Fiche de révision : Chimie combinatoire et optimisation des leads

📋 Plan du Cours

1. Enjeux du développement médicamenteux
2. Étapes du drug discovery
3. Évolution historique de la chimie médicinale
4. Origines biologiques des substances actives
5. Bibliothèques chimiques et criblage
6. Chimie combinatoire et bibliothèques
7. Intelligence artificielle générative
8. Criblage à haut débit
9. Criblage par fragments et virtuel
10. Optimisation structurale du lead
11. Propriétés pharmacologiques du lead
12. Biotechnologies contemporaines
13. Définition et types de biotechnologies
14. Essor et intérêt thérapeutique
15. Systèmes de production recombinante
16. Production industrielle des protéines

📅 Repères chronologiques

1. 1806La morphine a été isolée sous forme pure à partir de l’opium par Sertürner, constituant le premier alcaloïde obtenu sous cette forme.
2. 1899Bayer a commercialisé l’aspirine après la synthèse totale proposée par Felix Hoffmann en 1897.
3. 1960L’AZT a été développé comme anticancéreux, a montré une activité contre un rétrovirus murin en 1974, puis a été autorisé en 1987 pour traiter le VIH identifié comme rétrovirus en 1980.
4. 1982L’insuline est devenue la première protéine recombinante autorisée par la FDA aux États-Unis.
5. 1982L’insuline est devenue la première protéine recombinante à recevoir une autorisation de mise sur le marché de la FDA aux États-Unis.

📖 1. Enjeux du développement médicamenteux

★ À maîtriser

• Le développement d’un nouveau médicament dure en moyenne 12 ans et est soumis à des réglementations strictes, notamment l’autorisation de mise sur le marché (AMM).

• Sur 10 000 molécules criblées, environ 10 font l’objet d’un dépôt de brevet et une seule passe toutes les étapes de test et d’essais cliniques pour devenir un médicament.

📌 Les nouvelles entités moléculaires (NMEs) sont généralement de petites molécules de masse moléculaire inférieure à 1000 Da, tandis que les demandes de licence de produits biologiques (BLAs) concernent souvent des protéines ou des polysaccharides d’origine biotechnologique.

Compléments

• Les coûts de développement représentent aujourd’hui environ les deux tiers des coûts de recherche et développement pharmaceutique.

• En 2023, 55 nouveaux médicaments ont été autorisés sur le marché américain, contre une moyenne annuelle de 49 au cours des cinq années précédentes et de 29 une décennie plus tôt.

💡 Astuce mémo

10 000 molécules → 10 brevets → 1 médicament

📖 2. Étapes du drug discovery

🔑 Notions clés & Définitions

• Hit : Une petite molécule de départ prometteuse, identifiée lors de la découverte de médicaments et destinée à être optimisée.
• Lead : Un hit optimisé pour ses propriétés biologiques, physiques et pharmaceutiques.

📝 Points essentiels

• Le drug discovery est un processus itératif de conception, de synthèse et de tests destiné à identifier puis optimiser une substance active.

• L’optimisation du lead conduit à un candidat clinique, qui est soumis à des tests précliniques approfondis in vivo.

• Après le développement de la formulation et de la synthèse, les essais cliniques réussis et l’approbation réglementaire par l’AMM permettent au candidat de devenir un médicament.

💡 Astuce mémo

Hit → lead → candidat clinique → candidat médicament → médicament

📖 3. Évolution historique de la chimie médicinale

🔑 Notions clés & Définitions

• Ethnopharmacologie : L’étude scientifique interdisciplinaire des matières végétales, animales ou minérales et des savoirs traditionnels utilisés à des fins thérapeutiques, préventives ou diagnostiques.
• Alcaloïdes : Des molécules naturelles contenant du carbone, de l’hydrogène et surtout de l’azote, souvent caractérisées par une activité biologique marquée et un intérêt thérapeutique.
• Composé hémisynthétique : Une molécule dérivée d’un produit naturel qui a subi une modification chimique nécessitant généralement quelques étapes de synthèse.

📝 Points essentiels

• L’histoire de la chimie médicinale suit une progression allant des préparations végétales brutes aux extraits de plantes, puis aux molécules actives isolées et enfin aux molécules conçues pour une pathologie donnée.

