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Viscosité des protéines thérapeutiques

Protéines

Les protéines sont des macromolécules biologiques composées d'acides aminés. Lorsque de nombreux acides aminés simples sont liés ensemble, un polypeptide est formé. Une ou plusieurs chaînes de polypeptides enroulées en une forme 3D forment une protéine. Il y a 20 acides aminés différents qui sont combinés pour construire une variété de protéines. La séquence (ordre) des acides aminés détermine la structure 3D et la fonction finale de la protéine (Figure 1).[1]

Figure 1. L'acide aminé alanine, le peptide (chaîne de divers acides aminés) glutathion et la protéine (structure 3D de divers peptides) albumine sérique humaine (http://www.rcsb.org/structure/1AO6, Sugio, S. et al., 1998)

Génie des procédés

L'ingénierie des protéines se concentre sur la conception de nouvelles protéines ou enzymes avec de nouvelles fonctions ou des fonctions souhaitées. Les objectifs généraux de l'ingénierie des protéines sont la modification de la stabilité des enzymes, de l'activité, de la spécificité des substrats et de l'énantiosélectivité. La manipulation contrôlée des protéines permet une meilleure compréhension de la fonctionnalité et permet d'autres améliorations des propriétés des protéines. [2] Les trois principales stratégies de modification des protéines sont : l'évolution dirigée, la conception rationnelle et une combinaison des deux, la conception semi-rationnelle. La méthode d'évolution dirigée utilise un environnement contrôlé pour induire des mutations et une sélection, tandis que la conception rationnelle manipule directement les acides aminés.[3] Une large gamme d'applications peut être couverte avec des protéines ou des enzymes modifiées, y compris la biocatalyse pour l'alimentation ainsi que des applications environnementales, médicales et en nanobiotechnologie. [4] Quelques exemples d'enzymes modifiées pour une utilisation dans les industries alimentaire, détergente et papetière sont les protéases et les amylases. D'autres enzymes comme les peroxydases et les oxygénases sont utilisées dans le secteur environnemental.[5] En raison du rôle central des protéines dans les fonctions biologiques, l'ingénierie des protéines est une technologie cruciale pour de nouvelles thérapies biologiques. En conséquence, les protéines thérapeutiques montrent un grand potentiel pour le traitement ciblé de maladies telles que le cancer, la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et le VIH.[6] Avantages de l'ingénierie des protéines/enzymes par rapport aux réactions chimiques traditionnelles :

  • Efficacité (dans l'amélioration du taux des réactions chimiques)
  • Spécificité du substrat (capacité à discriminer entre les substrats potentiels)
  • Respect envers l'environnement (pas de solvant organique ni de déchets toxiques de métaux lourds)
  • Utilisation peu dispendieuse et facile (de nombreuses enzymes sont disponibles dans le commerce)
  • Possibilité de combinaison d'enzymes (peut être utilisé ensemble en séquence ou de manière coopérative pour catalyser des réactions en plusieurs étapes)
  • Réactions régiospécifiques et stéréospécifiques (produisent des produits chiraux purs)
  • Adaptabilité à de nombreuses applications différentes (médecine, industrie chimique, transformation des aliments, agriculture)

 

Définition de la protéine thérapeutique

L'utilisation des protéines comme thérapeutiques a suscité de plus en plus d'intérêt depuis l'invention de la première thérapeutique protéique, l'insuline humaine, pour le traitement du diabète.[7] Le succès des thérapeutiques protéiques dans le traitement de diverses maladies repose sur leurs nombreux avantages par rapport aux médicaments à petites molécules.

  • Les protéines présentent généralement des fonctions très spécifiques et complexes qui ne peuvent pas être imitées par des médicaments à petites molécules dans le corps.
  • Les protéines peuvent être conçues pour montrer une forte affinité pour leur cible et ne pas interférer avec d'autres processus biologiques dans le corps.
  • De nombreuses protéines utilisées comme thérapeutiques sont produites naturellement par le corps. Par conséquent, ils sont souvent bien tolérés et ne provoquent pas de réponses immunitaires.
  • Les délais cliniques et d'approbation sont beaucoup plus courts que pour les médicaments à petites molécules.

