LE GÉNIE PHARMACEUTIQUE

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1 LE GÉNIE PHARMACEUTIQUE ou le rôle d un ingénieur chimiste dans le domaine pharmaceutique Mario Jolicoeur, ing., Ph.D. Professeur adjoint département de génie chimique École Polytechnique de Montréal

2 Les impératifs : Découvrir de nouvelles molécules (3 à 5 par année!) Déterminer les moyens de production économiques chimie de syntèse biotechnologie extraction à partir d organismes vivants (ex. lapins, cochons, plantes) culture de cellules de divers organismes (microorganismes, cellules et tissus d animaux et de plantes) Faire approuver la molécule et le procédé de production par les organismes de régulation (Santé Canada, Food and Drug Administration (FDA) aux É.-U.)

3 Découvrir de nouvelles molécules De 3 à 5 nouvelles molécules par année tamisage à partir de plusieurs centaines évaluées Modifications de molécules existantes structure chimique ( effets secondaires, efficacité, spécificité) Recherche médicale évolution de la compréhension de maladies (déterminer la molécule active idéale) Médecine traditionnelle parcourir la planète à l affût de recettes miracles (plantes, concoctions)

4 Déterminer les moyens de production économiques Déterminer quel est le procédé de production assurant un retour sur l investissement chimie de syntèse (les procédés comportant généralement moins de 10 étapes) biotechnologie (procédés complexes et/ou comportant plus de 10 étapes)

5 Déterminer les moyens de production économiques réactifs Réactions chimiques ou catalyseur biologique produit(s) purification molécule(s)

6 Les activités de recherche Ingénieur biochimiste Conception de bioréacteurs Mise au point de bioprocédés Optimisation de bioprocédés physiologie nutrition métabolisme

7 Production via des catalyseurs cellulaires Organismes procaryotes bactéries : ex. Candida zeylanoïdes production de L-tryptophan, un acide aminé essentiel non synthétisé par l homme levures : ex. Pichia : production d héparinase, un anti-coagulant Organismes et cellules eucaryotes champignons : ex. Penicillium chrysogenum, Aspergillus nidulans : production d antibiotiques Actinomucor elegans, Aspergillus flavipes, etc. : production de stéroïdes

8 Production via des catalyseurs cellulaires Organismes et cellules eucaryotes cellules de plantes et racines transformées métabolites secondaires : agents anti-cancer ex. l if produit le taxol et la pervenche la vincristine ces molécules empêchent la division cellulaire des cellules cancéreuses on peut aussi incorporer des gènes codant pour des protéines d intérêts : ex. anticorps monoclonaux

9 Production via des catalyseurs cellulaires Organismes et cellules eucaryotes cellules d'insectes infection par des virus modifiés (ex. baculovirus) : ajout de gènes codant pour des protéines d intérêts (protéines recombinantes)

10 Production via des catalyseurs cellulaires Organismes et cellules eucaryotes cellules mammifères hybridomes (cellules normales + cellules cencéreuses) (anticorps monoclonaux : trousses diagnostiques) infection par des virus modifiés (ex. adénovirus) : ajout de gènes codant pour des protéines d intérêts (production de protéines recombinantes) infection par des virus modifiés (ex. adénovirus) : ajout de gènes codant pour des protéines d intérêts (prduction du virus dans un but de thérapie génique)

11 Production via des catalyseurs cellulaires Choix des équipements de production Particularités physiologiques des cellules résistance au stress mécanique bactéries > levures >>> cellules végétales > cellules animales niveau de la consommation en oxygène bactéries levures >>> cellules végétales cellules animales produit intracellulaire ou extracellulaire?

12 Production via des catalyseurs cellulaires Choix des équipements de production Particularités physiologiques des cellules résistance au stress mécanique bactéries > levures >>> cellules végétales > cellules animales type d agitateur configuration du bioréacteur configuration des périphériques

13 Production via des catalyseurs cellulaires Choix des équipements de production Particularités physiologiques des cellules niveau de la consommation en oxygène bactéries levures >>> cellules végétales cellules animales type d agitateur configuration du bioréacteur stratégies d opération

14 Production via des catalyseurs cellulaires Choix des équipements de production Particularités physiologiques des cellules produit intracellulaire ou extracellulaire configuration du bioréacteur (cellules immobilisées ou en suspension) stratégies de récupération et purification des produits

