid làctic (que és el principal problema dels cultius d’alta densitat de cèl·∙lules de mamífer) cap al consum d’aquest metabòlit pot ser generat des de el començament del cultiu quan el pH és de 6.6 i la concentració de lactat és de 4-­‐8mM. En aquestes condicions, ni el creixement cel·∙lular ni la producció de proteïna es veuen afectades negativament. A la llum d’aquests resultats, es genera la hipòtesi de que les cèl·∙lules HEK293 poden co-­‐transportar el lactat extracel.lular i els protons com un mecanisme de detoxificació del pH. D’altra banda, l’aplicació de l’anàlisi de balanç de fluxos (FBA) ha revelat que quan la glucosa i el lactat es consumeixen simultàniament s’aconsegueix un metabolisme “equilibrat”, és a dir els fluxos de la glicòlisi i el cicle TCA esdevenen similars, evitant l’acumulació de piruvat en el citosol, la seva transformació a làctic i finalment la secreció d’aquest metabòlit. Aquest comportament és totalment oposat al que s’observa de forma general en els cultius de cèl.lules de mamífer en creixement exponencial, on els elevats fluxos de la glicòlisi troben una limitació en els fluxos d’entrada a la mitocòndria (és a dir, del cicle TCA) i conseqüentment el lactat és produït i secretat al medi. La construcció d’un model metabòlic i l’aplicació de FBA permetrà fer prediccions in silico de comportaments metabòlics causats per la sobreexpressió o el silenciament de gens diana. Aquesta estratègia obre la possibilitat de generar línies cel·∙lulars que presentin un metabolisme optimitzat per tal d’estudiar estratègies de cultiu més eficients per a l’increment de la densitat cel·∙lular i productivitat de proteïna recombinant.The thesis is focused on the study of recombinant protein production in mammalian cell lines. In particular, the study of three different approaches of different bioprocesses based on HEK293 cells has been addressed. As a model protein for recombinant expression, CapPCV2 has been selected. This protein makes up the viral capsid of Porcine circovirus serotype 2 (PCV2), which is the causative agent of PCVDs (porcine circovirus diseases), a group of diseases with major impact in pig’s industry worldwide. This project has been addressed from the perspective of bioprocess development and optimization and therefore, the increment of volumetric production of cells, virus and proteins have been the driving force of the research. Firstly, cell culture media and nutritional supplementation studies are presented. Cell growth relies in high extent to the nutritional and physicochemical characteristics of the media in which cells are cultured and therefore, finding the proper cell media is one of the key factors for cell culture expansion. The initial media study resulted in a 6-­‐fold increment of the maximal viable cell achieved in the original media. Besides, different cell culture strategies have been explored, which resulted in a fed-­‐batch strategy that allowed reaching maximal viable cell densities of 26.8x106 cell/mL, which represents 13-­‐fold increment on maximal viable cell density originally reached. In the second and third chapter of results, three different approaches for the expression of recombinant CapPCV2 (r-­‐CapPCV2) are evaluated and discussed. As a first approach, a viral recombinant adenovirus encoding for the gene CapPCV2 has been generated and used as viral vector for the production of the recombinant protein in HEK293 cells. Besides, a deep study of the main parameters that affect the infection performance has been carried out and discussed in order to find the best media, MOI (multiplicity of infection), TOI (time of infection) and TOH (time of harvest) for adenovirus and recombinant protein production. This study was performed with an adenovirus expressing the reporter gene GFP and thereafter, the best infection parameters encountered were applied for the production of r-­‐CapPCV2 (media: SFMTransFx-­‐293 supplemented with 4mM glutaMAX, 5% FBS and 10%CB5; MOI:1; TOI:1x106 cell/mL) and TOH:48hpi). The second and third strategies are both based on the generation of stable producer cell lines, but one strategy relies on illegitimate (or random) integration of the gene in the HEK293 genome ,whereas the other strategy is a site-­‐directed integration of the gene in previously characterized hot-­‐spots (i.e. high-­‐active transcribed regions from genome). The site-­‐directed integration was performed using RMCE technology (Recombinant mediated cassette exchange). After the comparison of the specific and volumetric productivities achieved with each approach, the best producer has been selected. Nevertheless, r-­‐CapPCV2 was poorly produced so it was unfeasible to develop/design a cost-­‐effective industrial bioprocess and other alternatives must be studied in the future. Finally, the study of an unexpected metabolic behaviour observed in HEK293 cells cultured in our lab has been addressed from a physiologic and metabolic perspective. HEK293 cells could concomitantly consume glucose and lactate in exponentially growing cultures at particular environmental conditions. After a deep study of these conditions, it was found out that the switch from lactate secretion (which is the main drawback of mammalian high cell density cultures) to lactate consumption can be triggered from the beginning of cell culture at pH0=6.6 together with the addition of 4-­‐12mM of lactate to media. Remarkably, under these conditions nor cell growth neither protein production were negatively affected. Form these results, we hypothesize that HEK293 can co-­‐transport lactate and H+ to the cytosol as a pH-­‐detoxification mechanism. Moreover, the