De plus, le développement continu de nouvelles techniques en ingénierie des protéines permet la formulation de nouvelles thérapies spécifiquement conçues pour cibler certaines maladies.[8] En dehors des nombreux avantages des thérapies protéiques, il existe encore quelques problèmes majeurs. Ces complications incluent une dégradation rapide et une excrétion par les patients, ce qui nécessite une administration répétée. Cela augmente à son tour les chances d'une réponse immunologique et augmente les coûts de thérapie. La principale stratégie pour surmonter ces limitations est la PEGylation, où la protéine est liée au polyéthylène glycol pour améliorer les propriétés et réduire l'immunogénicité et la clivage protéolytique.[5] 

Types de protéines thérapeutiques

Selon leurs fonctions et applications thérapeutiques, les thérapies protéiques peuvent être classées en quatre groupes. Les protéines ayant une activité enzymatique ou régulatrice, les protéines cibles spéciales et les vaccins sont en outre divisés en catégories individuelles. Les groupes 1 et 2 ont l'avantage d'être approuvés par la FDA (U.S. Food and Drug Administration), tandis que les groupes 3 et 4 sont étudiés par des expériences in vivo/in vitro.[9] En plus de la classification selon leurs activités pharmacologiques, il est également possible de regrouper selon les types de molécules (médicaments basés sur des anticorps, protéines de fusion Fc, anticoagulants, facteurs sanguins, protéines morphogénétiques osseuses, échafaudages protéiques conçus, enzymes, facteurs de croissance, hormones, interférons, interleukines et thrombolytiques) et les mécanismes moléculaires (liaison non covalente à la cible, par ex. mAbs ; affectant les liaisons covalentes, par ex., enzymes ; et exerçant une activité sans interactions spécifiques, par ex., l'albumine sérique).[10] Groupe 1: Thérapeutiques protéiques avec activité enzymatique ou régulatrice

  • 1a : Remplacement d'une protéine qui est déficiente ou anormale.
  • 1b : Augmenter un chemin existant.
  • 1c : Fournir une nouvelle fonction ou activité.

Groupe 2: Thérapeutiques protéiques avec ciblage spécial

  • 2a : Interférer avec une molécule ou un organisme.
  • 2b : Livraison d'autres composés ou protéines.

Groupe 3: Vaccins protéiques

  • 3a : Protection contre un agent étranger nuisible.
  • 3b : Traiter une maladie auto-immune.
  • 3c : Traiter le cancer.

Groupe 4: Protéines utilisées pour le diagnostic Le plus grand et le plus vendu groupe de protéines thérapeutiques sur le marché est actuellement le premier, tandis que les protéines thérapeutiques à la croissance la plus rapide sont les anticorps monoclonaux. [10]

Exemples de protéines thérapeutiques

La plupart des thérapeutiques protéiques sont créées par ADN recombinant et sont utilisées pour des applications médicales. Les protéines thérapeutiques ont montré des avantages significatifs pour le système de santé, servant d'agents pour le traitement de diverses maladies.[9] Certaines des protéines thérapeutiques les plus importantes, leurs applications potentielles et classifications sont résumées dans le Tableau 2.

Tableau 2. Exemples de protéines utilisées en thérapeutique et en diagnostic, y compris leurs classifications.