• L’acide acétylsalicylique, ou aspirine, est obtenu par acétylation de l’acide salicylique en présence d’anhydride acétique.

• Les trois principales classes de cibles macromoléculaires des substances actives sont les enzymes, les récepteurs et les acides nucléiques, notamment l’ADN et l’ARN.

💡 Astuce mémo

Plante brute → extrait → molécule isolée → molécule conçue

📖 4. Origines biologiques des substances actives

🔑 Notions clés & Définitions

• Sérendipité : La capacité à faire par hasard des découvertes heureuses, notamment lorsqu’un effet inattendu conduit à une nouvelle indication thérapeutique.
• Ligand endogène : Une molécule physiologique, souvent un peptide ou une petite molécule, qui se lie à une macromolécule pour initier une réponse biologique.

★ À maîtriser

• L’éphédrine naturelle d’Ephedra sinica a servi de point de départ à l’amphétamine, à la méthamphétamine et au méthylphénidate, ce dernier étant utilisé dans le trouble du déficit de l’attention avec ou sans hyperactivité.

• La pénicilline G est un antibactérien d’origine microbienne possédant un squelette bêta-lactame, dont des dérivés hémisynthétiques ont été développés pour être administrés par voie orale, résister aux bêta-lactamases ou avoir un spectre élargi.

• À partir d’un ligand endogène, un analogue peut agir comme agoniste en reproduisant l’effet naturel ou comme antagoniste ou inhibiteur en empêchant cette réponse.

Compléments

• Le minoxidil, initialement utilisé comme vasodilatateur oral contre l’hypertension, a été reconverti dans le traitement de l’alopécie après l’observation inattendue d’une pilosité accrue.

• Le sildénafil, développé initialement contre l’angor, a finalement été utilisé pour traiter la dysfonction érectile après la découverte de cet effet lors des essais cardiovasculaires.

• Le paclitaxel, extrait de Taxus brevifolia, est un anticancéreux dont le dérivé hémisynthétique docétaxel a été obtenu à partir de la 10-désacétylbaccatine III extraite des aiguilles de Taxus baccata.

📖 5. Bibliothèques chimiques et criblage

🔑 Notions clés & Définitions

• Bibliothèque chimique : Un ensemble de composés, souvent synthétiques, qui sont criblés afin d’identifier de nouvelles molécules présentant une activité biologique spécifique.
• Bibliothèque du patrimoine : Regroupe des composés synthétisés antérieurement, souvent lors d’anciennes campagnes de drug design, puis conservés pour être testés ultérieurement.
• Bibliothèque combinatoire : Un ensemble important de composés synthétiques structurellement apparentés, conçu pour accroître la diversité chimique disponible au criblage.

★ À maîtriser

• Les bibliothèques synthétiques peuvent contenir de quelques centaines à plusieurs millions de composés, dont la grande majorité est inactive lors du criblage.

Compléments

• Le topiramate, initialement intermédiaire de synthèse, a été conservé dans une bibliothèque puis identifié près de 20 ans plus tard comme composé anticonvulsivant et commercialisé comme médicament antiépileptique.

• En considérant uniquement les atomes de carbone, d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de fluor ainsi que les stéréoisomères, le nombre théorique de composés médicamenteux potentiels dépasse 110 millions.

• En chimie organique classique, les composés A et B réagissent pour former AB, puis le produit est purifié, caractérisé et testé avant de faire varier un ou plusieurs blocs pour élaborer de nouvelles molécules.

💡 Astuce mémo

Patrimoine conservé versus diversité combinatoire

📖 6. Chimie combinatoire et bibliothèques

🔑 Notions clés & Définitions

• Chimie combinatoire : Permet de synthétiser rapidement et simultanément de grandes quantités de composés différents grâce à des procédés informatisés et automatisés.

★ À maîtriser

• Les bibliothèques de composés sont caractérisées par leur diversité chimique et peuvent contenir des analogues de synthèse structurellement apparentés.

• La réaction simultanée de plusieurs blocs A, qui ne réagissent pas entre eux, avec plusieurs blocs B, qui ne réagissent pas non plus entre eux, génère théoriquement toutes les combinaisons possibles sous forme d’une bibliothèque de molécules.

Compléments

• En partant uniquement des atomes de carbone, d’hydrogène, d’azote, d’oxygène et de fluor, le nombre théorique de composés médicamenteux potentiels dépasse 110 millions lorsque les stéréoisomères sont pris en compte.

