Genetic engineering has allowed the design and production of recombinant antibodies (rmAbs) in plants. Nowadays, rmAbs are used in the treatment of a wide range of pathologies such as infectious diseases, inflammatory diseases and cancer, making rmAbs an important group of biomolecules within the pharmaceutical and biotechnology industry. By the time this study was started, the immunoglobulin G (IgG) was the antibody isotype predominantly expressed in plants. In recent years Modular DNA cloning technology has facilitated antibody engineering, with the development and expression of new rmAbs formats. However, there is hardly any study where different antibody formats are produced and compared in terms of yield and neutralizing capacity. Therefore, the starting point of the first chapter of this thesis is a comparative study where five different formats of the same commercial rmAb (Infliximab) against the human cytokine Tumor Necrosis Factor (TNF-¿) were expressed and compared. The results obtained in Chapter 1 demonstrate that both the isotype and the structure of the chosen rmAb influence the yield and the neutralizing capacity of rmAb. The expression of new antibody formats not only refers to the antibody isotype or structure; the format also refers to the combination of antibody idiotypes, leading to the production of oligo or polyclonal antibodies. Therefore, the possibility of co-expressing different monoclonal antibodies simultaneously in plants (creating oligoclonal or polyclonal formats) was raised. In the second chapter of this thesis, the expression of three rmAbs against the Ebola virus glycoprotein was studied. The three rmAbs were transiently expressed in N. benthamiana individually, by establishing separated production lines; in parallel, all three rmAbs were also co-expressed simultaneously in the same production line. The results obtained in this chapter demonstrated that the individual expression of rmAbs is feasible. However, when all three rmAbs are co-expressed, a drastic decrease in the binding of the antibody to the antigen was observed due to chain shuffling, as each heavy chain (HC) can be bound to any light chain (LC) other than its cognate chain, giving rise to an antibody cocktail with lower activity. With the objective of developing a method that allows co-expression of several rmAb in a single production line, we next proposed to exploit the viral interference phenomenon (also known as superinfection exclusion, SE). The results shown in Chapter three demonstrate that the production of an oligoclonal cocktail composed of 36 rmAbs in plants was possible using a viral expression system showing SE. The data obtained in this chapter showed that the resulting oligoclonal cocktail was active and capable of neutralizing toxic activities of the venom of the snake Bothrops asper in vitro and in vivo, wich was used as a model for studying the efficacy of the oligoclonal antibodies produced. The results of this thesis confirm and support the use of plants as platforms for the expression of alternative formats of antibodies. / La ingeniería genética ha permitido el diseño y la producción de anticuerpos recombinantes (rmAbs) en plantas. Hoy en día, los rmAbs se utilizan en el tratamiento de un amplio rango de patologías como enfermedades infecciosas, enfermedades inflamatorias y cáncer, convirtiéndose en un importante grupo de biomoléculas dentro de la industria farmacéutica y biotecnológica. Hasta la fecha de este estudio, en plantas se ha producido mayoritariamente la inmunoglobulina del tipo G (IgG). Gracias al desarrollo de la ingeniería del ADN recombinante y de la ingeniería de anticuerpos, es posible diseñar y producir nuevos formatos de rmAbs. Sin embargo, apenas existen estudios comparativos donde se demuestre si el formato de anticuerpo elegido es el idóneo en términos de rendimiento y capacidad neutralizante. Por tanto, el punto de partida del primer Capítulo de esta tesis consistió en la realización de un estudio comparativo de la expresión en plantas de cinco formatos distintos de un mismo rmAb comercial (Infliximab) frente a la citoquina humana Tumor Necrosis Factor (TNF-¿). Los resultados obtenidos en el Capítulo 1 demuestran que tanto el isotipo como la estructura del rmAb elegido influye en los niveles de rendimiento y en la capacidad neutralizante del rmAb. La expresión de nuevos formatos de anticuerpos no solo afecta al isotipo o a la estructura de las regiones constantes, sino que también se puede incluir en este término la expresión conjunta de distintos idiotipos de anticuerpos recombinantes, dando lugar a anticuerpos policlonales u oligoclonales recombinantes. Por tanto en esta tesis se planteó la posibilidad de co-expresar simultáneamente distintos anticuerpos monoclonales en plantas formando un cóctel oligoclonal. En el segundo Capítulo de esta tesis se diseñaron tres rmAbs frente a la glicoproteína de la cubierta del virus del Ébola. Los tres rmAbs se expresaron transitoriamente en N. benthamiana de manera individual mediante el establecimiento de líneas paralelas