Produits pharmaceutiques recombinants à partir de cellules microbiennes : une mise à jour de 2015

Usines de cellules

Depuis les premiers temps de l’ADN recombinant, une compréhension toujours plus grande de la physiologie et du stress cellulaires, ainsi que des facteurs impliqués dans l’expression génique hétérologue et la production de protéines a permis l’utilisation de différentes usines vivantes, à savoir les cellules procaryotes et eucaryotes, les plantes ou les animaux . En utilisant ces systèmes, la production recombinante résout les problèmes de disponibilité des sources, est considérée comme un processus biologiquement sûr et écologique et confère la capacité de modifier les séquences d’acides aminés et donc la fonction des protéines, afin de mieux ajuster le produit à une fonction souhaitée . Il existe un large éventail croissant de systèmes d’expression qui deviennent disponibles pour la production de protéines recombinantes. Escherichia coli était la plateforme prédominante lorsque le secteur biopharmaceutique a émergé dans les années 1980, et elle a été suivie par l’implantation de la levure Saccharomyces cerevisiae. Les deux systèmes et les méthodologies génétiques associées présentent une polyvalence inhabituelle, ce qui les rend adaptables à différentes demandes de production. Malgré l’exploration des cellules d’insecte comme système initialement réussi, en particulier pour les protéines vaccinales, les lignées de cellules de mammifères (plus particulièrement les cellules CHO) sont aujourd’hui le système cellulaire d’origine animale dominant en raison de leur aptitude à produire des protéines convenablement glycosylées (Fig. 1). La possibilité d’effectuer des modifications post-traductionnelles contraste avec des exigences nutritionnelles complexes, une croissance lente et une fragilité, ainsi que des délais et des coûts de production relativement élevés. Ainsi, parmi les nombreux systèmes cellulaires conventionnels et émergents pour la production de protéines, les bactéries, les levures et les lignées cellulaires de mammifères sont les plus courantes dans le secteur biopharmaceutique, et les systèmes procaryotes et eucaryotes sont en constante évolution et en concurrence pour améliorer leurs propriétés et s’intensifier en tant que plateformes de choix pour la production de médicaments protéiques. Alors que les bactéries ont perdu leur rôle de premier plan dans le domaine, environ 30 % des produits biopharmaceutiques commercialisés sont encore produits dans ce système, comme soutenu par la manipulabilité physiologique et génétique inhabituelle des cellules procaryotes .

En fait, le principal objectif du développement de nouvelles plateformes de production de protéines est d’améliorer la fonctionnalité des médicaments en atteignant un repliement réussi des protéines et des modifications post-traductionnelles, tout en conservant la faible complexité et la grande flexibilité associées à la culture de cellules procaryotes. Dans ce contexte, les bactéries à Gram positif telles que Bacillus megaterium et Lactococcus lactis permettent la sécrétion efficace de protéines en l’absence de composants endotoxiques de la paroi cellulaire, tandis que les champignons filamenteux (tels que Trichoderma reesei, ), les mousses (Physcomitrella patens, ) et les protozoaires (Leishmania tarentolae, ) favorisent des schémas de glycosylation similaires à ceux des protéines de mammifères, tout en étant cultivés selon des méthodes plus simples que celles requises par les cellules de mammifères. On trouvera ailleurs des descriptions détaillées des plates-formes émergentes (bactériennes et non bactériennes) spécifiquement destinées à la production de médicaments protéiques de haute qualité. Le développement récent d’une souche d’E. coli exempte d’endotoxine et son application à la fabrication de protéines et de matériaux protéiques ouvrent la voie à une production rentable et polyvalente de protéines destinées à des usages biomédicaux en sautant les étapes d’élimination de l’endotoxine, ce qui permet de gagner en biosécurité et de réduire les coûts de production. Espérons que tous ces nouveaux systèmes offriront bientôt des produits améliorés dans des approches de biofabrication encore simples et entièrement contrôlées.

Tendances en matière de produits biopharmaceutiques à base de protéines

Près de 400 produits à base de protéines recombinantes ont été produits avec succès et sont approuvés comme produits biopharmaceutiques , un terme qui désigne les produits thérapeutiques générés par des technologies qui impliquent des organismes vivants . Quelque 1 300 autres protéines candidates sont en cours de développement, dont environ 50 % font l’objet d’études précliniques et 33 % d’essais cliniques (figure 2). Dans ce contexte, une augmentation du nombre d’approbations dans les prochaines années est prévisible. Développée par Eli Lilly & Co dans les années 70, Humulin, une insuline humaine recombinante fabriquée dans la bactérie E. coli, a été le premier produit biopharmaceutique approuvé (par la FDA) en 1982. D’autres protéines naturelles telles que les hormones, les cytokines et les anticorps (Orthoclone OKT3) figuraient parmi les neuf seuls produits approuvés dans les années 1980 (tableau 1). Aujourd’hui, les domaines thérapeutiques qui ont le plus bénéficié des produits biopharmaceutiques recombinants sont les troubles métaboliques (par exemple, le diabète de type 1 ou de type 2, l’obésité ou l’hypoglycémie), les troubles hématologiques (par exemple, l’anémie rénale, l’hémophilie A, les troubles de la coagulation ou de la coagulation) et l’oncologie (par exemple, le mélanome, le cancer du sein ou le cancer colorectal), avec respectivement 24, 18 et 15 % des autorisations (figure 3). À cet égard, l’oncologie est un marché en nette expansion. Au cours de la période 2010-2014, 9 des 54 produits biopharmaceutiques approuvés étaient des médicaments antitumoraux, le cancer représentant l’indication la plus courante au cours de cette période. Si l’on examine les bases moléculaires des produits biopharmaceutiques, on constate une nette tendance à l’utilisation de produits à base d’anticorps. Sur la même période (2010-2014), 17 des 54 médicaments protéiques approuvés étaient des anticorps monoclonaux (31,5 %), contre 11 % sur la période 1980-1989 . En outre, parmi les dix produits biopharmaceutiques protéiques les plus vendus dans le monde en 2014 (tableau 2), six sont des anticorps ou des protéines dérivées d’anticorps (Humira, Remicade, Rituxan, Enbrel, Avastin, Herceptin ; http://qz.com/349929/best-selling-drugs-in-the-world/).

