Procédé de culture de cellules animales et végétales et exigences relatives au bioréacteur
I. Introduction
La culture cellulaire est largement utilisée dans de nombreux domaines tels que la biopharmacie, le génie génétique, l'ingénierie tissulaire, l'industrie agroalimentaire et les sciences de l'environnement. La culture de cellules animales est couramment employée pour la production de vaccins, la préparation d'anticorps et l'expression de protéines, tandis que la culture de cellules végétales est principalement utilisée pour l'extraction de principes actifs végétaux, la modification génétique et la biosynthèse. Afin d'optimiser les conditions de culture et d'accroître la croissance cellulaire et le rendement, le choix et la conception du bioréacteur sont essentiels. Cet article décrit en détail le processus de culture des cellules animales et végétales et aborde leurs exigences spécifiques en matière de bioréacteurs.
II. Le processus de culture des cellules animales
1. Étapes fondamentales de la culture cellulaire
- Préparation et inoculation des cellules
Sélectionnez les lignées cellulaires appropriées (par exemple, cellules CHO, cellules HEK293, cellules Vero, etc.).
Après cryoconservation, les cellules ont été cultivées dans un milieu approprié tel que le DMEM, le RPMI-1640 ou un milieu enrichi en FBS.
Inoculer dans un bioréacteur ou un flacon de culture pour assurer une densité d'inoculation adéquate.
- Optimisation des conditions de culture
Température : Généralement maintenue entre 36 et 37 °C pour simuler l'environnement interne des mammifères.
pH : Contrôlé entre 7,0 et 7,4, généralement à l'aide d'une régulation au CO₂.
Oxygène dissous (OD) : contrôlé à 30-50 %, maintenu par agitation ou échange gazeux.
Apport nutritionnel : Fournir du glucose, de la glutamine, des acides aminés, des vitamines et autres ingrédients nécessaires.
- Expansion et récolte cellulaires
La culture en batch, la culture en flux continu ou la culture par perfusion ont été utilisées pour augmenter le nombre de cellules.
Une fois les cellules cultivées à une densité optimale, il est possible de récolter des produits dérivés tels que des anticorps, des protéines ou des particules virales.
Système de bioréacteur pour culture de cellules animales MIKEBIO
2. Exigences de bioréacteur pour la culture de cellules animales
Les cellules animales sont extrêmement sensibles aux forces de cisaillement et leur croissance dépend d'un microenvironnement spécifique ; les bioréacteurs doivent donc répondre aux exigences suivantes :
- Conception de mélange à faible cisaillement
Des palettes à agitation magnétique, à air comprimé ou à faible vitesse sont utilisées pour réduire les dommages causés aux cellules par le stress mécanique.
Par exemple, les bioréacteurs Wave peuvent être utilisés pour la culture en suspension afin d'éviter les effets des pales d'agitation sur les cellules.
- Échange gazeux à haut rendement
Il convient de fournir une quantité suffisante d'oxygène, mais il faut éviter le stress oxydatif causé par une concentration excessive d'oxygène.
L'aération par microbulles ou par membrane est utilisée pour améliorer l'efficacité du transfert d'oxygène.
- Contrôle environnemental précis
L'environnement de culture est automatiquement régulé par une surveillance en ligne du pH, de l'oxygène dissous, de la température et de la concentration en CO₂.
Le bioréacteur moderne utilise un système de contrôle PID pour optimiser le réglage des paramètres.
- Il convient à la culture de cellules adhérentes et de cellules en suspension.
Cellules adhérentes : des microporteurs (tels que des microporteurs de DEAE-dextran ou de polystyrène) sont utilisés pour fournir une surface à la croissance adhérente.
Cellules en suspension : Un réacteur à agitation ou à circulation d'air peut être utilisé directement pour la culture à grande échelle.
