Médicaments issus des. Biotechnologies. Introduction Conception des médicaments Définition, histoire & applications de la Biotechnologie

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1 Médicaments issus des Biotechnologies Module : Sources actuelles et futures des principes actifs Pr Jean-Michel BIDART Université Paris-Sud 11 Plan Introduction Conception des médicaments Définition, histoire & applications de la Biotechnologie Bases du Génie Génétique La cellule : unité du monde vivant Définition & applications du génie génétique Biomédicaments Définition Propriétés des biomédicaments Exemples de biomédicaments Protéines recombinantes Thérapies génique & cellulaire 1

2 Introduction Conception des médicaments Les grandes étapes de l histoire des médicaments : d un principe actif dans un milieu complexe (ex : extrait végétal) à la molécule biologique active (ex : anticorps). Préhistoire : «Médecine» empirique > XVIII è s : plantes médicinales, tissus animaux, et dérivés XIX è s ->: chimie de synthèse ou d hémisynthèse Molécules de synthèse (chimie organique) XX è s ->: «biotechnologies» Principe actif Molécules biologiques (ADN, protéines) Introduction Définition, Histoire & Applications de la Biotechnologie L OCDE* définit la biotechnologie comme «l application des principes scientifiques et de l'ingénierie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour produire des biens et services». Autrement dit : les applications industrielles, agricoles, médicales ou technologiques des principes de l ingéniérie génétique au monde du vivant. La biotechnologie pharmaceutique se définit comme l ensemble des procédés biotechnologiques, utilisant des micro-organismes, plantes et animaux ou leurs constituants, pour la production de produits pharmaceutiques. Adapté de Bud R, The Uses of Life, 1994 * 2

3 Introduction Définition, Histoire & Applications de la Biotechnologie La biotechnologie trouve ses racines aux débuts de l agriculture (fermentation). Au XIX siècle, elle devient une «science» en démontrant le rôle de la cellule vivante dans la transformation biochimique. A partir de 1950, le développement de la technologie de l ADN recombinant fonde la biotechnologie contemporaine. < VIè siècle Vers La fermentation alcoolique (Egypte, Bible) Brassage, fermentation du pain Microscope : observation des cellules (Leuwenhoek) Premiers procédés de culture (Pasteur, Koch) Utilisation d enzymes pour applications techniques (Rohm, Takamine) Découverte de la pénicilline (A Fleming) Utilisation des transformations microbiennes à l échelle industrielle Structure de l ADN (Watson & Crick) Recombinaison génétique (Cohen & Boyer) monoclonaux (Kohler & Milstein) Séquençage du génome humain Introduction Définition, Histoire & Applications de la Biotechnologie La biotechnologie (pharmaceutique) est une discipline intégrative Biologie moléculaire, biochimie, génétique Microbiologie industrielle Immunologie Robotique, micromécanique Bioinformatique Pharmacotechnie et appliquée. Subvenir à la demande de manière quantitative (ex : insuline, érythropoïétine). Assurer une reproductibilité de l efficacité d un lot à l autre (ex : hormone gonadotrope et fertilité). Assurer l innocuité du matériel produit et de l absence d agents pathogènes (ex : hormone de croissance et prion). 3

4 Bases du Génie Génétique La cellule : unité du monde vivant La cellule est la plus petite unité structurale d un organisme douée d un fonctionnement autonome. Toutes les cellules présentent les mêmes caractéristiques : Elles naissent, se nourrissent, se divisent et meurent Procaryotes Une cellule Pas d organites intracellulaires Pas de noyau; ADN circulaire Génome : 4 x 10 6 bp (E coli) 90% de l ADN codent des protéines; pas de maturation des ARN 3x10 6 proteines Eucaryotes Une ou plusieurs cellules Organites et compartiments intracellulaires Noyau; Chromosomes Génome : 1.3 x 10 7 bp (Levure) 3 x 10 9 bp (homme) Une fraction de l ADN code les protéines; Epissage exons/introns 5x10 9 proteines Bases du Génie Génétique La cellule : unité du monde vivant La vie repose sur trois biomolécules essentielles : L ADN contient la mémoire (information génétique) de la cellule. L unité d information est le gène, constitué d une portion ou séquence d ADN. L ARN est la matrice utilisée pour la synthèse des protéines (ARNm, ARNr, ARNt). Les protéines déterminent non seulement la structure (morphologie) des cellules mais aussi leurs fonctions. Réplication Le dogme central : le flux de l information génétique. ADN ARN Protéine Transcription Traduction 4

