Biotechnologies Médicaments issus des Plan Pr Jean-Michel BIDART

Médicaments issus des
Biotechnologies
Module : Sources actuelles et futures des
principes actifs
Pr Jean-Michel BIDART
Université Paris-Sud 11
JmB 2013
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
JmB 2013
1
• 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
-3000 -> XVIIIè s : plantes médicinales, tissus animaux, et dérivés
XIXè s ->: chimie de synthèse ou d’hémisynthèse
Molécules de synthèse
(chimie organique)
XXè s ->: « biotechnologies »
Principe
actif
Molécules biologiques
(ADN, protéines)
JmB 2013
• 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
*
JmB 2013
2
• 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.
< -3000
La fermentation alcoolique (Egypte, Bible)
VIè siècle
Brassage, fermentation du pain
Vers 1680
Microscope : observation des cellules (Leuwenhoek)
1860-1890
Premiers procédés de culture (Pasteur, Koch)
1900-1920
Utilisation d’enzymes pour applications techniques (Rohm, Takamine)
1929
Découverte de la pénicilline (A Fleming)
1949
Utilisation des transformations microbiennes à l’échelle industrielle
1954
Structure de l’ADN (Watson & Crick)
1973
Recombinaison génétique (Cohen & Boyer)
1975
Anticorps monoclonaux (Kohler & Milstein)
2000
Séquençage du génome humain
JmB 2013
• 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
…
Subvenir à la demande de manière quantitative
(ex : insuline, érythropoïétine).
… et appliquée.
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).
JmB 2013
3
• 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
Eucaryotes
Une cellule
Une ou plusieurs cellules
Pas d’organites intracellulaires
Organites et compartiments
intracellulaires
Pas de noyau; ADN circulaire
Noyau; Chromosomes
Génome : 4 x 106 bp (E coli)
Génome : 1.3 x 107 bp (Levure)
3 x 109 bp (homme)
90% de l’ADN codent des protéines;
pas de maturation des ARN
Une fraction de l’ADN code les protéines;
Epissage exons/Introns
3x106 proteines
5x109 proteines
JmB 2013
• 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
Transcription
Protéine
Traduction
JmB 2013
4
• 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 :
Ex : une application,
le transfert de gène
(transgénèse).
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
Cellule
hôte
ADN
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)
Proté
Protéine recombinante
à l’aide de le Transcriptase inverse,
(ex : hormone)
JmB 2013
• 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
insuline
1. Extraction ADN et
purification du vecteur
(ex : plasmide)
JmB 2013
3. insertion-ligation ADN
dans vecteur puis
transfert dans cellule
hôte
5. Les cellules-hôtes sont
des usines de production du
biomédicament
Voir cours Module e – Méthodes d’analyse du génome.
5
• 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
JmB 2013
• 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
Production
pharmaceutique de
biomédicaments
Cognitif
Amélioration des espèces
satisfaction
des désirs
OGM
JmB 2013
Carbon Copy
the First Cloned Pet Science (2002) 295:1443
6
• 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).
JmB 2013
• Biomédicaments
Classification des Biomédicaments
Produits non
issus de l’ADN
recombinant
Vaccins
Toxines &
Antibiotiques
Enzymes,
Hormones,
Anticorps
polyclonaux
Médicaments
dérivés du sang
Thérapies
Cellulaires &
Tissulaires
Produits
Biologiques
Produits issus
de l’ADN
recombinant
Acides
Nucléiques
Oligonucléotides
& plasmides
Vaccins
à ADN
Protéines
Recombinantes
Thérapies
géniques
Protéines
thérapeutiques
Facteurs
de
croissance
Hormones
Anticorps
monoclonaux
Cytokines
Vaccins recombinants
& thérapeutiques
Enzymes
Facteurs
plasmatiques
Biotechnologie
JmB 2013
Adapté de Développment & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole
7
• 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
< 1000 Da
(hémi)synthèse organique
> 5000 Da
ADN recombinant
Cible
Spécificité
Liaison
intracellulaire
++
Rapidement réversible
extracellulaire
++++
Lente
Administration
Biodistribution
Orale, quotidienne
Large
Parentérale, hebdomadaire
Plus restreinte
Métabolisme
Enzyme détoxification
Protéases
JmB 2013
• 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)
L’anticorps se lie à un récepteur et
bloque son fonctionnement
exemples
Membrane
Cytoplasme
noyau
•
Les molécules de synthèse organique
agissent au niveau intracellulaire.
JmB 2013
8
• Biomédicaments
Propriétés des 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.
1950
Hormones gonadotropes
hCG
extraction
Erythropoïétine
EPO
FSH
>
extraction
?
>>
1980
Extrac.
+
Recomb.
mAb
Recomb.
Recomb.
Synthèse organique
(peptidomimétique)
Futur ?