III. Le processus de culture des cellules végétales
1. Étapes fondamentales de la culture cellulaire
- Sélection et préparation des matériaux cellulaires
Sélectionnez les tissus végétaux appropriés (tels que les feuilles, les racines ou les extrémités des tiges) pour un traitement aseptique.
On induit un cal végétal ou une suspension cellulaire, puis on la transfère dans un milieu liquide.
- Optimisation des conditions de culture
Température : Généralement contrôlée entre 22 et 28 °C, convenant à la plupart des cultures cellulaires végétales.
pH : Généralement maintenu entre 5,5 et 6,0 pour faciliter le métabolisme cellulaire.
Conditions d'éclairage : Certaines cellules végétales (comme les algues) nécessitent de la lumière, généralement grâce à des systèmes d'éclairage LED.
Les substances régulatrices de croissance telles que les cytokinines (par exemple le 6-BA) et l'auxine (par exemple le 2,4-D) régulent la prolifération cellulaire.
- Expansion cellulaire et accumulation des produits cibles
Le nombre de cellules a été augmenté par culture en agitateur ou par culture en bioréacteur.
L'accumulation de composés actifs est favorisée par une induction exogène (par exemple, le jasmonate de méthyle ou l'éthylène).
Récolter les cellules ou les métabolites (par exemple les alcaloïdes, les flavonoïdes, les terpènes).
2. Exigences du bioréacteur pour la culture de cellules végétales
Les cellules végétales sont plus résistantes au cisaillement que les cellules animales, mais elles ont une viscosité et des caractéristiques métaboliques plus élevées ; par conséquent, les bioréacteurs doivent répondre aux exigences suivantes :
- Système de mélange et de ventilation à faible cisaillement
Les cellules végétales étant grandes et épaisses, elles sont sensibles aux dommages mécaniques ; il est donc conseillé d'utiliser un bioréacteur à circulation d'air ou un système d'agitation par circulation.
Pour assurer un apport suffisant en oxygène, on utilise généralement la ventilation par bulles.
- Peut traiter des milieux à haute viscosité
Le milieu de culture des cellules végétales est plus visqueux que celui des cellules animales ; la conception du réacteur doit donc prendre en compte l'efficacité du mélange des liquides.
Des agitateurs efficaces, tels que les agitateurs spiraux, sont utilisés pour optimiser le mélange et éviter la sédimentation des agrégats cellulaires.
- Contrôle précis des régulateurs de croissance
Le rapport entre l'auxine et la cytokinine est contrôlé avec précision par un système automatisé afin d'induire la production de métabolites cibles.
- Photobioréacteur (pour cellules photosynthétiques)
Des réacteurs transparents ou des systèmes d'éclairage LED intégrés sont utilisés pour optimiser les conditions d'éclairage et augmenter l'efficacité de l'accumulation du produit (par exemple, la production de chlorophylle et de caroténoïdes).
Système de fermentation de type production MIKEBIO pour champignons comestibles
IV. Résumé
La culture de cellules animales et végétales joue un rôle important dans l'industrie biologique, mais elles présentent des différences significatives en termes de conditions de culture, d'exigences environnementales et de choix du bioréacteur. La culture de cellules animales requiert une agitation à faible cisaillement, des échanges gazeux efficaces et un contrôle environnemental précis, tandis que la culture de cellules végétales exige une forte résistance à la viscosité, une agitation à faible cisaillement et une régulation précise des facteurs de croissance. Le choix du bioréacteur adapté à chaque type cellulaire permet non seulement d'améliorer la survie cellulaire et le rendement du produit cible, mais aussi d'optimiser le procédé de production et de favoriser le développement de l'industrie biotechnologique. À l'avenir, l'association de bioréacteurs automatisés et de technologies de contrôle intelligent permettra d'améliorer encore l'efficacité et la contrôlabilité de la culture cellulaire, et d'ouvrir de nouvelles perspectives d'application dans les domaines biopharmaceutique, agricole et environnemental.
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