La glycosylation liée à l’azote est un processus enzymatique par lequel les fractions oligosaccharidiques sont liées de manière covalente aux résidus d’Asn. Contrairement à la synthèse des protéines de novo, la synthèse des glycanes est une réaction non modélisée qui entraîne une glycosylation hétérogène des protéines. La structure, la composition et la distribution des glycanes peuvent affecter la conformation et la fonction des protéines. En effet, la N-glycosylation dans la région du fragment cristallisable (Fc) de l’immunoglobuline G (IgG) régule l’efficacité thérapeutique, l’immunogénicité et la demi-vie de l’anticorps1. En tant que tel, le paradigme de la qualité dès la conception (QbD) pour le développement de produits protéiques biothérapeutiques recombinants identifie naturellement la glycosylation comme un attribut de qualité critique (CQA)2,3. Les cellules de mammifères sont souvent les systèmes d’expression préférés car elles produisent intrinsèquement des modèles de glycosylation semblables à ceux de l’homme plus étroitement que les bactéries, les levures, les insectes ou les cellules végétales. De plus, les cellules de l’ovaire de hamster chinois (CHO) sont sélectionnées par rapport à d’autres lignées cellulaires de mammifères parce qu’elles sont résistantes à l’infection virale humaine, sécrètent des produits à titre élevé et peuvent être cultivées en culture en suspension à des densités cellulaires viables élevées4. En ce qui concerne la formation de glycanes, les cellules de production murine non CHO génèrent des glycanes immunogènes (galactose lié à la α(1-3)-Gal [α(1-3)-Gal] et acide N-glycolylneuraminique [NeuGc]) qui empiètent sur l’utilisation sûre des anticorps monoclonaux (mAbs)5. Ces avantages font des cellules CHO le premier système d’expression, responsable de la production de plus de 80% de nouvelles biothérapies entre 2014 et 20186. Cependant, la glycosylation indépendante du modèle est un mécanisme conservé qui conduit à des biothérapies dérivées de CHO avec un éventail de glycoformes.
Les stratégies de développement biothérapeutique visent à contrôler l’hétérogénéité des cellules CHO par génie génétique. Parmi les exemples de littérature, citons l’élimination des sialidases (Neu1, Neu3) 7, le knockout8 de la GDP-mannose 4,6-déshydratase (GMD) et la surexpression des glycosyltransférases (GnTIII)9. Les progrès de la glyco-ingénierie sont possibles grâce à une combinaison de ressources accessibles au public, comme le génomeCHO 10, et le développement continu d’outils de génie génétique, tels que les nucléases effectrices de type activateur de transcription (TALEN), les nucléases à doigts de zinc (ZFN) et les courtes répétitions palindromiques intercalaires groupées (CRISPR) associées à la protéine 9 (CRISPR-Cas9)11,12,13,14 . Ces outils sont généralement livrés aux cellules CHO sous forme d’ADN plasmidique ou de complexes ribonucléoprotéiques purifiés (RNP). Inversement, l’interférence ARN (ARNi) est une technologie de génie génétique qui, dans sa forme la plus simple, ne nécessite que la livraison d’oligonucléotides d’ARN interférent court purifié (siRNA). Les protéines endogènes transforment le siRNA double brin en brins simples, et la nucléase, le complexe de silençage induit par l’ARN (RISC), forme un complexe avec siRNA pour cliver les séquences d’ARNm cibles 15,16,17. Le silençage génique via cette méthode est transitoire en raison de l’instabilité de l’ARN, mais l’étude ici tire parti de cette fonctionnalité pour faciliter un dépistage rapide.