5 Bases du Génie Génétique Définition & Principe du Génie Génétique Le génie génétique ou ingénierie génétique ou technologie de l ADN recombinant vise utiliser, modifier ou reproduire le génome des êtres vivants. Il utilise des outils biologiques et des techniques de biologie moléculaire permettant, de manière contrôlée : de couper l ADN de manière définie et reproductible, à l aide d enzymes de restriction, d intégrer l ADN dans des vecteurs, molécule d ADN utilisée comme outil de transfert (véhicule) de matériel génétique dans une cellule hôte (ou un organisme hôte), de transcrire in vitro un ARNm en séquence d ADN complémentaire (ADNc) à l aide de le Transcriptase inverse, ADN Ex : une application, le transfert de gène (transgénèse). Protéine recombinante (ex : hormone) Cellule hôte Bases du Génie Génétique Définition & Principe du Génie Génétique ADN contenant le gène d intérêt (ex : insuline) 2. Coupure ADN et vecteur avec la même enzyme de restriction 4. Mise en culture et sélection des cellules-hôtes ayant intégrées le vecteur recombinant Plasmide E. coli 1. Extraction ADN et purification du vecteur (ex : plasmide) 3. insertion-ligation ADN dans vecteur puis transfert dans cellule hôte insuline 5. Les cellules-hôtes sont des usines de production du biomédicament Voir cours Module e Méthodes d analyse du génome. 5

6 Bases du Génie Génétique Etapes & Applications du Génie Génétique Les produits de santé issus de la biotechnologie nécessitent des procédés industriels complexes, liés à la maîtrise du vivant. Isolement du matériel biologique, modification et multiplication. Caractérisation et séquençage Clonage Expression Génie Génétique Processus simples et robustes. Ressources humaines et capital Bilan énergétique, matières premières, traitement des déchets Production industrielle Purification et caractérisation Contrôle Qualité Conditionnement Bases du Génie Génétique Etapes & Applications du Génie Génétique Manipulation du matériel génétique (ADN, ARN) à des fins pratiques : ADN recombinant Transgénèse animale et végétale Transgénèse cellulaire Diagnostic OGM Production pharmaceutique de biomédicaments Cognitif Amélioration des espèces satisfaction des désirs Carbon Copy the First Cloned Pet Science (2002) 295:1443 6

7 Biomédicaments Définition des biomédicaments «tout médicament dont la substance active est produite à partir d une source biologique ou en est extraite... et dont la caractérisation et la détermination de la qualité nécessitent une combinaison d essais physiques, chimiques et biologiques ainsi que la connaissance de son procédé de fabrication et de son contrôle.» Tous les biomédicaments ne sont pas issus d un procédé de biotechnologie (ex : dérivés du sang). Biomédicaments Classification des Biomédicaments Produits non issus de l ADN recombinant Vaccins Toxines & Antibiotiques Enzymes, Hormones, polyclonaux Médicaments dérivés du sang Thérapies Cellulaires & Tissulaires Oligonucléotides & plasmides Produits Biologiques Acides Nucléiques Facteurs de croissance Vaccins à ADN Biotechnologie Thérapies géniques Protéines thérapeutiques monoclonaux Produits issus de l ADN recombinant Hormones Cytokines Enzymes Protéines Recombinantes Vaccins recombinants & thérapeutiques Facteurs plasmatiques Adapté de Développment & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole 7