Thérapeutique protéique Classification Fonction Utilisation clinique
Insuline Groupe 1 Régule la glycémie Diabète
Hyaluronidase Groupe 1 Augmente la perméabilité des tissus, permet une absorption plus rapide des médicaments Anesthésique en chirurgie ophtalmique
Toxine botulique Groupe 1 Cause la paralysie Troubles du mouvement, problèmes cosmétiques
Trastuzumab Groupe 2 mAb qui contrôle la croissance des cellules cancéreuses Cancer du sein
Antigène de l'hépatite B Groupe 3 Protéine non infectieuse à la surface du virus de l'hépatite B Vaccination contre l'hépatite B
OspA Groupe 3 Protéine non infectieuse à la surface de Borrelia burgdorferi Vaccination contre la maladie de Lyme
Antigènes du VIH Groupe 4 Immunoessai qui détecte les anticorps humains contre le VIH Diagnostic de l'infection par le VIH

Anticorps monoclonaux (mAbs)

Les anticorps sont un groupe spécial de protéines. Lorsque des substances externes qui sont étrangères au corps (antigènes comme les virus, les bactéries ou les allergènes) pénètrent dans le corps, notre système immunitaire reconnaît ces substances et produit des anticorps. Ces anticorps peuvent se lier aux antigènes et les inactiver en formant un complexe immun. Ces complexes sont ensuite transportés au foie et éliminés du corps. 

Figure 2: Mécanisme d'interaction anticorps-antigène

Contrairement aux anticorps produits par notre corps, les anticorps monoclonaux (mAbs) ne peuvent pas être isolés des humains, mais doivent être produits en laboratoire selon certaines techniques et sont beaucoup plus spécifiques. La recherche sur et l'utilisation des AcM ont considérablement augmenté ces dernières années, et ils sont devenus l'une des formes prédominantes de thérapies basées sur des protéines.[7] En raison de leur conception spécifique, ils sont très efficaces et utilisés dans le traitement de nombreuses maladies comme la maladie d'Alzheimer, la sclérose en plaques et diverses formes de cancer. Les AcM peuvent également être utilisés comme transporteurs pour d'autres médicaments en thérapie contre le cancer, limitant ainsi la toxicité du médicament transporté tout en augmentant son efficacité.[8] Ils fonctionnent comme suit : Le médicament est lié à l'AcM, formant un conjugué anticorps-médicament, et est transporté directement vers la cible (cellule cancéreuse). La cellule cancéreuse absorbe la combinaison médicament-mAb et est tuée.[11]

Thérapeutiques protéiques – Impact de la viscosité

Les solutions protéiques thérapeutiques sont des systèmes très complexes en raison de la structure et de la grande taille des protéines. La fabrication et la production de ces solutions protéiques sont également complexes. D'une part, la synthèse des protéines elles-mêmes ne suit pas des voies chimiques simples comme c'est le cas pour les médicaments à petites molécules, et d'autre part, leur production peut inclure des milliers d'étapes critiques du processus.[3] De plus, les protéines synthétisées doivent être stables à la fois en solution et lors de l'administration afin de maintenir l'efficacité du médicament et la sécurité du patient. L'influence de la viscosité et de la stabilité de la solution est très significative et affecte la voie d'administration applicable des thérapeutiques protéiques. Ces sujets seront discutés dans les chapitres suivants.

Comportement de viscosité dépendant de la concentration

Traditionnellement, les thérapeutiques protéiques ont été formulées à des concentrations plutôt faibles (par exemple 20 mg/mL) pour une administration intraveineuse dans les hôpitaux.[7] Cependant, d'autres voies d'administration, telles que les injections sous-cutanées, deviennent de plus en plus souhaitables en raison de la commodité de l'auto-administration.[12] De plus, les patients souffrant de maladies chroniques qui nécessitent des doses fréquentes bénéficieraient grandement de voies d'administration alternatives.[13] Malheureusement, les injections sous-cutanées sont limitées à de petits volumes d'injection (~1.5 mL). Comparé à l'administration intraveineuse, où de grands volumes peuvent être appliqués, la concentration en protéines des solutions utilisées pour les injections sous-cutanées doit être augmentée pour permettre un traitement suffisant. Selon la concentration en protéines, plusieurs 100 mg/mL sont nécessaires pour obtenir le même effet par rapport à l'administration intraveineuse.[14] Pour les thérapeutiques protéiques ayant un faible poids moléculaire comme l'insuline, les injections sous-cutanées sont déjà une pratique courante. Cependant, l'insuline est une protéine plutôt petite par rapport à d'autres protéines comme les mAbs (Figure 3). La taille plus grande et la structure plus complexe des mAbs ont un impact énorme sur les propriétés de la solution, en particulier sur sa viscosité, qui est un facteur limitant pour les formes d'administration comme les injections sous-cutanées.

