Cours 5 & 6 Médicaments issus des biotechnologies

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

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• 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

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• 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

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• 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).

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• 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

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• 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

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• 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)
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• 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
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• 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
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Carbon Copy
the First Cloned Pet Science (2002) 295:1443

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• 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).
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• 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

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• 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

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• 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

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• 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 ?
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• 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

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• 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

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• 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)

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Charles Best(à gauche) et Frederick Banting (la
droite) (Thomas Fisher Rare Book Library, U of T).

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• 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

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• 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

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• 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

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• 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

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• 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

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• 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

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• 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

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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

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