L’enzyme modèle sélectionnée pour la présente étude, l’α1,6-fucosyltransférase (FUT8), produit des N-glycanes avec α-1,6 L-fucose liée au noyau (Fuc). Cette modification est un déterminant primaire de l’activité de cytotoxicité cellulaire dépendante des anticorps (ADCC), comme en témoignent les études sur les anticorps commerciaux. En l’absence de fucosylation du noyau, le rituximab (IgG1 anti-CD20) multiplie par 50 l’ADCC et augmente l’ADCC dans le trastuzumab (IgG1 anti-Her2) en améliorantla liaison fcgRIIIa 18,19. La fucosylation de base est donc considérée comme une caractéristique indésirable des mAbs qui justifie des efforts pour inverser ce phénotype. Il existe des exemples de ciblage réussi du gène Fut8 à l’aide de siRNA avec des augmentations concomitantes de l’ADCC 20,21,22, bien que ces exemples fournissent du SiRNA Fut8 codé sur l’ADN plasmidique. De telles expériences génèrent un silençage génique stable car l’ADN plasmidique sert de modèle pour la synthèse du siRNA. Cela permet aux cellules de reconstituer les molécules de siRNA dégradées par les RNases intracellulaires et les phosphatases. Inversement, l’administration de siRNA synthétique exogène ne permet que le silençage transitoire des gènes, car le siRNA ne peut pas être reconstitué en raison de l’absence d’un modèle intracellulaire. Ainsi, les utilisateurs doivent déterminer si les plans expérimentaux sont compatibles avec le siRNA dérivé de plasmides ou synthétique. Par exemple, les études axées sur le pic de production de mAb, généralement le sixième jour de la culture23,24, peuvent opter pour un siRNA synthétique qui peut être livré aux cellules quelques jours avant le pic d’expression. Les avantages d’une approche transitoire utilisant du siRNA synthétique incluent la capacité d’externaliser la production et le fait que plusieurs constructions de siRNA peuvent être générées en une fraction du temps nécessaire pour générer des constructions dans les plasmides. En outre, le siRNA synthétique est efficace, comme en témoignent les exemples de silençage du gène Fut8 qui sont suffisants pour réduire l’expression de la protéine FUT825 et produire des IgG afucosylées avec une liaison accrue à FCgRIIIa et ADCC26.
Le succès de ce protocole de glyco-ingénierie a été déterminé par le degré de glycosylation Fc. La spectrométrie de masse est normalement la méthode de choix pour les analyses glycomiques; cependant, l’électrophorèse sur gel capillaire et la détection de fluorescence induite par laser (CGE-LIF) se prêtent parfaitement à la résolution du glycoprofil des IgG purifiées et présentent l’avantage d’une plus grande rapidité et simplicité. Les protocoles de spectrométrie de masse doivent combiner les méthodes de chromatographie et de dérivatisation appropriées, les sources d’ionisation et les analyseurs de masse 27,28,29. En plus de nécessiter un spécialiste qualifié, les protocoles de spectrométrie de masse sont longs et la diversité des méthodes rend les données difficiles à comparer entre les laboratoires avec des configurations différentes. Dans le contexte des produits biopharmaceutiques, le CGE-LIF est une méthode sensible qui peut fournir suffisamment de détails sur un glycoprofil d’anticorps et est facilement évolutive pour les méthodes à haut débit. Pour les mélanges à faible abondance et très complexes avec des glycoprotéines mal caractérisées, les avantages de la spectrométrie de masse pourraient demeurer. Cependant, l’analyse mAb haute résolution et haute sensibilité offerte par l’analyse N-glycane basée sur CGE-LIF sert de justification pour tester cette méthode. De plus, la préparation et l’analyse des échantillons sont terminées en quelques heures30 seulement. Des études récentes ont montré que le CGE-LIF peut être utilisé pour surveiller les glycanes dérivés du plasma humain31, de la souris32 et des IGG CHO33. Ces études mettent en évidence l’utilisation du CGE-LIF pour l’analyse d’échantillons à haut débit et de petits volumes d’échantillons.
La méthode CGE-LIF présente des limites à prendre en considération. Le coût est un obstacle important à l’utilisation de cet appareil et d’autres pour l’analyse des glycanes. Cependant, ces coûts sont typiques dans le domaine, et CGE-LIF est considéré comme une option rentable34. Les laboratoires disposant de petits budgets peuvent trouver plus pratique de louer des machines ou d’externaliser l’analyse d’échantillons. Une autre considération de toute méthode analytique est la répétabilité. L’évaluation du CGE-LIF a été réalisée à l’aide de 48 répétitions du même échantillon qui ont été analysées à des jours différents. L’écart-type relatif par capillaire a été déterminé pour la répétabilité intrabatch et interbatch. La comparaison intrabatch des réplicats s’est avérée avoir un écart-type relatif de 6,2%, ce qui indique que la performance capillaire n’est pas uniforme. De plus, une comparaison des données interbatch a montré un écart-type relatif de 15,8 %31, ce qui indique que le rendement capillaire change au fil du temps. Les lacunes opérationnelles identifiées peuvent ne pas s’appliquer dans la présente étude, qui utilise différentes machines et réactifs propriétaires. Si les utilisateurs ont l’intention de développer un protocole interne, il serait utile d’envisager l’étude de Ruhaak et al. 31, qui a soigneusement évalué les réactifs pour CGE-LIF. Ainsi, les réactifs pour l’injection d’échantillons (Hi-Di Formamide et DMSO), le marquage des glycanes (NaBH3CN ou 2-picoline borane)31, et d’autres ont été optimisés.
Cette étude présente un protocole de glycoingénierie rapide qui combine la rapidité de l’ARNi direct avec l’analyse glycomique en aval. La méthodologie est illustrée en utilisant le gène Fut8 comme cible pour les raisons décrites ci-dessus.