Méthodes de chimie analytique pour la biotechnologie

Les méthodes de chimie analytique et leurs applications

Les méthodes de chimie analytique désignent les techniques utilisées pour la détection, l’identification, la caractérisation ainsi que la quantification de composées chimiques. Ces méthodes sont couramment utilisées en biologie pour la recherche, le développement et le contrôle qualité de produits pharmaceutiques.

Les méthodes utilisées permettent des analyses quantitatives ou qualitatives, plus ou moins invasives et destructives des échantillons, et typiquement requiert une instrumentation sophistiquée.

Les propriétés analysées sont la masse, la composition chimique, la structure moléculaire, la radioactivité, les interactions entre molécules, etc.. Les applications varient de l’identification de molécules en présence dans un échantillon à la validation de méthode de production.

Ci-dessus est décrit un ensemble de techniques utilisées couramment en biotechnologies lors de projets de recherche et développement.

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Spectrométrie de masse

La spectrométrie concerne l'instrumentation et les mesures pour des études spectrométriques. Une technique importante de spectrométrie est la spectrométrie de masse qui permet de détecter et d’identifier des molécules selon leurs masse, particulièrement utilisée en protéomique.

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Analyse isotopique et RMN

L’analyse isotopique est basée sur la mesure de la masse des molécules et permet l’obtention d’un spectre pouvant entrainer l’identification des molécules présentes dans un échantillon. La RMN est la technique la plus utilisée qui permet l’étude de la structure de molécules, l'interaction de différentes molécules ainsi que la cinétique et la dynamique de ces interactions.

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Spectroscopie FTIR et rayons X

La spectroscopie désigne l’étude des rayonnements électromagnétiques absorbés, émis ou diffusés par la matière. Parmi les techniques spectroscopiques, on retrouve la spectroscopie de Fourier qui permet, entre autres, l’analyse de la structure secondaire des protéines ou la mesure de stabilité de la structure secondaire d’une molécule.

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Chromatographie HPLC

La chromatographie est une méthode qui permet de séparer les composants d’un mélange selon différentes caractéristiques comme la taille du composé ou son affinité pour un ligand. Elle peut être plus ou moins résolutive.

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Méthodes séparatives

Les méthodes séparatives permettent la séparation de composés de diverses natures présentes dans un échantillon selon par exemple leur masse, leur charge ou leur densité. Parmi celles-ci, on retrouve l’électrophorèse et la centrifugation.

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Absorption et émission atomique

L’analyse de l’absorption et de l’émission atomique peut être réalisée par un dosage d’impuretés et de métaux lourds qui peut être effectué par spectrométrie de masse ou absorption atomique.

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Calorimétrie

Les études calorimétriques se basent sur des mesures thermodynamiques qui analysent les variations de températures lors de transformations de composés. La calorimétrie différentielle à balayage, par exemple, permet d’étudier la réaction des polymères lorsqu'ils sont chauffés.

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Dynamique des surfaces SPR

La technique de résonance plasmique de surface (SPR) est une technique très puissante qui permet la caractérisation d'interactions entre deux molécules. Les molécules étudiées peuvent être des « petites molécules », et également des peptides, des anticorps ou des lipides.

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Biocapteur

Un biocapteur est un instrument analytique utilisé pour la détection d'analytes qui combine un composant biologique, comme un anticorps ou un acide nucléique, et un détecteur physicochimique.

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Analyses environnementales

L'analyse d'échantillons environnementaux permet la détection de nombreux composés comme les pesticides, les composés organiques volatils, ou les hydrocarbones aromatiques. Il est aussi possible d’étudier l’efficacité de ces composés via différents tests.

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Analyse physico-chimique

Les mesures physico-chimiques permettent la caractérisation d’un échantillon. Selon les molécules d’intérêts, différentes méthodes peuvent être mises en place.

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De la chimie analytique classique

Les méthodes analytiques ont été très importantes depuis les débuts de la chimie, mise en place pour déterminer quels éléments étaient présent dans un échantillon. Cette période a donné lieu au développement de l’analyse élémentaire systématique, notamment par l’utilisation de techniques de spectrométrie rudimentaires qui n’ont eu de cesse de s’améliorer au cours du 20ème siècle.

Les sciences séparatives ont également émergé très rapidement dès les début de la chimie moderne, jusqu’à connaitre un essor considérable avec l’arrivée d’instruments complexes.

Aujourd’hui, certaines méthodes classiques sont encore utilisées dans les laboratoires. C’est le cas d’analyses qualitatives notamment : les tests chimiques, comme le test Kastle-Meyer pour la détection de sang ; et les tests de flamme, pour détecter la présence de certains ions métalliques ou autres éléments.

Aux technologies de pointes

Les méthodes analytiques ont connu des améliorations considérables grâce au développement d’instruments technologiques.

