Analyse biopharmaceutique | Réseaux technologiques
Les produits biothérapeutiques, également appelés produits biologiques ou biopharmaceutique, sont provenant de sources biologiques, telles que les plantes, les micro-organismes et les cellules et organismes génétiquement modifiés. Ils comprennent des médicaments de masse moléculaire élevée comprenant des polymères de nucléotides, c’est-à-dire de l’ARN ou de l’ADN, ou des acides aminés (peptides et protéines).
Les produits biothérapeutiques à base d’acides nucléiques, tels que les petits ARN interférents (siARN) et l’ADN, attirent de plus en plus l’attention en raison de leurs effets curatifs potentiels et durables, mais peu de médicaments à base d’acides nucléiques sont actuellement approuvés pour un usage thérapeutique. Peptides et protéines, d’autre part, représentent une classe majeure de produits biothérapeutiques, en raison de leurs fonctions physiologiques polyvalentes.
« Techniques d’analyse, par exemple la chromatographie et la spectrométrie de masse, ainsi que divers outils tels que le clonage, CRISPR/Cas, l’équipement à usage unique, l’apprentissage automatique [and] L’utilisation de capteurs avancés et l’automatisation ont contribué à l’avancement de la recherche biopharmaceutique », a déclaré le Dr Johannes Buyel, chef du département d’ingénierie des bioprocédés à l’IME Fraunhofer et professeur agrégé à l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle. Les travaux de Buyel portent sur l’expression des protéines recombinantes, l’intégration globale des bioprocédés, la modélisation des procédés de fabrication et leur numérisation.
Diverses techniques d’analyse biopharmaceutique sont utilisées pour obtenir des informations vitales sur la composition, la qualité, la stabilité et la sécurité des produits biothérapeutiques complexes tout au long du pipeline de développement. Dans cet article, nous examinons de plus près certaines des stratégies employées par les scientifiques dans le domaine.
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Découverte biothérapeutique
Extraction du génome
L’extraction du génome implique l’identification de gènes associés à de nouvelles voies de biosynthèse chez les micro-organismes. Un goulot d’étranglement courant dans l’identification de telles voies est la redécouverte de composés qui ont déjà été découverts précédemment. L’analyse des groupes de gènes, ainsi que les techniques spectroscopiques, peuvent accélérer l’identification de produits naturels inconnus et également définir la stéréochimie des métabolites.
BiG-SCAPE et CORASON sont des exemples de plates-formes qui aident à l’extraction du génome d’un seul génome à des genres entiers. BiG-SCAPE fournit une analyse de similarité de séquence des groupes de gènes biosynthétiques, tandis que CORASON aide à élucider les relations évolutives entre les groupes de gènes via l’approche phylogénomique. CRISPR-Cas9 est une technique extrêmement importante qui peut activer efficacement des groupes de gènes biosynthétiques dans plusieurs Streptomyces espèce. Cela permet la production de métabolites uniques, par exemple, un nouveau polykétide dans Streptomyces viridochromogenes. Cette technologie conduit à la production de variantes rares et inconnues d’antibiotiques, telles que l’amicétine, la thiolactomycine, la phénanthroviridine et le 5-chloro-3-formylindole.
METLIN est une importante plate-forme d’identification des métabolites qui comprend une base de données MS/MS haute résolution avec une fonction de recherche de similarité de fragments. Il a énormément aidé dans l’identification rapide de composés inconnus. Autre in silico les outils utilisés dans la recherche biopharmaceutique sont l’identification de la structure composée (CSI) : FingerID et la régression du noyau d’entrée-sortie (IOKR). Les scientifiques développent des bases de données avancées basées sur des réseaux moléculaires avec des informations taxonomiques provenant des composés bioactifs afin d’améliorer la fiabilité de l’annotation.
