Bioproduction de molécules : des protéines recombinantes aux anticorps polyclonaux

La bioproduction au service des biotechnologies

La bioproduction désigne la production de molécules biologiques que sont les protéines, anticorps, membranes ou autres glycolipides. L’intérêt de produire des anticorps polyclonaux, des protéines recombinantes ou toute autre macromolécule vient de leur grande complexité de composition et de structure, nécessitant une fabrication dans des systèmes vivants ; mais aussi de la possibilité de produire des protéines modifiées sans ressources naturelles limitées.

Quels sont les avantages à passer par un prestataire pour une production d'anticorps, de protéines recombinantes ou autres biomolécules ?

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Production et optimisation d’anticorps

La production d’anticorps se fait en plusieurs étapes. Une première étape initiale de production, c’est-à-dire la synthèse d’anticorps monoclonaux ou polyclonaux, en culture cellulaire ou chez l’animal, suivi d’une ou plusieurs étapes d’optimisation de production, de maturation d’affinité, de couplage et d’humanisation, en fonction de l’utilisation finale de l’anticorps.

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Downstream processing (DSP) et purification d'actifs

Le downstream processing (DSP) fait référence à la récupération et à la purification des produits biosynthétiques provenant de sources telles que des tissus animaux ou végétaux ou de l’expression recombinante de molécules par des systèmes biologiques. Le DSP comprend également le recyclage des composants récupérables et le traitement approprié des produits secondaires.

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Production de protéines recombinantes

La production de protéines recombinantes peut se faire par différentes méthodes : la production de protéines recombinantes dans différents organismes (bactéries, cellules eucaryotes, système d’expression ex vitro), ou la production synthétique (peptides courts). Les applications de la production de protéines vont de la synthèse d’enzymes à la production de novo de ligands spécifiques.

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Contrôle qualité de la bioproduction

Tout processus de production biologique est soumis à des standards de qualité élevés. Cela implique que les produits finis soient purifiés et utilisables en tant que médicaments. Un indicateur important est l’absence de protéines de la cellule hôte (HCP) aux différentes étapes de la production, ce qui peut être mesuré par des tests ELISA.

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Upstream processing (USP) : production et scale-up

Le upstream processing désigne les éléments impliqués dans la première étape de production de biomolécules. Ainsi, différentes techniques telles que la biocatalyse ou la fermentation sont souvent impliquées. Des méthodologies spécifiques à la production d’exosomes ou de lipopolysaccharides, par exemple, nécessitent un savoir-faire particulier.

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Comment fonctionne le Next-generation sequencing (NGS) ?

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 à la production 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.

Comment la méthode Sanger, technique de séquençage développée dans les années 70 par le biochimiste britannique Frederick Sanger, a-t-elle évolué pour permettre ces avancées ?

Toxicité

Les anticorps initialement produits 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 recombinants. La technique d’humanisation de référence est la greffe de CDR (CDR-grafting). Réduisant considérablement la toxicité du mAbs thérapeutique, 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 d’attachement à la surface des cellules cibles, processus appelé « modulation ». Pour y pallier, 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 fragments 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 d’anticorps et particulièrement de mAbs se fait par expression via des 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 recombinantes et d’enzymes.

Les sociétés de services

De nombreuses sociétés de services produisent des anticorps à visée 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, seules 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.

Les technologies utilisées

Culture cellulaire : Micro-organismes 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 monoclonaux pour la recherche peut coûter entre 3 500 € et 7 000 €

La production d’un anticorps thérapeutique varie considérablement selon le nombre d’étapes requises, 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.