Biomédicaments : amphipols et anticorps thérapeutiques
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Publié le 05/09/2013
Résumé

Depuis le début des années 2000, la chute tendancielle de l’innovation thérapeutique des différents groupes pharmaceutiques se fait sentir. Les coûts associés à la production de nouveaux médicaments explosent et ne laissent plus de place à l’improvisation. Malgré les périodes de scepticisme qui ont marqué le développement des anticorps thérapeutiques, on se rapproche progressivement des « balles magiques » dont avait rêvé Paul Ehrlich au début du XXème siècle, ces médicaments qui cibleraient spécifiquement les tissus malades sans affecter les tissus sains.

Article rédigé par Nicolas Martin (Doctorant au sein du Pôle de Chimie Biophysique - Ecole Normale Supérieure), édité par Nicolas Lévy (Responsable Editorial CultureSciences-Chimie).


Table des Matières

  1. Contexte et Enjeux
  2. Les anticorps comme agents thérapeutiques : entre espoir et verrou
  3. L'effet chaperon de polymères singuliers : les amphipols
  4. Conclusion
  5. Bibliographie et Ressources en Ligne

 

1. Contexte et Enjeux

Depuis le début des années 2000, la chute tendancielle de l’innovation thérapeutique des différents groupes pharmaceutiques se fait sentir. Les coûts associés à la production de nouveaux médicaments explosent et ne laissent plus de place à l’improvisation. Les nombreuses pertes de brevets sur des médicaments vedettes annoncés pour les années à venir conduisent par ailleurs à la concurrence de plus
en plus forte des génériques, vendus 60% moins cher que leurs analogues de marque [1]. Les nouvelles exigences des autorités réglementaires, notamment en termes d’innocuité, participent également à
l’augmentation exponentielle du coût de développement d’un nouveau médicament. Mais la recherche n’a pas dit son dernier mot : l’essor des « bio-médicaments » semble en particulier donner un second souffle à l’innovation thérapeutique.

Un coup de frein est donné au criblage aléatoire et très onéreux de milliers de composés pour trouver « par hasard » un candidat médicament – qui devra d’ailleurs subir encore toute une batterie de tests cliniques pour s’assurer de son efficacité et de son innocuité avant de se retrouver, peut-être (et pas avant 10 à 15 ans !), chez notre pharmacien. Désormais, on cherche plutôt à adopter une approche plus rationnelle, basée sur de nouvelles techniques (telles que la modélisation moléculaire, la bioinformatique ou encore la génomique), et plus ciblée : cela implique le développement de médicaments impossibles à produire par synthèse chimique classique comme des protéines thérapeutiques (hormones, enzymes...), des vaccins ou encore des anticorps spécifiques – on parle pour les désigner de « bio-médicaments », c’est-à-dire des médicaments issus de sources biologiques.

 

Fig. 1 : Des « balles magiques » de P. Ehrlich aux développements actuels d’anticorps thérapeutiques.Fig. 1 : Des « balles magiques » de P. Ehrlich aux développements actuels d’anticorps thérapeutiques.

 

Dès la fin des années 90, les premiers succès commerciaux des anticorps thérapeutiques, parmi lesquels figurent des traitements anticancéreux et anti-inflammatoires des plus efficaces, marquent l’avènement de l’ère des bio-médicaments. Malgré les périodes de scepticisme qui ont marqué le développement des anticorps thérapeutiques (figure 1), on se rapproche progressivement des « balles
magiques » dont avait rêvé Paul Ehrlich au début du XXème siècle, ces médicaments qui cibleraient spécifiquement les tissus malades sans affecter les tissus sains. En effet, l’un des modes d’action des
anticorps est de se fixer sur des protéines membranaires exprimées spécifiquement (ou surexprimées) à la surface des cellules malades et de déclencher ainsi une cascade de phénomènes conduisant à la mort de ces cellules... et de ces cellules uniquement.

Le développement d’anticorps thérapeutiques de plus en plus diversifiés est cependant aujourd’hui entravé par leur manque de stabilité : ces anticorps ont en effet tendance à former des agrégats lors de leur production ou de leur stockage ce qui les rend, au mieux, inefficaces et, au pire, toxiques pour l’homme.

Un des défis actuels est donc de développer un système général permettant d’éviter l’agrégation des anticorps thérapeutiques (quelle que soit leur structure intrinsèque).

 

2. Les anticorps comme agents thérapeutiques : entre espoir et verrou

De manière schématique, les anticorps sont des protéines en forme de Y possédant à leurs deux extrémités une séquence spécifique d’acides aminés qui leur permet d’interagir sélectivement avec une cible donnée (figure 2).