application of flux balance analysis permitted to find out that when lactate and glucose are consumed together a “more balanced” metabolism is achieved, meaning that glycolytic and TCA fluxes became similar, avoiding pyruvate accumulation at the cytosol and consequently, lactate formation. This is totally opposed to the extensively observed metabolism of exponentially growing mammalian cell lines, where the high flux through the glycolytic pathway encounters a limitation on the fluxes entering the mitochondria (hence, the TCA cycle) and consequently lactate is produced and secreted to media. The construction of a HEK293 metabolic model and the application of FBA will allow making in silico predictions of metabolic beahaviours after the upregulation or downregulation of target genes. This strategy may open the possibility of generate engineered HEK293 cell lines with an optimised metabolism in order to study more efficient cell culture strategies towards the achievement of higher cell densities and product titres

Study and characterisation of human HEK293 cell line as a platform for recombinant protein production

El present treball es centra en l'estudi de la producció de proteïnes recombinants en línies cel·∙lulars de mamífer. Concretament, s'ha realitzat l'estudi de tres estratègies de bioprocés, totes elles basades en el cultiu de cèl·∙lules HEK293. Com a proteïna model per a l'expressió de proteïnes heteròlogues s'ha triat la proteïna CapPCV2, la qual conforma la càpsida viral del Circovirus porcí serotip 2 (PCV2). Aquest virus és l'agent causal de PCVDS (porcine circovirus diseases o malaties derivades de circovirus porcí). Aquest terme engloba un conjunt de malalties i síndromes que tenen un elevat impacte econòmic en la indústria porcina. El projecte s'ha enfocat des de la perspectiva de desenvolupament i optimització del bioprocés i, en conseqüència, l'increment de la producció volumètrica ha estat la força impulsora de tot el treball. En primer lloc es presenten els estudis per a la selecció del medi de cultiu i suplements nutricionals. El creixement cel·∙lular depèn en gran mesura de les característiques nutricionals i fisicoquímiques del medi en que se les cultiva. Per tant, trobar el medi adequat és un dels factors clau per a l'expansió del cultiu cel·∙lular. L'estudi inicial de medis de cultiu va permetre augmentar sis vegades la densitat de cèl·∙lules viables en comparació al medi original en que es cultivaven. D'altra banda, s'han explorat diferents estratègies de cultiu, i com a resultat s'ha implementat una estratègia de fed-­-batch que ha permès arribar a densitats cel·∙lulars de 26.8x106 cell/mL. En el segon i tercer capítol de resultats, s'avaluen tres estratègies diferents per a la producció de la proteïna recombinant CapPCV2 (r-­-CapPCV2). La primera estratègia ha estat la infecció de cèl·∙lules HEK293 amb un vector adenoviral que codifica el gen de la CapPCV2 (vector generat dins del treball d'aquesta tesis doctoral). Els paràmetres d'infecció s'han estudiat en profunditat per tal de trobar els paràmetres d'infecció (medi de cultiu, MOI (multiplicitat d'infecció), TOI (temps d'infecció) i TOH (temps de recollida)) per a la millora de la producció de la proteïna i el vector adenoviral. La segona i tercera estratègia estan basades en la generació de línies cel·∙lulars estables. Concretament, s'ha generat una línia cel·∙lular productora de r-­-CapPCV2 a partir de la integració a l'atzar del vector plasmídic en el genoma de la cèl·∙lula. D'altra banda, s'han generat línies cel·∙lulars amb la integració dirigida del gen en llocs prèviament caracteritzats com d'altra transcripció genètica. La integració dirigida s'ha efectuat mitjançant la tecnologia RMCE (recombinant mediated cassette exchange, o bescanvi de casset mitjançada per recombinació). Després de la comparació de les productivitats específiques i volumètriques aconseguides amb cada estratègia, el millor productor va ser seleccionat. Nogensmenys, r-­-CapPCV2 es produeix en quantitats molt baixes i per tant no ha sigut possible dissenyar un procés de producció rentable i altres alternatives de producció s'haurien d'estudiar en un futur. Finalment, l'estudi d'un comportament metabòlic particular observat en les cèl·lules en cultiu s'ha adreçat des d'una perspectiva fisiològica i metabòlica. A certes condicions extracel·∙lulars, s'ha observat que les cèl·∙lules HEK293 poden consumir de manera simultània glucosa i lactat durant el seu creixement exponencial. Després d'un ampli estudi d'aquestes condicions, s'ha determinat que el canvi de la producció d'àcid làctic (que és el principal problema dels cultius d'alta densitat de cèl·∙lules de mamífer) cap al consum d'aquest metabòlit pot ser generat des de el començament del cultiu quan el pH és de 6.6 i la concentració de lactat és de 4-­-8mM. En aquestes condicions, ni el creixement cel·∙lular ni la producció de proteïna es veuen afectades negativament. A la llum d'aquests resultats, es genera la hipòtesi de que les cèl·∙lules HEK293 poden co-­-transportar el lactat extracel·lular i els protons com un mecanisme de detoxificació del pH. D'altra banda, l'aplicació de l'anàlisi de balanç de fluxos (FBA) ha revelat que quan la glucosa i el lactat es consumeixen simultàniament s'aconsegueix un metabolisme "equilibrat", és a dir els fluxos de la glicòlisi i el cicle TCA esdevenen similars, evitant l'acumulació de piruvat en el citosol, la seva transformació a làctic i finalment la secreció d'aquest metabòlit. Aquest comportament és totalment oposat al que s'observa de forma general en els cultius de cèl·lules de mamífer en creixement