8 Biomédicaments Propriétés des biomédicaments Les biomédicaments de nature protéique (protéines recombinantes) présentent des caractéristiques et des propriétés très différentes de celles des molécules de synthèse issues de la chimie organique. Molécule de synthèse Biomolécule Taille Production Cible Spécificité Liaison Administration Biodistribution Métabolisme < 1000 Da (hémi)synthèse organique intracellulaire ++ Rapidement réversible Orale, quotidienne Large Enzyme détoxification > 5000 Da ADN recombinant extracellulaire ++++ Lente Parentérale, hebdomadaire Plus restreinte Protéases Biomédicaments Propriétés des biomédicaments Les biomédicaments de nature protéique (anticorps, hormones, ) agissent essentiellement au niveau extracellulaire. L anticorps empêche le ligand (VEGF) de se lier à son récepteur (VEGF receptor) exemples L anticorps se lie à un récepteur et bloque son fonctionnement Membrane Cytoplasme noyau Les molécules de synthèse organique agissent au niveau intracellulaire. 8

9 Biomédicaments Biomédicament d origine naturelle (extraction) ou recombinante? le recours à la technologie de l ADN recombinant dépend de l abondance naturelle du produit et du coût de production Propriétés des biomédicaments 1950 Hormones gonadotropes Erythropoïétine hcg FSH EPO > >> extraction extraction? Futur? Recomb. Extrac. + mab Recomb. Recomb. Synthèse organique (peptidomimétique) Exemples de Biomédicaments Produits non issus de l ADN recombinant Vaccins Toxines & Antibiotiques Enzymes, Hormones& polyclonaux Médicaments dérivés du sang Oligonucléotides & plasmides Produits Biologiques Acides Nucléiques Vaccins à ADN Thérapies géniques Protéines thérapeutiques monoclonaux Produits issus de l ADN recombinant Protéines Recombinantes Vaccins recombinants & thérapeutiques Thérapies Cellulaires & Tissulaires Facteurs de croissance Hormones Cytokines Enzymes Facteurs plasmatiques Adapté de Développement & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole 9

10 Exemples de Biomédicaments Protéines recombinantes Les anticorps et les hormones (dont les insulines) représentent plus de 40% des protéines recombinantes utilisées en thérapeutique humaine. Plus d 1/3 des applications médicales concernent le traitement du cancer. Insulines (11%) (20%) Hormones (12%) Vaccins (11%) biomédicaments issus du génie génétique commercialisés en France (2008) source LEEM Insulin hgh IFN EPO G-CSF Hormones, cytokines, Herceptin Remicade Xolair Avastin Erbitux Exemples de Biomédicaments Protéines recombinantes L exemple de l Insuline Découverte du rôle de l insuline : Banting, Best, McLeod et Collip (Canada) Insuline extractive à partir de pancréas de porc ou de boeuf. Before Insulin J.L. Ages 3, 15 lbs December 15, 1922 After Insulin J.L. Ages 3, 29 lbs February 15, 1923 Immunogénicité -> perte d activité de l insuline modification enzymatique (biotransformation) de l insuline porcine Insuline recombinante produite en bactérie (E. Coli) Charles Best(à gauche) et Frederick Banting (la droite) (Thomas Fisher Rare Book Library, U of T). 10

11 Exemples de Biomédicaments Protéines recombinantes Fab Les anticorps monoclonaux, une classe particulière de protéine thérapeutique. Un anticorps (Ac), ou immunoglobuline (Ig), est une protéine produite par le système immunitaire en réponse à un antigène (Ag). Fc Un anticorps monoclonal (AcM) est un anticorps reconnaissant un seul épitope sur un antigène donné : il est par définition produit par un seul clone de plasmocyte. Plasmocyte A Antigène Plasmocyte B La technique d hybridation cellulaire permet d immortaliser un clone de plasmocyte, pour donner un hybridome, «usine à production» d AcM anticorps Exemples de Biomédicaments Produits non issus de l ADN recombinant Vaccins Toxines & Antibiotiques Enzymes, Hormones& polyclonaux Oligonucléotides & plasmides Produits Biologiques Acides Nucléiques Vaccins à ADN Thérapies géniques Produits issus de l ADN recombinant Protéines Recombinantes Médicaments dérivés du sang Protéines thérapeutiques monoclonaux Vaccins recombinants & thérapeutiques Thérapies Cellulaires & Tissulaires Facteurs de croissance Hormones Cytokines Enzymes Facteurs plasmatiques Adapté de Développement & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole 11