Figure 3: Comparaison de la taille de la molécule ibuprofen (poids moléculaire (206 Da), insuline

Au-dessus d'une certaine concentration (dépendante des protéines), la viscosité des solutions protéiques peut augmenter de manière spectaculaire. Cependant, toutes les protéines ne montrent pas la même augmentation de la viscosité dépendante de la concentration.[15]  

Figure 4. Comportement de la viscosité dépendant de la concentration de deux mAbs en solution (adapté de [6])

L'étendue des changements de viscosité varie avec l'augmentation de la concentration en protéines et dépend de plusieurs facteurs. Fondamentalement, on peut dire que plus la protéine est grande, plus l'augmentation de la viscosité de la solution dépendante de la concentration est élevée. En dehors de la taille, les interactions entre les protéines séparées, appelées interactions protéine-protéine ou IPP, ont une influence majeure sur la viscosité de la solution.[16] Plus la concentration en protéines dans la solution augmente, plus les distances entre les molécules séparées diminuent. Cela entraîne une augmentation des IPP, pouvant entraîner des viscosités élevées et des problèmes de stabilité comme l'agrégation.[17]  

Stabilité des solutions protéiques hautement visqueuses

L'efficacité des thérapeutiques protéiques dépend en grande partie de la présence de la protéine sous sa forme active, c'est-à-dire sa structure native. Ce n'est que sous sa forme native qu'il peut remplir sa pleine fonction biologique. Si les protéines s'agrègent (se regroupent) ou se dénaturent (la structure 3D est perdue) en solution, la fonction biologique de la protéine, et donc l'efficacité du traitement protéique, est également perdue. De plus, la sécurité des patients ne peut plus être garantie. 

Figure 5. Protéine dans sa forme native et dénaturée

Pour ces raisons, une propriété clé des thérapies protéiques est leur stabilité. Garantir la stabilité des médicaments est un défi, surtout lorsqu'il s'agit de travailler avec des solutions de protéines hautement concentrées. Dans les solutions diluées, la stabilité dépend uniquement des PPI tels que les interactions à longue portée, tandis que dans les solutions hautement concentrées, la densité des protéines du même volume est beaucoup plus grande, et d'autres PPI (interactions à courte portée) commencent également à influencer la stabilité.[14] La séquence d'acides aminés et la structure de la protéine influencent la force des PPI, ainsi que les conditions de solution comme le pH, la force ionique et la présence d'autres composés.[17] Les solutions protéiques sont par nature sujettes à des problèmes de stabilité tels que la précipitation, le trouble, la dénaturation, la formation de gel, l'auto-association et l'agrégation causées par des changements de température, de cisaillement, de composition du solvant, de conteneurs utilisés, et d'autres.[18] Pour contrôler et étudier dans quelles conditions une solution reste stable, des études de viscosité décrites dans le chapitre 4.4 sont utilisées. 