exponencial, on els elevats fluxos de la glicòlisi troben una limitació en els fluxos d'entrada a la mitocòndria (és a dir, del cicle TCA) i conseqüentment el lactat és produït i secretat al medi. La construcció d'un model metabòlic i l'aplicació de FBA permetrà fer prediccions in silico de comportaments metabòlics causats per la sobreexpressió o el silenciament de gens diana. Aquesta estratègia obre la possibilitat de generar línies cel·∙lulars que presentin un metabolisme optimitzat per tal d'estudiar estratègies de cultiu més eficients per a l'increment de la densitat cel·∙lular i productivitat de proteïna recombinant.The thesis is focused on the study of recombinant protein production in mammalian cell lines. In particular, the study of three different approaches of different bioprocesses based on HEK293 cells has been addressed. As a model protein for recombinant expression, CapPCV2 has been selected. This protein makes up the viral capsid of Porcine circovirus serotype 2 (PCV2), which is the causative agent of PCVDs (porcine circovirus diseases), a group of diseases with major impact in pig's industry worldwide. This project has been addressed from the perspective of bioprocess development and optimization and therefore, the increment of volumetric production of cells, virus and proteins have been the driving force of the research. Firstly, cell culture media and nutritional supplementation studies are presented. Cell growth relies in high extent to the nutritional and physicochemical characteristics of the media in which cells are cultured and therefore, finding the proper cell media is one of the key factors for cell culture expansion. The initial media study resulted in a 6-­-fold increment of the maximal viable cell achieved in the original media. Besides, different cell culture strategies have been explored, which resulted in a fed-­-batch strategy that allowed reaching maximal viable cell densities of 26.8x106 cell/mL, which represents 13-­-fold increment on maximal viable cell density originally reached. In the second and third chapter of results, three different approaches for the expression of recombinant CapPCV2 (r-­-CapPCV2) are evaluated and discussed. As a first approach, a viral recombinant adenovirus encoding for the gene CapPCV2 has been generated and used as viral vector for the production of the recombinant protein in HEK293 cells. Besides, a deep study of the main parameters that affect the infection performance has been carried out and discussed in order to find the best media, MOI (multiplicity of infection), TOI (time of infection) and TOH (time of harvest) for adenovirus and recombinant protein production. This study was performed with an adenovirus expressing the reporter gene GFP and thereafter, the best infection parameters encountered were applied for the production of r-­-CapPCV2 (media: SFMTransFx-­-293 supplemented with 4mM glutaMAX, 5% FBS and 10%CB5; MOI:1; TOI:1x106 cell/mL) and TOH:48hpi). The second and third strategies are both based on the generation of stable producer cell lines, but one strategy relies on illegitimate (or random) integration of the gene in the HEK293 genome ,whereas the other strategy is a site-­-directed integration of the gene in previously characterized hot-­-spots (i.e. high-­-active transcribed regions from genome). The site-­-directed integration was performed using RMCE technology (Recombinant mediated cassette exchange). After the comparison of the specific and volumetric productivities achieved with each approach, the best producer has been selected. Nevertheless, r-­-CapPCV2 was poorly produced so it was unfeasible to develop/design a cost-­-effective industrial bioprocess and other alternatives must be studied in the future. Finally, the study of an unexpected metabolic behaviour observed in HEK293 cells cultured in our lab has been addressed from a physiologic and metabolic perspective. HEK293 cells could concomitantly consume glucose and lactate in exponentially growing cultures at particular environmental conditions. After a deep study of these conditions, it was found out that the switch from lactate secretion (which is the main drawback of mammalian high cell density cultures) to lactate consumption can be triggered from the beginning of cell culture at pH0=6.6 together with the addition of 4-­-12mM of lactate to media. Remarkably, under these conditions nor cell growth neither protein production were negatively affected. Form these results, we hypothesize that HEK293 can co-­-transport lactate and H+ to the cytosol as a pH-­-detoxification mechanism. Moreover, the application of flux balance analysis permitted to find out that when lactate and glucose are consumed together a "more balanced" metabolism is achieved, meaning that glycolytic and TCA fluxes became similar, avoiding pyruvate accumulation at the cytosol and consequently, lactate formation. This is totally opposed to the extensively observed metabolism of exponentially growing mammalian cell lines, where the high flux through the glycolytic pathway encounters a limitation on the fluxes entering the mitochondria (hence, the TCA cycle) and consequently lactate is produced and secreted to media. The construction of a HEK293 metabolic model and the application of FBA will allow making in silico predictions of metabolic beahaviours after the upregulation or downregulation of target genes. This strategy may open the possibility of generate engineered HEK293 cell lines with an optimised metabolism in order to study more efficient cell culture strategies towards the achievement of higher cell densities and product titres