 

Les progrès en spectrométrie de masse

La spectrométrie de masse (MS) appliquée à la protéomique a littéralement explosée depuis les années 2000. Les méthodes de bases en MS sont le « matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight MS (MALDI-ToF MS) et la chromatographie et ionisation par electrospray couplée à la MS (LC-ESI-MS).

Les paramètres ayant le plus maturés sont la sensibilité, la résolution, et la vitesse de lecture des échantillons. Aujourd’hui, une approche en haut débit est rendue possible, rendant l’analyse d’échantillons complexes plus abordable.

La spectrométrie de masse hybride à triple quadrupoles (TQ) MS a permis de faire des progrès considérable dans la MS quantitative, qui cependant à des limites techniques.

L’application de la MS à l’étude de complexes tels que les complexes anticorps/antigène est rendue possible par une méthode appelée hybride LBA/LC-MS ou immunoassay spectrométrique. Cependant cette méthode est vouée à évoluer, la variabilité d’analyse étant trop élevée pour être utilisée en validation de lot de production.

 

Les Couplage de technologies

Si l’un des couplages de technologies le plus performant, la chromatographie couplée à la spectrométrie de masse, tel que décrit ci-dessus, d’autres couplages décuplent les capacités des technologies.

C’est le cas notamment de l’électrophorèse capillaire, qui lorsqu’elle est préparative, peut être couplée à une analyse MALDI-ToF pour l’identification des espèces séparées. L’électrophorèse capillaire est une méthode quantitative robuste, qui permet un pattern de séparation de composés propre, mais qui doit être calibrée par l’utilisation de standard. En couplant à la spectrométrie de masse, l’EC décuple les options possibles, notamment dans la caractérisation de clusters obtenus lors de bioproduction.

 

L’essor de la métabolomique

La métabolomique est l'étude à grande échelle des petites molécules, communément appelées métabolites, au sein des cellules, des biofluides, des tissus ou des organismes. Collectivement, ces petites molécules et leurs interactions au sein d'un système biologique sont connues sous le nom de métabolome.

Les métabolites sont des produits du métabolisme des cellules et des organismes, qui peuvent être influencés par des facteurs génétiques et environnementaux.

La spectrométrie de masse (MS) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont devenues les techniques les plus courantes dans les études de métabolomique, et chacune d'entre elles présente ses propres avantages et limites. La spectroscopie RMN est quantitative et ne nécessite pas d'étapes supplémentaires pour la préparation des échantillons, comme la séparation ou la dérivatisation. La spectroscopie RMN a des limites en termes de sensibilité. La métabolomique basée sur la MS constitue une excellente approche qui peut offrir une plateforme combinée de sensibilité et de sélectivité pour la recherche en métabolomique.

 

Les méthodes analytiques : développement ou routine ?

La chimie analytique au service de la recherche en biologie.

 

Les analyses de routines

De nombreux protocoles d’analyse existent, les réactifs et instruments requis bien définis et répertoriés. Ces méthodes standards peuvent être certifiées pour certains usages par des organismes tels que AOAC International ou ISO.

 

Les analyses nécessitant un développement

Les protocoles n’ayant jamais été appliqués dans des cas particuliers, par exemple l’analyse de nouveaux biomarqueurs ou la modification de conditions standards, peut nécessiter un développement de méthode. Lors d’applications dans le cadre du développement d’un médicament, une méthode doit être robuste, reproductible afin de donner une réponse claire et sans équivoque. Pour être en ligne avec les requis de Good Manufacturing Practice (GMP), la méthode doit être validée selon un processus documenté.

Types de prestataires

Les structures académiques

Les plateformes académiques sont sollicitées pour l’étude analytique de molécules nécessitant le développement ou l’adaptation d’une méthode. Certains instruments analytiques étant très onéreux, seules les structures académiques sont en mesure de les financer. Le service est rendu par une plateforme technologique disponible auprès de structures externes comme les instituts de recherche et les sociétés.

 

Les sociétés de services technologiques

Les sociétés de service en chimie analytique proposent des services adaptés aux demandes de clients privés ou publiques. Elles peuvent être très spécialisées (sur une technologie ou un type d’application), ou généralistes, proposant par exemple un panel de méthodes validées et certifiées.

 

Les structures de validation de méthodes

Le développement de médicaments nécessite la validation de méthode de production – qui peut utiliser les outils de chimie analytique à ces fins. Certaines structures proposent de valider des méthodes utilisées lors de la production de lots pré-cliniques et cliniques de médicaments.

Tarifs estimés pour ce type de prestation

Les analyses simples (HPLC, électrophorèse capillaire, MALDI-ToF) ne nécessitant pas de développement poussé coûtent entre quelques dizaines à quelques centaines d’euros par échantillons.

Le développement d’une méthode (non-GMP) varie selon la technologie, le temps passé et le nombre d’échantillons à passer lors du développement. Cela nécessite quelques milliers à quelques dizaines de milliers d’euros par méthode. La validation d’une méthode dans un environnement GMP nécessitera plus de temps et de documentation, et sera dans le même ordre de grandeur.

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