 

Fig. 2 : Structure tridimensionnelle d’un anticorps vue par Julian Voss-Andreae (a), projection de la structure 3D en 2D (b) et représentation schématique (c).Fig. 2 : Structure tridimensionnelle d’un anticorps vue par Julian Voss-Andreae (a), projection de la structure 3D en 2D (b) et représentation schématique (c).

 

En se fixant à des récepteurs qui ne seraient exprimés qu’à la surface de cellules malades, certains de ces anticorps attirent des agents de notre système immunitaire qui, in fine, vont se charger de l’élimination de ces cellules sans que les cellules saines ne soient affectées (figure 3).

 

 

Fig. 3 : Mode d’action d’un anticorps thérapeutiqueFig. 3 : Mode d’action d’un anticorps thérapeutique

 

Les possibilités de sélection et de production d’anticorps diversifiés offertes par les biotechnologies et l’ingénierie génétique ouvrent de nos jours la voie à des traitements efficaces et moins lourds, adaptés à chaque patient et à chaque pathologie. Dans la situation idéale, finie par exemple la chimiothérapie aux effets secondaires dramatiques : l’utilisation d’un anticorps thérapeutique qui ciblerait uniquement les cellules cancéreuses permettrait de ne pas affecter les cellules saines, réduisant les effets indésirables. Il faut donc pouvoir développer des anticorps dirigés uniquement contre une seule cible spécifique : on parle d’anticorps monoclonal, par opposition aux anticorps polyclonaux qui sont un mélange d’anticorps, chacun reconnaissant une cible différente (figure 4).


 

Fig. 4 : Anticorps monoclonaux - Anticorps polyclonauxFig. 4 : Anticorps monoclonaux -  Anticorps polyclonaux

 

Les anticorps monoclonaux, que ce soit en monothérapie ou associés à une chimiothérapie, sont aujourd’hui utilisés en routine dans le traitement de nombreuses pathologies : 27 anticorps monoclonaux sont ainsi commercialisés en France au 30 septembre 2011 et 300 sont en cours de développement [2] ! L’espoir est permis !

Mais en réalité, seule une fraction de ces anticorps en développement sera pourtant commercialisée. La mise au point de nouveaux anticorps plus spécifiques ou plus efficaces se heurte en effet à des problèmes de stabilité de ces objets.

Il faut bien comprendre que le développement d’anticorps thérapeutiques est sensiblement différent de celui des médicaments conventionnels. A l’instar des autres protéines, et contrairement aux objets chimiques, l’activité des anticorps mais aussi leur stabilité face à l’agrégation sont étroitement corrélées à leur conformation tridimensionnelle. Des modifications mineures de la structure d’un anticorps vont donc avoir un impact majeur à la fois sur son activité et sur sa stabilité.

Or, il s’avère qu’au cours de la production et/ou du stockage d’un anticorps, un stress modéré (chauffage ou agitation de l’échantillon par exemple) peut conduire à la perte de la structure tridimensionnelle locale de certaines zones de l’anticorps (ces zones se déplient). Cela peut conduire soit à la perte d’activité de l’anticorps (par exemple si la complémentarité de forme entre les extrémités de l’anticorps et sa cible n’existe plus) ou, plus grave, à l’exposition à la surface de l’anticorps d’acides aminés hydrophobes qui étaient initialement enfouis au cœur de la protéine : on forme des « patchs hydrophobes » (figure 5a). Pour limiter leur contact avec l’eau, ces patchs ont tendance à se coller entre eux, ce qui conduit à l’agrégation souvent irréversible de l’anticorps (figure 5b).

 

Fig. 5 : Instabilité des anticorpsFig. 5 : Instabilité des anticorps

 

Cela constitue l’un des verrous actuels du développement d’anticorps thérapeutiques diversifiés, et ce malgré tout un travail d’ingénierie sur les séquences des anticorps (le principal outil d’optimisation
permettant de mettre au point des protéines les plus stables possibles vis-à-vis de l’agrégation) : les agrégats formés sont en effet toxiques pour l’homme (ils vont déclencher une réponse immunitaire donc
des réactions secondaires non souhaitées).
 

 

3. L’effet chaperon de polymères singuliers : les amphipols

Comment donc empêcher que ces patchs hydrophobes collants se rencontrent ? Les formulateurs en pharmacie utilisent déjà des additifs (par exemple des tensio-actifs) pour limiter l’agrégation des anticorps thérapeutiques au cours de leur stockage. Mais ces additifs sont souvent ajoutés à des concentrations très élevées, parfois incompatibles avec l’injection directe chez un patient.

La solution est donc peut-être à chercher du côté de certains polymères amphiphiles, les « amphipols ». Ces derniers sont des macromolécules constituées d’un squelette hydrophile, chargé négativement, porteurs de groupements hydrophobes. C’est le cas de l’A8-35 (figure 6), un code un peu obscur pour désigner l’amphipol le plus caractérisé et utilisé. Cet amphipol a vu le jour il y a une quinzaine d’année et a été mis au point à l’origine pour interagir avec des protéines membranaires, qui, plus encore que les anticorps, ont une forte tendance à agréger.