Stabilité des solutions protéiques hautement visqueuses

En dehors de la stabilité des médicaments, les viscosités élevées résultant de fortes concentrations de protéines posent un défi pour l'injection sous-cutanée où des solutions à faible viscosité sont souhaitées (<50 mPa.s). La viscosité d'une solution influence l'injectabilité d'une substance. Des aiguilles de plus grand calibre ou des forces d'injection plus élevées sont nécessaires pour l'injection de solutions hautement visqueuses, ce qui entraîne une tolérance réduite du patient en raison de la douleur d'injection.[19] Le fonctionnement des dispositifs d'auto-injection est également affecté par les propriétés des solutions à haute viscosité. La conception et le matériau utilisés pour les dispositifs doivent être capables de supporter la force nécessaire pour les injections. Des problèmes tels que des cassures et des dysfonctionnements dans les produits peuvent survenir. Une pratique courante pour réduire la force d'injection est un taux d'injection plus bas. Cependant, la tolérance des patients est plutôt faible concernant les longs temps d'injection.[12] En dehors de l'injectabilité et de la fabrication des dispositifs d'injection, la haute viscosité des solutions protéiques affecte également le traitement de ces médicaments. Dans les étapes de filtration, par exemple, des viscosités élevées peuvent entraîner une augmentation de la contre-pression dans les pompes, ce qui augmente le temps de traitement et les coûts de fabrication. Dans ce cas, la perte de produit est également mentionnée.[20]

Analyser les protéines et influencer la viscosité des solutions protéiques hautement concentrées

Il est très important d'analyser les protéines avant de préparer des thérapeutiques. Pour déterminer le poids moléculaire pour caractériser les protéines et distinguer les protéines de différentes tailles, des techniques telles que la chromatographie par exclusion de taille (SEC)[17], la diffusion dynamique de la lumière[21], la diffusion des rayons X à petit angle[22], et la viscosimétrie de solution diluée[21] sont utilisées. De nombreuses recherches ont été effectuées pour contrôler et étudier le comportement de viscosité dépendant de la concentration pour les thérapies protéiques. Les études de viscosité sont utilisées pour tester comment la viscosité des solutions protéiques peut être influencée et manipulée tout en maintenant l'efficacité et la stabilité de la solution protéique pour une longue durée de conservation.[14] Pour déterminer la stabilité de la solution et les changements de viscosité, des techniques telles que la diffusion dynamique de la lumière (DLS)[16][17], les mesures rhéologiques[14][16][17], les viscosimètres capillaires en verre[14][15], et les viscosimètres à bille roulante[14] sont utilisés. Une approche dans les études de viscosité consiste à influencer la viscosité d'une solution protéique de manière à ce que les PPI soient réduits et que l'agrégation soit entravée, ce qui entraîne une viscosité de solution plus faible. Par conséquent, des paramètres comme le pH, la température, le solvant, etc. sont modifiés, et la viscosité de la solution est surveillée avant et après les changements, en utilisant des composés modèles comme le sérum d''albumine ou la lysozyme[14][16][23] Une autre approche consiste à rechercher des additifs comme des acides aminés et des sels qui influencent les PPI et entraînent donc une diminution de la viscosité et améliorent davantage la stabilité de la solution.[18] La figure 6 montre un exemple d'une étude dans laquelle un sel (chlorure de sodium, NaCl) a été ajouté à la solution de sérum d'albumine pour étudier le changement de viscosité dynamique.[16]

Figure 6. Viscosité de l'albumine sérique en présence (points rouges) ou en absence (points bleus) de chlorure de sodium (adapté de [16]).

Conclusion

Il y a un intérêt continu pour les thérapies protéiques pour traiter diverses maladies. On peut s'attendre à ce que les efforts pour trouver de nouvelles formulations et des voies d'administration confortables augmentent encore dans les années à venir. Pour atteindre ces objectifs, comprendre la dépendance de la viscosité à la concentration des nouvelles formulations sera essentiel. Une importance égale doit être accordée au développement de nouveaux additifs et conditions de formulation qui diminuent les viscosités des thérapeutiques finales, tout en maintenant la stabilité et une longue durée de conservation sans influences sur l'efficacité des médicaments et la sécurité des patients.

Rapports d'application

Références

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