de producción y también se co-expresaron los tres rmAbs simultáneamente en una misma línea de producción. Los resultados obtenidos en este Capítulo demostraron que la expresión de los rmAbs de manera individual es factible. Sin embargo, cuando se co-expresan los tres rmAbs se observa una drástica disminución en la unión del anticuerpo al antígeno debido al barajado de cadenas, fenómeno por el cual cada cadena pesada (HC) se puede unir con cualquier cadena ligera (LC) distinta de su acompañante, dando lugar a un anticuerpo con una baja actividad. Finalmente, con el objetivo de desarrollar un método que permita co-expresar en una misma línea de producción varios rmAbs de forma reproducible se propuso explotar el fenómeno de la exclusión viral, un característica propia de los virus de plantas. Los resultados mostrados en el Capítulo 3 demuestran que es posible la producción de un cóctel oligoclonal compuesto por 36 rmAbs en N. benthamiana aprovechando el fenómeno de la exclusión viral. Los datos obtenidos en este capítulo muestran que el cóctel oligoclonal producido de esta forma mantiene intactas las actividades de los anticuerpos individuales y es capaz de neutralizar las actividades tóxicas del veneno de la serpiente Bothrops asper en ensayos in vitro e in vivo. Los resultados de esta tesis confirman y avalan el uso de las plantas como plataformas de expresión de formatos alternativos de anticuerpos. / El desenvolupament de l'enginyeria genètica ha permès el disseny i la producció d'anticossos recombinants (rmAbs) en plantes. Hui en dia, els rmAbs s'utilitzen en el tractament d'un ampli rang de patologies com malalties infeccioses, malalties inflamatòries i càncer convertint-se en un important grup de biomolècules dins de les indústries farmacèutiques i biotecnològiques. Fins a la data, s'han expressat majoritàriament la immunoglobulina del tipus G. Gràcies al desenvolupament de l'enginyeria de l'ADN recombinant i l'enginyeria dels anticossos s'han desenvolupat i expressat formats alternatius de rmAbs. Tanmateix, hi ha molts pocs estudis comparatius on es demostra si el format de l'anticòs elegit influeix en el rendiment i en la capacitat neutralitzant. Per tant, el punt de partida del primer Capítol d'esta Tesi és la realització d'un estudi comparatiu on s'expressen cinc formats diferents d'un mateix anticòs comercial (Infliximab) front a la citocina humana Tumor Necrosis Factor (TNF-¿). Els resultats obtesos demostren que tant l'isotip com l'estructura del rmAb elegit influeix en el rendiment i en la capacitat neutralitzant del rmAb. L'expressió de nous formats d'anticossos no sols afecta a l'isotip o a l'estructura del rmAb sinó que també pot incloure's dins d'aquest concepte l'expressió individual i l'expressió conjunta de diferents rmAbs. Partint d'aquesta hipòtesi, es va plantejar la possibilitat de co-expressar diferents rmAbs (còctel oligoclonal) en plantes. En el segon Capítol d'esta tesi es dissenyaren tres rmAbs front a la glicoproteïna del virus de l'Ébola. Els tres rmAbs s'expressaren transitòriament en N. benthamiana de manera individual mitjançant l'establiment de línies paral·leles de producció i també es co-expressaren els tres rmAbs en la mateixa línia de producció. Els resultats obtesos en este Capítol demostraren que l'expressió dels rmAbs de manera individual és factible. Tanmateix, quan es co-expressaren els tres rmAbs s'observà una dràstica disminució en la unió de l'anticòs a l'antigen com a conseqüència del shuffling chain, pel qual la cadena pesada (HC) s'uneix amb qualsevol cadena lleugera (LC) diferent a la seua acompanyant, formant un anticòs amb una baixa capacitat d'unió a l'antigen. Amb l'objectiu de desenvolupar un mètode que permeta co-expressar, en una mateixa línia de producció, un còctel oligoclonal es proposà explotar el fenomen de l'exclusió viral. Els resultats obtesos en el Capítol 3 demostren que l'expressió d' un còctel oligoclonal format per 36 rmAbs en plantes és possible. Els resultats mostren que el nostre còctel oligoclonal es capaç de neutralitzar activitats tòxiques del verí de la serp Bothrops asper en assaigs in vitro i in vivo. Els resultat obtesos en aquesta Tesi confirmen i avalen l'ús de les plantes com plataformes d'expressió de formats alternatius d'anticossos. / Huet Trujillo, E. (2017). Nuevas metodologías para la producción de anticuerpos recombinantes en plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90469

