Production de médicaments

Cuisiner pour quatre personnes ou pour quatre millions : la différence est énorme. Il en va exactement de même pour les chercheurs qui souhaiteraient produire à l'échelle industrielle un médicament en forme de protéine.

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Utiliser les grands moyens

Ce chapitre traite des problèmes auxquels sont confrontés les chercheurs lorsqu'ils veulent fabriquer des produits biopharmaceutiques à l'échelle industrielle dans le but de les commercialiser. Les produits biopharmaceutiques sont des médicaments qui sont produits avec l'aide de la biotechnologie. Il s'agit soit de protéines, soit d'ADN, soit encore d'ARN. La première substance de ce type - une insuline humaine recombinante - a été homologuée en 1982. Aujourd'hui, on fabrique de plus en plus de médicaments par voie biotechnologique.

Si nous voulons mettre des produits biopharmaceutiques à la disposition de milliers et de milliers de patients, il nous en faut des quantités importantes. Si un nouveau produit biopharmaceutique arrive sur le marché, on doit la plupart du temps construire une grande installation avec de gigantesques réservoirs en acier (fermenteurs) spécialement pour sa production. On cultive dans ces fermenteurs les cellules qui produisent le principe actif. La différence entre le laboratoire et la grande installation peut être comparé avec Jamie Oliver, qui cuisine pour 4 personnes ou pour 4'000'000.

Ce chapitre repose sur le savoir tiré du chapitre sur le clonage: nous y avons cloné le gène de l'insuline au moyen de bactéries Escherichia coli (E.coli). Maintenant, nous voudrions produire de l'insuline à grande échelle. Pour cela, nous devons d'abord avoir quelques connaissances sur les protéines : celles-ci ont une structure complexe et sont difficiles à produire. Les protéines sont de taille relativement grande, car elles peuvent être constituées de plusieurs centaines d'acides aminés. Elles sont sensibles et réagissent très vite aux changements extérieurs de température, de concentration de sel ou de pH. Pour fonctionner de manière optimale, elles réclament les mêmes conditions que celles qu'elles trouvent dans leur environnement naturel au sein de l'organisme - autrement dit, par exemple, une température d'environ 36 degrés. Si la température est trop élevée, elles se déplient, c'est-à-dire qu'elles perdent leur structure tridimensionnelle et ne peuvent plus travailler.

Coup d'oeil dans un fermenteur.

Comment les protéines déploient-elles leur action ?

De nombreuses protéines utilisées comme médicaments se fixent à un récepteur de la cellule selon le principe de la clé et de la serrure. Car, de manière générale, les protéines ne peuvent pas traverser la paroi cellulaire pour pénétrer à l'intérieur de la cellule ; elles sont trop grosses pour cela. C'est pourquoi elles doivent déployer leur action sur la cellule à partir de l'extérieur par l'intermédiaire des récepteurs. Les récepteurs sont également des protéines, qui sont situées sur l'enveloppe externe des cellules et qui agissent comme des antennes: Elles captent les signaux de l'extérieur et peuvent déclencher une réponse à l'intérieur de la cellule. Le principe de la clé et de la serrure signifie qu'une protéine ne peut très spécifiquement se lier qu'à un récepteur bien défini. Ce principe est si spécifique qu'un mauvais acide aminé peut inactiver la protéine en tant que principe actif.

Pourquoi ne peut-on pas tout simplement reconstituer les protéines en éprouvette ?

Le plus simple serait pourtant de reconstituer les protéines en éprouvette, tout comme on peut, par exemple, reconstituer des fragments d'ADN. Mais ce n'est pour l'instant pas encore possible. Le problème vient de la structure des protéines : les protéines ne peuvent en effet travailler efficacement que lorsqu'elles adoptent la structure tridimensionnelle qui convient - un processus qui porte le nom de pliage. Dans l'organisme vivant, différentes enzymes veillent à ce que ce processus se déroule correctement en plusieurs étapes. Le pliage des protéines est à ce point complexe que les chercheurs ne sont toujours pas parvenus à imiter la nature et à répéter le pliage en éprouvette. C'est pourquoi les chercheurs doivent continuer à recourir aux animaux de laboratoire, aux micro-organismes ou à des cellules animales ou végétales spécifiques.

La plupart des agents biopharmaceutiques sont aujourd'hui produits dans des cultures de micro-organismes (des bactéries ou des levures, par exemple) ou dans des cellules de mammifères (des cellules de hamster chinois, par exemple). Les protéines dont la structure est simple peuvent être produites dans des bactéries. En revanche, lorsque les protéines sont plus complexes, les bactéries ne disposent plus des accessoires nécessaires pour les synthétiser. De nombreuses protéines humaines ne peuvent donc pas être produites à l'aide de bactéries. Dans ce cas, la seule solution qui reste consiste à recourir aux cellules de mammifères. Celles-ci peuvent par exemple équiper des protéines de résidus glucidiques, ce dont de nombreuses protéines humaines ont besoin pour être actives. Toutefois, la production fondée sur des cellules de mammifères présente un inconvénient : reproduire des cellules de mammifères est une tâche délicate; ces cellules sont en effet plus difficiles à cultiver parce qu'elles réagissent plus rapidement aux influences extérieures (par exemple aux changements de température). Une fois que l'on a pris la décision de recourir à des lignes cellulaires de mammifères ou de bactéries, on peut entamer la production. Celle-ci comporte les étapes suivantes:

Production de l'Herceptin, médicament anticancéreux : fermentation de cellules de hamster chinois dans une cuve de 120 litres.

Culture
Les cellules sont d'abord multipliées dans de petits bioréacteurs (fermenteurs) contenant une solution nutritive. La durée de la multiplication dépend du cycle de croissance des cellules. Les cellules de E. coli se divisent toutes les 20 minutes. En l'espace de 24 heures et dans des conditions idéales, une seule et unique cellule peut donc produire 4,7 x 1021 descendants. Les cellules de mammifères ne se divisent toutefois en moyenne qu'une fois par 24 heures.

Chercheurs contrôlant une cuve de fermentation.

Fermentation
C'est durant cette phase qu'a lieu la véritable production de principe actif. Pendant ce processus, les cellules sont transvasées plusieurs fois dans des fermenteurs de plus grande taille. Plus les fermenteurs sont grands, plus il devient toutefois difficile d'obtenir partout dans la cuve les mêmes conditions (illustration 3.1).

Purification
Une fois terminée la phase de production, il faut séparer la protéine souhaitée du reste du matériel cellulaire et de la solution nutritive. Dans le cas le plus simple, la protéine quitte la cellule. Elle est ensuite séparée du reste par centrifugation ou filtration et purifiée. Lorsque la protéine demeure dans la cellule, la paroi cellulaire est brisée avant que ne commence la purification.

Illustration 3.1 : Bioéacteurs : espace de vie et de travail pour micro-organismes
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