12 Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire La thérapie génique par transfert de gène vise à modifier ou réparer un gène pour traiter une pathologie. Le transfert du matériel génétique est réalisé grâce à des vecteurs utilisés in vivo ou ex vivo, de façon à obtenir in vivo l expression d un ou de plusieurs gènes d intérêt. Gène normal («correcteur») Thérapie génique d augmentation (ex :myopathie) Cellules malades Cellules à phénotype normal Gène normal ou modifié («tueur») Destruction ciblée de cellules spécifiques (ex : cancer) Cellules malades Cellules tuées Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire La thérapie génique est autorisée uniquement pour le transfert de gène dans les cellules somatiques. cellule somatique Thérapie génique Seules les cellules du tissu ayant reçu le transgène sont modifiées. Le transgène n est pas transmis à la descendance. cellule embryonnaire Animal transgénique L ensemble des cellules de l individu seront modifiées par l incorporation du transgène. Le transgène est transmis à la descendance. 12

13 Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire La thérapie génique peut être réalisée ex vivo. Les cellules à modifier sont transformées en dehors de l organisme puis réintroduite (foie, cellules sanguines). injection Biopsie de cellules Contrôle de l expression du ou des transgènes Culture cellulaire Sélection des cellules génétiquement modifiées Culture cellulaire Mise en contact avec le vecteur Modification génique Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire La thérapie génique peut être réalisée in vivo. Le vecteur contenant le gène d intérêt est injecté directement dans l organisme en ciblant le tissu à traiter. Injection locale poumon Administration dans le tissu ou l organe vecteur Injection systémique (nécessite ciblage) 13

14 Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire La thérapie cellulaire vise à remplacer des cellules déficientes ou disparues par des cellules saines. CSP L : produits biologiques à effet thérapeutique issus de préparation de cellules vivantes ou animales. Médecine régénératrice Ingénierie tissulaire Améliorer ou remplacer les fonctions biologiques grâce à la combinaison de cellules, de matériaux et de facteurs biologiques appropriés. Thérapie cellulaire Prévenir ou traiter les pathologies humaines par l administration de cellules choisies, multipliées et traitées ou modifiées en dehors du corps (ex vivo). Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire Grâce à leur capacité à se transformer (plasticité) en différents types de cellules, les cellules souches offrent des perspectives thérapeutiques prometteuses en thérapie cellulaire. Stade Totipotentes Pluripotentes (blastocyte) Multipotentes Oligopotentes Unipotentes Œuf fécondé Cellules souches embryonnaires Cellules souches adultes Cellules spécialisées (progénitrices) Cellules différenciées Capacité de différenciation -> embryon -> tous les tissus -> nombreux tissus 14

15 Exemples de Biomédicaments Thérapies génique et cellulaire Exemples d applications potentielles de la thérapie cellulaire basée sur les cellules souches. Sang Leucémie Drépanocytose cerveau Parkinson Alzheimer coeur Cardiopathie Moelle epinière Blessure foie Cirrhose Hépatite peau Brûlure muscle Myopathie pancréas Diabète Os/cartilage Arthrose Ostéoporose Points clés La Biotechnologie contemporaine est définie comme «l application de la science et de la technologie aux organismes vivants pour la production de savoir, biens et services». La Biotechnologie Pharmaceutique, discipline intégrative et appliquée, vise à produire des médicaments et des stratégies thérapeutiques, basés sur le vivant. La Biotechnologie traditionnelle trouve ses origines dans les procédés anciens de la fermentation. Au XXè siècle, la compréhension des bases moléculaires de la biologie cellulaire et du rôle-clé de l ADN ouvre la voie à la manipulation du vivant ou Génie génétique. Celui-ci utilise des outils et des méthodes de biologie moléculaire (enzymes, vecteurs, cellule hôte) Les biomédicaments sont des substances produites à partir d une source biologique ou en sont extraites. Leurs procédés de fabrication et de contrôle sont parfaitement établis. Ils présentent des propriétés très différentes des médicaments issus de la synthèse organique. Parmi les biomédicaments issus du génie génétique, les protéines recombinantes (hormones, anticorps monoclonaux, ) constituent une part de plus en plus importante des médicaments utilisés en thérapeutique humaine. Les thérapies génique et cellulaire font partie des nouvelles stratégies thérapeutiques à fort potentiel. 15