 

Fig. 6 : Structure chimique de l’amphipol A8-35 (a) et représentation schématique (b)Fig. 6 : Structure chimique de l’amphipol A8-35 (a) et représentation schématique (b)

 

En quoi cet objet constitue-t-il un moyen d’empêcher l’agrégation des anticorps ? L’idée est simple : supposons que des patchs hydrophobes se créent à la surface d’un anticorps suite à un stress quelconque (figure 7, étape 1). Si un amphipol est présent à proximité, on s’attend à ce que les groupements hydrophobes du polymère viennent s’ancrer sur les patchs hydrophobes de l’anticorps. Ce dernier se retrouve alors entouré par l’amphipol (figure 7, étape 2) qui assure une sorte de bulle protectrice en empêchant un autre anticorps d’approcher (répulsions stérique et électrostatique – figure 7, étape 3). Pour peu que les interactions entre les groupements hydrophobes de l’amphipol et les patchs hydrophobes de l’anticorps ne soient pas trop fortes (auquel cas le polymère ne se décrocherait plus de l’anticorps), on s’attend à ce que ces patchs se replient à nouveau vers leur forme initiale, induisant de concert le décrochage du polymère et le retour à une structure tridimensionnelle de l’anticorps stable et active (figure 7, étape 4).

L’avantage d’utiliser une macromolécule par rapport aux additifs moléculaires classiques est qu’il suffirait en théorie ici d’ajouter un seul amphipol par anticorps (donc travailler avec des concentrations en additif relativement faibles) pour obtenir un effet stabilisant.


 

Fig. 7 : Effet chaperon des amphipolsFig. 7 : Effet chaperon des amphipols

  1. Suite à un stress, des patchs hydrophobes se créent à la surface d’un anticorps
  2. Un amphipol présent à proximité s’ancre à l’anticorps via ses groupements hydrophobes
  3. L’anticorps se retrouve dans une bulle protectrice l’empêchant d’agréger avec un autre anticorps
  4. Dans cette bulle, les patchs hydrophobes peuvent se replier correctement pour redonner un anticorps stable et actif, ce qui conduit au décrochage de l’amphipol

On parle d’« effet chaperon » pour désigner le comportement de cet amphipol, de la même façon qu’il existe des « protéines chaperonnes » naturelles dont le rôle est justement d’aider d’autres protéines
soumises à un stress (comme un choc thermique) à se replier correctement.

L’amphipol A8-35 a déjà été utilisé avec succès pour la stabilisation de plusieurs protéines membranaires, ce qui a permis leur étude structurale et fonctionnelle. Nous avons récemment pu montrer que l’amphipol A8-35 accroche effectivement à un anticorps dès lors qu’on le chauffe (l’élévation de température favorise en effet le dépliement de certaines zones sensibles de l’anticorps donc la création de
patchs hydrophobes à sa surface). Cela a pour conséquence de limiter l’agrégation de l’anticorps [3], comme attendu.

La plateforme technologique BioChaperone© développée par l’entreprise de biotechnologies française ADOCIA s’inscrit dans la même optique de stabilisation d’anticorps monoclonaux par des polymères amphiphiles biocompatibles. En octobre 2012, ADOCIA annonce d’ailleurs le dépôt de trois demandes de brevets couvrant de nouvelles formulations d’anticorps monoclonaux qui réduisent leur agrégation [4].
 

 

4. Conclusion

En conclusion, les amphipols s’avèrent être des outils intéressants pour limiter l’agrégation des anticorps, mais l’origine de cette stabilisation n’est pas encore totalement élucidée. Des recherches sont
actuellement en cours à la fois pour rationaliser les interactions qui participent à cette stabilisation et pour généraliser ce système à d’autres anticorps thérapeutiques. Grâce à ces données, de nouveaux polymères amphiphiles pourront être conçus dans le but d’optimiser la stabilité des anticorps thérapeutiques, quelle que soit leur structure intrinsèque, et permettre à ces objets de devenir les bio-médicaments du futur.

 

5. Bibliographie et Ressources en Ligne

[1] Médicaments : plusieurs blockbusters célèbres perdent la protection de leur brevet. Collen, V. Article paru dans Les Echos, août 2012.

[2] Biomédicaments en France : état des lieux 2011. Steffen, L. Rapport du LEEM (Les Entreprises du Medicament), avril 2012.

[3] The Thermally Induced Aggregation of Immunoglobulin G in Solution is Prevented by Amphipols. Dewang, M ; Martin, N. et al. Communication scientifique parue dans la revue Chemistry Letters, octobre 2012.

[4] Site de l’entreprise : www.adocia.com

 
 
 
 
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