Méthodes basées sur la métabolomique
Les progrès récents des outils analytiques tels que la chromatographie et la spectrométrie, associés à des approches informatiques, ont permis l’application de la métabolomique dans la découverte de médicaments à base de produits naturels.
Métabolomiqueméthodes basées permettent l’analyse simultanée de nombreux métabolites dans des échantillons biologiques, fournissant des informations précises sur la composition des métabolites dans les extraits bruts. Cela permet l’interprétation et l’identification rapides de composés inconnus. Les méthodes basées sur la métabolomique peuvent également détecter les différences entre les compositions de métabolites dans divers états physiologiques des cellules et des organismes, générant des profils de métabolites détaillés pour fournir une caractérisation phénotypique au niveau moléculaire. Ces profils sont importants pour comprendre les mécanismes moléculaires d’action des composés bioactifs.
Outils analytiques utilisés dans le pipeline biopharmaceutique
Un large éventail de techniques analytiques est requis lors du développement et de la fabrication de produits biothérapeutiques. Ces approches sont nécessaires pour l’évaluation continue des produits biothérapeutiques, aidant à identifier et à caractériser les modifications post-traductionnelles (par exemple, la glycosylation), l’hétérogénéité structurelle, la stabilité, la conformation, etc. Grâce à de telles évaluations, les développeurs sont en mesure d’évaluer et d’ajuster les bioprocédés en aval impliqués dans la biofabrication et mettre en œuvre les changements nécessaires pour assurer l’efficacité du processus et la pureté du produit final.
Les composés bioactifs sont analysés à l’aide de diverses méthodes, telles que
Une technologie de pointe pour accélérer le développement de produits biothérapeutiques de nouvelle génération
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Imagerie par spectrométrie de masse en biopharma
Imagerie par spectrométrie de masse (
Theodore Alexandrov, chef d’équipe à l’unité de biologie structurale et computationnelle, Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL), Heidelberg, Allemagne, est impliqué dans le développement d’outils expérimentaux et informatiques qui sont utilisés dans de nouveaux domaines tels que la métabolomique spatiale et unicellulaire. Il a déclaré : « Au cours de la dernière décennie, le MSI est devenu l’outil de choix pour localiser les médicaments et les métabolites de médicaments dans les coupes de tissus. » Selon Alexadrov, cela est dû au fait que le MSI est plus rapide et plus sensible que la méthode originale approuvée par la FDA pour localiser les médicaments – l’autoradiographie du corps entier (WBAR).
« MSI peut détecter les métabolites de médicaments qui peuvent ne pas être détectés par le WBAR, mais qui sont pourtant bioactifs », a noté Alexandrov. Il a en outre expliqué que cet outil analytique permet d’accélérer les étapes précliniques et cliniques du développement biothérapeutique.
Chromatographie liquide en biopharma
La chromatographie liquide (LC) est une technique de séparation basée sur une phase mobile liquide, où les molécules et les ions présents dans les échantillons sont dissous. La phase liquide contenant l’échantillon dissous est passée à travers une colonne remplie de particules absorbantes, appelée phase stationnaire. La séparation est basée sur l’affinité de chaque composant pour la phase mobile – l’affinité a un impact sur la vitesse à laquelle les composants migrent à travers la colonne. La LC est couplée à divers détecteurs tels que la fluorescence, l’ultraviolet-visible (UV-Vis) et les détecteurs à diffusion de lumière pour la caractérisation des produits biothérapeutiques en cours de développement. Il peut être utilisé pour identifier des protéines spécifiques et aide à déterminer leur structure. La chromatographie échangeuse d’ions couplée à un détecteur UV peut être utilisée pour déterminer les interactions protéine-protéine à l’état natif. Pour la séparation et l’analyse qualitative et quantitative des isomères abondamment présents dans les extraits bruts, les scientifiques utilisent des méthodes combinatoires impliquant LC et HRMS.