Auparavant, les produits biopharmaceutiques étaient des versions recombinantes de protéines naturelles, avec la même séquence d’acides aminés que les versions natives respectives (avec seulement des modifications mineures, résultant souvent de la stratégie de clonage). Depuis les années 1990, une proportion significative des approbations est basée sur des formes hautement modifiées de protéines recombinantes. Cette nouvelle alternative, basée sur la fusion de protéines ou de domaines et sur des versions tronquées, offre un large spectre de combinaisons possibles pour obtenir de nouveaux produits biopharmaceutiques avec différentes activités jointes qui ne se trouvent pas ensemble dans la nature.

Médicaments protéiques pour le traitement du cancer

L’oncologie est l’une des indications thérapeutiques qui dominent le marché biopharmaceutique, car le cancer est une cause majeure de morbidité et de mortalité dans le monde. La chirurgie et la radiothérapie sont efficaces pour guérir le cancer aux stades précoces de la maladie ; cependant, elles ne peuvent pas éradiquer la maladie métastatique. La présence de micrométastases ou de métastases cliniquement évidentes au moment du diagnostic nécessite leur utilisation en association avec une chimiothérapie génotoxique pour augmenter les taux de guérison. Néanmoins, le succès de la chimiothérapie a été entravé par son manque de sélectivité et de spécificité, de sorte que la toxicité pour les tissus normaux limite la dose qui pourrait être administrée aux patients. Le développement de produits biopharmaceutiques capables d’inhiber des cibles moléculaires spécifiques pilotant le cancer (par exemple, les anticorps monoclonaux anti-Her2-Trastuzumab- ou anti-VEGF-Bevacizumab-) va dans ce sens .

Parmi les produits biopharmaceutiques protéiques commercialisés, près de 24 % (94 produits) sont utilisés dans des thérapies antitumorales. La plupart de ces produits sont utilisés à des fins de soutien destinées à minimiser les effets secondaires de la chimiothérapie, généralement la neutropénie ou l’anémie (quelques exemples représentatifs sont présentés dans le tableau 3). Dix-neuf de ces 94 produits sont de véritables médicaments antitumoraux, dont 69 % sont produits dans E. coli (Fig. 4) et sont basés sur des séquences d’acides aminés modifiées, des fusions de protéines et des domaines de protéines uniques (Tableau 4).

En clair, les versions modifiées des protéines sont les plus abondantes dans les thérapies anticancéreuses par rapport aux polypeptides naturels. A titre d’exemples pertinents, Ziv aflibercept est une protéine de fusion recombinante produite dans des cellules CHO utilisée contre le cancer colorectal. Elle consiste en des portions de chacun des récepteurs du facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGFR1 et VEGFR2) fusionnées à la fraction constante (Fc) d’une immunoglobuline humaine IgG1 (figure 5). Cette construction agit comme un leurre en se liant au VEGF-A, au VEGF-B et au facteur de croissance placentaire (PlGF), qui activent le VEGFR. Ce piège empêche l’interaction entre les facteurs de croissance et les récepteurs, inhibant ainsi la voie du VEGF qui est impliquée dans le processus angiogénique. Le diftitox est une protéine recombinante composée de deux fragments de toxine diphtérique (A et B) et d’une interleukine-2 humaine (Fig. 5). La toxine diphtérique est une exotoxine puissante sécrétée par Corynebacterium diphteriae. En raison de sa structure particulière, l’ensemble du complexe, produit dans E. coli, est capable de délivrer un agent cytotoxique directement à une cible spécifique. Il existe deux blocs actifs principaux dont la fonction est d’abord de délivrer sélectivement le produit biopharmaceutique (IL-2) et ensuite de provoquer une cytotoxicité (toxines A et B). La protéine de fusion se lie au récepteur de l’IL-2, qui est exprimé dans les cellules cancéreuses (lymphome cutané à cellules T). Une fois la partie toxine internalisée, le domaine catalytique favorise la mort cellulaire par inhibition de la synthèse protéique .

Comme l’administration de médicaments ciblés pour le cancer est un domaine de recherche le plus récent et en expansion, d’autres produits biopharmaceutiques non recombinants à base de protéines sont également fortement représentés. Il s’agit principalement de conjugués anticorps-médicaments (ADC) tels que le Brentuximab vedotin, le Trastuzumab emtansine, ou de conjugués nanoparticules-médicaments tels que le nab-paclitaxel . Dans ces cas, la contrepartie protéique agit comme un véhicule ciblé pour les médicaments chimiques conventionnels. Là encore, cette approche poursuit l’administration sélective de médicaments à des cellules cibles spécifiques, visant à augmenter l’activité antitumorale tout en réduisant la toxicité sur les cellules normales et les effets secondaires associés.

Les produits contre le cancer qui ont fourni les revenus les plus élevés en 2013 sont représentés dans la figure 6. Soixante pour cent de ces produits sont des protéines recombinantes, ce qui soutient l’idée que la production de protéines recombinantes est toujours une plateforme montante et prometteuse, offrant de la place pour des avancées importantes dans le secteur biopharmaceutique.

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