Les anticorps monoclonaux (AcM) sont des protéines ayant une reconnaissance antigénique spécifique utilisée pour le développement de réactifs thérapeutiques et diagnostiques. La production commerciale est réalisée en cultivant des cellules hôtes dans des bioréacteurs spécifiques. La densité cellulaire et le métabolisme cellulaire sont des paramètres clés pour le rendement élevé des AcM. Bioréacteur à fibres creuses (HFB), une cartouche contenant des fibres poreuses emballées, est l'un des systèmes de production disponibles dans le commerce. Si la densité de cellules obtenue peut conduire à un rendement élevé, le coût de l'ensemble du dispositif, y compris les pompes et les cartouches très coûteuses, empêche son utilisation de petites unités. Comme une alternative économique, nous avons proposé ici d'étudier le potentiel des modules de dialyse de polysulfone du commerce, classiquement employés dans le traitement de l'insuffisance rénale en phase terminale. Cependant, la membrane de polysulfone native a démontré une adsorption de protéines non spécifique significative préjudiciable à la production d'AcMs. De plus des enjeux normatifs viennent se greffer à ces problématiques scientifiques et technico-économiques, avec le cas des normes (ISO 13485/ AC S99-104/ GMP FDA /BPF…) qui imposent des méthodes de travail normalisées. Ce travail de thèse consiste en la conception d’un bioréacteur jetable, sur la base d’une cartouche de dialyse médicale à fibres creuses. Ce système doit offrir toutes les garanties en termes de production, de facilité d’utilisation, de stérilité, et permettre de concentrer les produits de cytoculture. La méthodologie scientifique a été couplée à une démarche qualité. La gestion de ce projet a été couplé à l’analyse de risques. En effet ce projet a été divisé en ses 5 composantes élémentaires décrite par Ishikawa par la méthode des 5 M. L’analyse de risque a consisté au calcul d’indice de criticité par la méthode AMDEC de chacune de ses familles de risques. Cette approche nous a permis de formaliser deux axes de recherche : i) la mise en œuvre d’une oxygénation efficace du milieu de culture (chapitre 4) et ii) les moyens de limiter le colmatage dans le module à fibres creuses pour obtenir une culture cellulaire conforme aux objectifs (chapitre 5). Le taux d’oxygénation est un facteur à prendre en compte dans un processus de culture cellulaire. L’oxygène peut être supplémenté selon deux modes, le mode passif ou le mode actif [Ozturk et Palsson 1990; Zhang S. et al 1992]. Il existe 2 types de système d’oxygénation : les système dit passif ou les échanges se font a travers une paroi de silicone et un système actif par aération directe dans le milieu de culture. Ce système est de loin l'opération la plus simple pour fournir de l'oxygène. Cependant, lorsque celui-ci est utilisé pour apporter de l’oxygène à des cultures de cellules mammifères, cela peut engendrer des altérations cellulaires. Des agents protecteurs chimiques peuvent être utilisés pour réduire les dommages cellulaires et la formation de mousse [Kamase et Moo-yung 1990; van Der pol L.A et al 1993]. Nos études ont démontré que l'addition d'agents anti-mousse peut entraîner une diminution du coefficient de transfert de masse d’O2 en phase liquide (Kl) [Kamase et Moo-yung 1990]. Nous avons établi l’efficacité de l’utilisation d’un polymère silice/silicone pour éliminer la mousse sur des cultures bactériennes et de cellules mammifères. Afin de limiter ces phénomènes de colmatage, les fibres de polysulfone ont été traitées avec plusieurs tensioactifs (acide pluronique F127, D-limonen et différentes huiles de silicone) qui ont conduit à une diminution significative de l'adsorption protéique. L'effet de ces surfactants sur les performances de filtration et sur la cytotoxicité a été étudié. Certains d'entre eux n'ont pas influencé ces paramètres alors que d'autres ont présenté des effets négatifs. / Monoclonal Antibodies (mAbs) are proteins with specific antigen recognition used for development of both therapeutic and diagnostic reagents. Commercial production is achieved by growing host cells in specific bioreactors. Cell density and cell metabolism are key parameters for high yield of mAbs. Hollow fiber bioreactor (I-IFB), a cartridge containing packed porous fibres, is one of the system for production commercially available. If the cell density achieved can lead to high yield, the cost of the whole device, including pumps and very expensive cartridges prevents its use of small units. As an economical alternative, we proposed here to investigate the potential of commercial polysulfone dialysis modules, classically employed in the treatment of end stage renal failure. However, the native polysulfone membrane demonstrated a significant non-specific protein adsorption detrimental to mAbs production. Moreover normative issues are added to these scientific and techno-economic issues, with the case of standards (ISO 13485 / AC S99-104 / GMP FDA / BPF ...) which impose standard working methods. This thesis consists of the design of a disposable bioreactor, based on a hollow-fiber medical dialysis cartridge. This system must offer all the guarantees in terms of production, ease of use, sterility, and allow to concentrate the cytoculture products. Scientific methodology has been coupled with a quality approach. The management of this project was coupled with the risk analysis. Indeed this project was divided into its 5 elementary components describe by Ishikawa by the 5M method. The risk analysis consisted in the calculation of the criticality index by the AMDEC method of each of its families of risks. This approach allowed us to formalize two research axes: i) the