Bioprocess et qualité : la production de molécules biologiques

La bioproduction prépare le futur des biotechnologies

Le développement de médicament connaît une transformation radicale depuis le début des années 2000, avec la croissance du marché des biothérapies qui remplace les médicaments pharmaceutiques traditionnels. Il est estimé que les « biologics » constitueront 70% des médicaments approuvés en 2025.

La bioproduction désigne la production de ces molécules biologiques, que sont les protéines, anticorps, membranes ou autres glycolipides. La très grande complexité de composition et de structure de ces macromolécules nécessite une fabrication dans des systèmes vivants ; l’approche chimique de synthèse ayant généralement atteint ses limites.

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Développement d’anticorps : les challenges

La production d’anticorps s’est très largement développée autour de la création d’outils au service de la recherche en biologie et le diagnostic clinique. Dans les méthodes qui utilisent des anticorps, on retrouve l’ELISA, la cytométrie en flux, l’immunohistochimie, l’immunoprécipitation et le Western Blot.
Le développement d’anticorps dans ce cadre se fait typiquement par une injection d’antigène dans un petit animal (étape d’immunisation) ou par des méthodes de phage display. Les challenges associés au développement de ce type d’anticorps sont typiquement la spécificité, la quantité initiale produite et les productions futures.

Un domaine de développement d’anticorps en forte croissance est celui des anticorps monoclonaux thérapeutiques, c’est-à-dire utilisés dans le traitement de maladies. En 2017, 61 mAbs et 11 Fc-Fusions étaient utilisés en clinique. Ces nouveaux médicaments sont la promesse de traitement de multiples classes de maladies, en particulier pour le cancer et les inflammations chroniques. Cette catégorie d’anticorps fait face à de multiples challenges propres aux développements de biomolécules et de médicaments.

Toxicité

Les anticorps initialement produit chez un animal doivent être humanisés, afin de réduire les réactions immunitaires propres à la présence de domaines constants exogènes, ce qui donne lieu à des anticorps chimériques recombinant. La technique d’humanisation de référence est la greffe de CDR (CDR-grafting). Réduisant considérablement la toxicité du mAbs therapeutique, une réponse humanitaire est toujours observée pour environ 9% des patients.

Efficacité

Bien que les anticorps thérapeutiques fassent preuve de succès face à des maladies aux traitements plus lourds ou inexistants, ils sont sujets à des mécanismes de résistances internes. Cela se traduit par une perte de d’attachement à la surface des cellules cibles, processus appelé « modulation ». Pour y palier, l’ingénierie du domaine constant Fc est mise en place, ce qui se traduit par des mutations ciblées.

Spécificité

Propre aux limites de détection d’un antigène, les sociétés de biotechnologies ont développé des anticorps bispécifiques, c’est-à-dire, qui reconnaissent plusieurs cibles. L’avantage de ces anticorps bispécifiques ou fragment d’anticorps bispécifiques est, selon la stratégie, d’augmenter la sélectivité pour un cellule cible donnée, ou de recruter à la fois les cellules cibles et les cellules effectrices.

Capacité et coûts de production

La production de mAbs se fait par l’expression via les hybridomes immortalisés. Cependant, les faibles rendements de production de ces lignées et les modifications génétiques qui peuvent s’y introduire ont conduit au développement de nouveaux modèles de productions. Dans ces méthodes se retrouvent l’utilisation d’ascites de souris (avec des limitations réglementaires d’applications), et l’expression recombinante par des lignées à haute efficacité de production, typiquement les lignées CHO (Chinese Hamster Ovary). Cette méthode nécessite le séquençage des hybridomes et le clonage préliminaire des séquences dans un vecteur d’expression.

Types de prestataires

La bioproduction, puisqu’elle concerne un vaste champ de compétences, peut faire appel à des typologies de prestataires différents :

Les structures académiques

Les plateformes académiques sont très régulièrement sollicitées par les laboratoires de recherche pour la production en petit et moyen volume de protéines et enzymes recombinantes.

Les sociétés de services

De nombreuses sociétés de services produisent des anticorps à visées de recherche ou de diagnostic clinique. Elles ont les capacités de produire des lots de petites et moyennes échelles.

Des sociétés spécialisées proposent des services d’ingénierie des anticorps, notamment dans le cadre de développent d’anticorps thérapeutiques, ou des productions de biomolécules plus atypiques, tels que les lipopolysaccharides ou des exosomes.

Les sociétés de développement et de production (CDMO)

Pour la production à large échelle requise lorsqu’une molécule rentre en phase clinique, seuls quelques structures peuvent suivre le projet. Ces sociétés, appelées des Contract Development and Manufacturing Organizations (CDMO) peuvent elles-mêmes être spécialisées dans certaines productions de molécules ou solutions biotechnologiques.

L’histoire de la bioproduction

La production de molécules biologiques a connu trois révolutions majeures en termes de produits et de techniques de production. Au début du 20ème siècle, la production était limitée à des métabolites primaires tels que le butanol, l’acétone, l’éthanol ou encore l’acide citrique, produits par de la fermentation bactérienne (production d’acétone par la fermentation ABE ou process de Weizmann).

La deuxième révolution arrive avec la seconde guerre mondiale et la découverte des antibiotiques. En utilisant des souches mutantes et la fermentation liquide submergée aérobic, l’industrie est désormais capable de produire des métabolites secondaires (pénicilline, streptomycine…).

La troisième révolution a été permise grâce à l’apparition de la technique de l’ADN recombinant et de l’optimisation des paramètres de culture cellulaire. Les systèmes biologiques peuvent produire des biomolécules complexes dont les protéines, molécules non synthétisables par la synthèse chimique.

Alors que jusqu'à la moitié du 20ème siècle la bioproduction reposait sur l’utilisation opportuniste de systèmes biologiques produisant des molécules d’intérêt, la troisième révolution a permis de faire exprimer des molécules à un organisme qui n’en n’est naturellement pas capable. Aujourd’hui, la bioproduction repose sur une expression basée sur la construction et le design du système biologique (révolution de la biologie synthétique à venir… !).

Les technologies utilisées

Culture cellulaire : Microorganismes et cellules eucaryotes

Chromatographie préparative

Clonage, séquençage, expression recombinante

Modélisation in silico

ELISA, Western Blot, SPR

Animalerie

Tarifs estimés pour ce type de prestation

Il faut compter quelques centaines d’euros pour produire un anticorps polyclonal (i.e. produit pour un lapin).

La production d’un lot d’anticorps monoclonal pour la recherche peut couter entre 3 500 € et 7 000 €

La production d’un anticorps thérapeutique varie considérablement selon le nombre d’étapes requise, commençant aux alentours de 12 000 €, et pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers d’euros.

Les productions GMP (good manufacturing practice) peuvent s’avérer très onéreuses également, selon la complexité de la molécule à produire et la quantité.

Les tarifs de production de protéines recombinantes varient en fonction de l’organisme hôte, et commence à 1 500 € environ pour une production chez la bactérie.

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