Au cours de la dernière décennie, la combinaison de la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) et de la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être un outil analytique inestimable pour la découverte de produits biologiques. Ces techniques sont utilisées pour identifier des composés actifs ainsi que pour déterminer la pureté d’une substance médicamenteuse. En outre, la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) a présenté un large éventail d’applications pour déterminer la pureté d’un médicament. Cette technique est couramment utilisée dans la caractérisation des produits biopharmaceutiques protéiques et est appliquée pour l’analyse de cartographie peptidique.
La LC-MS permet d’améliorer la fiabilité de l’analyse et de minimiser l’ambiguïté liée à l’interprétation des données. Récemment, les scientifiques ont réussi à améliorer la qualité des données de telles expériences en standardisant les procédures expérimentales, en optimisant les paramètres des instruments et en améliorant les spectromètres de masse. Dans le cas de la biothérapie protéique, la LC-MS est réalisée et associée à des outils de détection ultraviolets (UV) pour fournir des empreintes UV, qui pourraient être utilisées à des fins de contrôle qualité (CQ) et pour étudier la libération de médicaments.
Stratégies pour améliorer la production de produits biopharmaceutiques
Traditionnellement, la recherche biothérapeutique commence par le criblage biologique d’extraits « bruts » et cela conduit finalement à l’isolement de composés prometteurs avec une bioactivité. Comme ce processus est long et laborieux, diverses stratégies ont maintenant été employées par les chercheurs pour surmonter ces inconvénients. Une approche a été la création de bibliothèques adaptées au criblage à haut débit. Ce processus accélère le processus de recherche d’un médicament spécifique pour une cible biologique (par exemple, une protéine virale, une enzyme, etc.).
L’optimisation des processus de production, c’est-à-dire de la séparation d’un métabolite bioactif de l’extrait brut à la purification, est une tâche complexe. Pour surmonter diverses complexités associées, les scientifiques ont miniaturisé le processus (par exemple, technologie de purification miniaturisée, bioréacteur miniaturisé, etc.) de manière à pouvoir examiner de plus près l’ensemble du processus et apporter les modifications nécessaires pour développer des méthodes de production optimisées.
La technologie automatisée de manipulation des liquides permet une manipulation efficace et précise des échantillons liquides pour les sociétés biopharmaceutiques. Pour accélérer le processus de développement de médicaments, les extraits bruts sont pré-fractionnés en sous-fractions de sorte qu’ils conviennent à la technologie de manipulation automatisée des liquides. Cette technique augmente la possibilité d’obtenir une plus grande quantité de composé bioactif ciblé, tout en minimisant le temps requis.
Défis actuels et futures recherches en analyse biopharmaceutique
En général, le développement de médicaments est un processus extrêmement complexe et coûteux. Selon le Tufts Center for the Study of Drug Development, le développement d’un médicament nécessite près de 12 à 15 ans de recherches approfondies et le coût de production peut dépasser 2 milliards de dollars. L’un des objectifs pour l’avenir est de développer des méthodes permettant de réduire ce délai et les coûts associés.
Cependant, des défis dans l’analyse biopharmaceutique demeurent. Les protéines recombinantes sont développées via des cellules génétiquement modifiées et le maintien des conditions de croissance optimales pour ces cellules est important pour obtenir des produits de haute qualité. De plus, la production à l’échelle industrielle de protéines recombinantes est coûteuse. Un autre défi associé aux produits biopharmaceutiques est la dénaturation et l’agrégation lorsque les biomolécules sont exposées à de multiples contraintes pendant la production, le stockage et le transport. Les composants protéiques dégradés ou agrégés peuvent perdre leur efficacité et peuvent également devenir toxiques. Ces changements dans la structure des protéines pourraient être extrêmement faibles et les outils analytiques disponibles pourraient ne pas être suffisamment sensibles pour les détecter. Par conséquent, il existe un besoin de développement continu d’outils analytiques de haute précision qui garantissent une qualité supérieure et réduisent les coûts de production.