JmB 2013
• Exemples de Biomédicaments
Produits non
issus de l’ADN
recombinant
Vaccins
Toxines &
Antibiotiques
Enzymes,
Hormones&
Anticorps
polyclonaux
Médicaments
dérivés du sang
Thérapies
Cellulaires &
Tissulaires
JmB 2013
Produits
Biologiques
Produits issus
de l’ADN
recombinant
Acides
Nucléiques
Oligonucléotides
& plasmides
Vaccins
à ADN
Protéines
Recombinantes
Thérapies
géniques
Protéines
thérapeutiques
Facteurs
de
croissance
Hormones
Anticorps
monoclonaux
Cytokines
Vaccins recombinants
& thérapeutiques
Enzymes
Facteurs
plasmatiques
Adapté de Développement & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole
9
• Exemples de Biomédicaments
Anticorps
Protéines recombinantes
•
•
(20%)
Les anticorps et les hormones (dont les
insulines) représentent plus de 40%
des protéines recombinantes utilisées
en thérapeutique humaine.
Hormones
(12%)
Vaccins
(11%)
Plus d’1/3 des applications médicales
concernent le traitement du cancer.
1982
1990
Insulin
hGH
IFN
1997
1998
1999
Insulines
(11%)
biomédicaments issus du génie
génétique commercialisés en
France (2008) – source LEEM
2000
2001
2002
2003
2004
Hormones, cytokines, …
EPO
G-CSF
Herceptin
Anticorps
Xolair
Remicade
Avastin
Erbitux
JmB 2013
• Exemples de Biomédicaments
Protéines recombinantes
• L’exemple de l’Insuline.
1923 - Découverte du rôle de l’insuline :
Banting, Best, McLeod et Collip (Canada).
1928 - 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
1970 - modification enzymatique
(biotransformation) de l’insuline porcine.
1980 - Insuline recombinante produite
en bactérie (E. Coli)
JmB 2013
Charles Best(à gauche) et Frederick Banting (la
droite) (Thomas Fisher Rare Book Library, U of T).
10
• Exemples de Biomédicaments
Protéines recombinantes
•
Fab
Les anticorps monoclonaux, une classe
particulière de protéine thérapeutique.
Fc
Un anticorps (Ac), ou immunoglobuline (Ig), est une protéine
produite par le système immunitaire en réponse à un antigène (Ag).
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
La technique d’hybridation
cellulaire permet d’immortaliser
un clone de plasmocyte, pour
donner un hybridome, « usine à
production » d’AcM
Antigène
Plasmocyte B
anticorps
JmB 2013
• Exemples de Biomédicaments
Produits non
issus de l’ADN
recombinant
Vaccins
Toxines &
Antibiotiques
Enzymes,
Hormones&
Anticorps
polyclonaux
Médicaments
dérivés du sang
Thérapies
Cellulaires &
Tissulaires
JmB 2013
Produits
Biologiques
Produits issus
de l’ADN
recombinant
Acides
Nucléiques
Oligonucléotides
& plasmides
Vaccins
à ADN
Protéines
Recombinantes
Thérapies
géniques
Protéines
thérapeutiques
Facteurs
de
croissance
Hormones
Anticorps
monoclonaux
Cytokines
Vaccins recombinants
& thérapeutiques
Enzymes
Facteurs
plasmatiques
Adapté de Développement & Conseil, 2008, Comité Biotech LeeM-Génopole
11
• 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.
Thérapie génique d’augmentation
Gène normal
(ex :myopathie)
(« correcteur »)
Cellules malades
Gène normal ou modifié
Cellules à phénotype normal
Destruction ciblée de cellules spécifiques
(ex : cancer)
(« tueur »)
Cellules malades
Cellules tuées
JmB 2013
• 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.
JmB 2013
12
• 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
Culture
cellulaire
Contrôle de
l’expression du ou des
transgènes
Culture
cellulaire
Mise en contact
avec le vecteur
Sélection des cellules
génétiquement modifiées
Modification
génique
JmB 2013
• 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
Administration
dans le tissu ou
l’organe
poumon
vecteur
Injection
systémique
(nécessite
ciblage)
JmB 2013
13
• Exemples de Biomédicaments
Thérapies génique et cellulaire
•
La thérapie cellulaire vise à remplacer des cellules déficientes
ou disparues par des cellules saines.
CSP L1211-21 : produits biologiques à effet thérapeutique issus de
préparation de cellules vivantes ou animales.
Médecine régénératrice
Ingénierie tissulaire
Thérapie cellulaire
Améliorer ou
remplacer les
fonctions biologiques
grâce à la
combinaison de
cellules, de
matériaux et de
facteurs biologiques
appropriés.
Prévenir ou traiter
les pathologies
humaines par
l’administration de
cellules choisies,
multipliées et
traitées ou modifiées
en dehors du corps
(ex vivo).
JmB 2013
• 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
Capacité de différenciation
Totipotentes
Œuf fécondé
-> embryon
Pluripotentes
Cellules souches
embryonnaires
-> tous les tissus
Multipotentes
Cellules souches
adultes
-> nombreux tissus
Oligopotentes
Cellules spécialisées
(blastocyte)
(progénitrices)
Unipotentes
Cellules différenciées
JmB 2013
14
• Exemples de Biomédicaments
Thérapies génique et cellulaire
•
Exemples d’applications potentielles de la thérapie cellulaire
basée sur les cellules souches.
cerveau
Sang
Leucémie
Drépanocytose
Moelle epinière
Blessure
Parkinson
Alzheimer
coeur
Cardiopathie
muscle
Myopathie
foie
pancréas
Cirrhose
Hépatite
Diabète
peau
Os/cartilage
Brûlure
Arthrose
Ostéoporose
JmB 2013
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.
JmB 2013
15