15 Production via des catalyseurs cellulaires Choix des équipements de production L CSTR (agitation mécanique) bactéries, levures, cellules végétales et animales AIRLIFT (agitation par bullage) bactéries, levures, cellules animales L

16 Production via des catalyseurs cellulaires Équipements de production originaux: rubans hélicoïdaux Cellules sensibles au cisaillement (cellules de plantes, animales) Jolicoeur M., Chavarie C., Carreau P.J., Archambault J. (1992) Biotechnol. Bioeng. 39:

17 Les activités de recherche Conception de bioréacteurs et mise au point de bioprocédés rubans hélicoïdaux gazo-siphon brouillard Garnissages Cellules végétales, animales Racines transformées Cellules sensibles au cisaillement

18 Production via des catalyseurs cellulaires Équipements de production CSTR 200-L

19 Santé Canada et la Food and Drug Administration (FDA) aux É.-U. Validation du procédé de production, un préalable à l homologation du produit Aseptie L INDUSTRIE PHARMACEUTIQUE Organismes de régulation Design : canalisation, équipements, procédures Procédures de nettoyage: pyrogènes, surfaces neutres Procédures de stérilisation Séquence des opérations

20 Organismes de régulation Bonnes pratiques Normes (matériaux, produits) Procédures d'opération standard GLP (pour Good laboratory practices) cgmp (pour current Good manufacturing practices) Salle propre (confinement des travaux)

21 Où se situe la microbiologie - Microbiologie: manipulations, cellules, aseptie - Enzymologie: biocinétiques, suivi de la production - Production pharmaceutique a) normes (GLP, cgmp, matériaux) b) aseptie (moyens) c) procédés (instrumentation, production, récupération des produits)

22 Rôle de l ingénieur en génie pharmaceutique - Optimisation de bioprocédés de production (ingénierie métabolique, physiologie nutritionnelle) - Processus de transfert des procédés pharmaceutiques (transfert de masse et de chaleur, procédés de séparationpurification)

23 La recherche à Polytechnique génie métabolique M. Jolicoeur biomédical M. Buschmann commande des procédés M. Perrier cellules animales A.Kamen B.Massie (IRB, CNRC) bact. levures D. Groleau (IRB, CNRC) relarguage contrôlé B. Favis purification R. Legros

24 Voies de recherche Optimisation de bioprocédés de production: génie métabolique (optimisation des capacités catalytiques des cellules) knock-out de gènes (éliminer certains enzymes) sur-expression de gènes (ajouts par des plasmides) jeu nutritionnel (optimisation/modulation des constituants du milieu de culture) E. coli, cellules de plantes, d'insecte et de mammifères

25 Voies de recherche génie métabolique potentiel membranaire Na +, K + métabolisme produit(s) cellule transport actif (substrats) NO 3-, H 2 PO 4 -,,glucides

26 Les activités de recherche Optimisation de bioprocédés physiologie - nutrition - métabolisme une cellule cytosol libre vacuole stock(v) stock(c) nutriments Phosphate Azote produits, métabolites

27 Les activités de recherche Optimisation de bioprocédés physiologie - nutrition - métabolisme Hypothèse la dynamique stocks - libre des nutriments est une clé métabolique une cellule vacuole stock(v) cytosol libre stock(c) nutriments Phosphate Azote produits, métabolites

28 Les activités de recherche Optimisation de bioprocédés physiologie - nutrition - métabolisme Hypothèse : clé métabolique La connaissance des dynamiques intracellulaires de nutriments clés pourrait permettre d orienter le métabolisme cellulaire contrôler la qualité du produit maximiser les productivités

29 Ingénierie cellulaire : optimisation des voies métaboliques À venir : Les activités de recherche pervenche de Madagascar

30 Rôle de l ingénieur en génie pharmaceutique Équipements : design, réingénierie Procédés de production : mise au point et/ou optimisation ingénierie métabolique, physiologie nutritionnelle Récupération des produits : hydrodynamique (écoulement du fluide contenant le produit) transfert de masse (ex. diffusion dans les colonnes d affinité)

31 Lieux d emplois 0. Besoins mondiaux : emplois d ici Industries pharmaceutique et alimentaire 2. Industrie satellite - équipements de production - récupération des produits 3. Instituts de recherche - IRB : Institut de recherche en biotechnologie Groupe de culture de cellules animales, Usine pilote - CRDA : Centre de recherche et de développement des aliments

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