implementation of an effective oxygenation of the culture medium (chapter 4) and ii) the means of limiting the clogging in the hollow fiber module to obtain a culture consistent with the objectives (Chapter 5). The rate of oxygenation is a factor to be taken into account in a cell culture process. Oxygen can be supplemented in two modes, passive mode or active mode [Ozturk and Palsson 1990; Zhang S. et al 19921. There are two types of oxygenation system: the so-called passive system or the exchanges are made through a silicone wall and an active system by direct aeration in the culture medium. This system is by far the simplest operation for providing oxygen. However, when it is used to supply oxygen to mammalian cell cultures, this can cause cellular damage. Chemical protective agents can be used to reduce cell damage and DKamase and Moo-yung 1990 foam formation; van Der pol L.A. et al 1993 Cl. Our studies have shown that the addition of antifoaming agents can lead to a decrease in the liquid phase (K2) mass transfer coefficient of D Kamase and Moo-yung 1990C]. We have established the effectiveness of using a silica / silicone polymer to remove foam on bacterial and mammalian cell cultures. In order to limit these adsorption phenomena, polysulfone fibers were treated with several surfactants (pluronic acid F 127, D-limonen, and different silicone oils) which led to a significant decrease in protein adsorption. The effect of such surfactants on the filtration performances and on cytotoxicity were investigated. Some of the them did not influence these parameters while some presented negative effects. Finally, different cell culture parameters (cells densities, production yield, flow properties, fouling) were studied, as well as the performance of the bioreactor in perfusion continuous mode. The bioreactor was maintained in continuous mode for fifteen days and the production yield per batch was 250 mg of AcMs. The results obtained in this work allowed us to define the next steps to be taken, and are the subject of the Perspectives section.

Orientador: Hélio José Montassier / Banca: Camillo Del Cistia Andrade / Banca: Janete Apparecida Desidério Sena. / Resumo: Anticorpos monoclonais se constituem na base de vários testes usados na detecção e na identificação de antígenos. Nesse contexto, tais imuno-reagentes têm sido extensivamente empregados na identificação de estirpes virais envolvidas na etiologia de surtos de bronquite infecciosa a campo, permitindo o aperfeiçoamento das técnicas de detecção e caracterização antigênica do vírus da bronquite infecciosa das galinhas (VBI). No presente estudo, uma biblioteca de fragmentos de anticorpos de galinha originalmente preparada por "phage display" contra a estirpe vacinal (H120) do VBI, foi usada para a seleção de fragmentos de anticorpos recombinantes com reatividade cruzada para as estirpes heterólogas IBVPR01, IBVPR05, isoladas de surtos a campo no Brasil e SE-17, isolada nos Estados Unidos. Após três ciclos de "panning", foi identificado pelo ELISA um conjunto de 15 anticorpos scFv expressos em fagos e com reatividade cruzada para essas mesmas estirpes do VBI. A análise por Western-blotting revelou que três desses clones apresentavam fagos expressando fragmentos de anticorpos monoclonais com reatividade cruzada para a nucleoproteína N das três estirpes do VBI e também para a forma recombinante dessa nucleoproteína derivada da estirpe M41. Concluindo, os fragmentos de anticorpos monoclonais recombinantes scFv-N produzido em fagos interagem com um epítopo mais conservado da proteína N do VBI e apresentam um grande potencial para utilização na detecção e no diagnóstico direto desse vírus e no estudo de evolução de variantes desse vírus. / Abstract: Monoclonal antibodies are the basis of various techniques used for antigen detection or characterization, and their use is specially recommended for the identification of viral strains involved in the etiology of outbreaks of infectious bronchitis, because these antibodies are homogeneous, highly specific and fully characterized, allowing the improvement of detection of immunological techniques and antigenic characterization of avian infectious bronchitis virus strains (IBV). We used a phage display library prepared previously against the IBV vaccine strain (H120) for the selection of new scFv antibody fragments reacting with heterologous IBV strains isolated from outbreaks in Brazil (IBVPR01, IBVPR05) and USA (SE-17). After three cycles of panning a set of 15 scFv antibodies was expressed in phages and exhibited crossreaction in ELISA with these three viral strains. Western-blotting analysis showed that three of this clone set were expressing scFv specific for the nucleoprotein of these IBV strains, as well as to the recombinant form of this protein derived from M41 strain of IBV. In conclusion, the recombinant fragments of monoclonal antibodies expressed by phage-display technique have a great potential for future use in immunodiagnostic techniques and study the evolution of variant strains of this virus. / Mestre