• La combinaison de 10 blocs de type A avec 100 blocs de type B permet d’obtenir 1000 molécules en une seule opération.

• En phase solide, les fonctions chimiques initiales sont liées à une résine, mises successivement en réaction avec d’autres fonctions, puis libérées par clivage pour obtenir les produits finaux sous forme de mélange ou de produits individuels isolés.

💡 Astuce mémo

Blocs → combinaisons → bibliothèque → tests

📖 7. Intelligence artificielle générative

🔑 Notions clés & Définitions

• IA générative : L’intelligence artificielle générative appliquée à la conception des médicaments utilise de vastes données et des modèles informatiques pour accélérer la génération et l’optimisation de composés.

★ À maîtriser

• Un candidat médicament doit notamment être original, actif sur une cible biologique donnée, brevetable, sélectif et faiblement toxique.

• L’IA générative peut extraire des informations de la littérature, analyser des données génomiques, protéomiques et métaboliques, prédire des cibles et des interactions, générer de nouveaux composés, optimiser des substances actives existantes et identifier de nouvelles indications thérapeutiques.

Compléments

• La chimie combinatoire a d’abord été conçue pour synthétiser des peptides au milieu des années 1980, puis appliquée aux petites molécules traditionnelles dès le début des années 1990.

• Le développement traditionnel d’un médicament dépasse souvent 12 ans et coûte en moyenne 1 à 3 milliards de dollars.

💡 Astuce mémo

Données nombreuses → conception accélérée

📖 8. Criblage à haut débit

🔑 Notions clés & Définitions

• Criblage : Consiste à tester ou analyser presque simultanément une collection spécifique de petites molécules appelée bibliothèque.
• Criblage haut débit : Repose généralement sur un test in vitro miniaturisé réalisé de manière robotisée sur des microplaques.

★ À maîtriser

• Dans le test d’intensité de fluorescence, le clivage enzymatique d’un substrat non fluorescent produit un composé très fluorescent, de sorte qu’une enzyme active donne une fluorescence élevée tandis qu’une enzyme inhibée donne une fluorescence faible ou nulle.

• La principale limite du criblage haut débit est son taux potentiellement élevé de faux positifs.

Compléments

• Le criblage haut débit utilise une méthode de détection du signal pour mesurer rapidement les résultats d’un test, avec un échantillon aléatoire ou ciblé selon les connaissances disponibles sur la cible biologique.

• Le criblage haut débit examine généralement des composés de poids moléculaire compris entre 300 et 600 g/mol et peut détecter des activités allant du micromolaire au nanomolaire.

📖 9. Criblage par fragments et virtuel

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule fragment : Une molécule organique de masse moléculaire inférieure à 300 g/mol, de faible complexité et de taille modérée, pouvant se lier spécifiquement à une protéine cible.
• Criblage virtuel : L’analyse informatique et la prédiction de l’activité de composés réels ou virtuels.

★ À maîtriser

• Le criblage par fragments réduit les faux positifs grâce à la liaison spécifique à la protéine, mais les fragments identifiés sont peu puissants et nécessitent un important travail de synthèse pour leur optimisation.

• Le criblage virtuel permet d’analyser en très peu de temps et à faible coût des bibliothèques de millions de composés, mais des tests biologiques en laboratoire restent nécessaires pour confirmer l’activité.

Compléments

• Le criblage virtuel basé sur la structure utilise le docking pour ajuster des composés minimisés dans le site de liaison d’une protéine, les noter selon leur forme, leur taille et leurs interactions, puis prioriser les meilleurs scores pour les tester en laboratoire.

• Le criblage virtuel basé sur le ligand compare la taille, la polarité, les capacités de donneur ou d’accepteur de liaison hydrogène et l’hydrophobicité d’un ligand connu avec celles des composés d’une bibliothèque.

📖 10. Optimisation structurale du lead

🔑 Notions clés & Définitions

• Lead : Un composé efficace avec une CI50 inférieure à 1 μM, sélectif, décrit par des relations structure-activité, doté de propriétés physiques et pharmaceutiques appropriées et disponible pour être obtenu.
• Relation structure-activité : Décrit comment une modification de la structure d’une molécule entraîne une variation de son activité biologique.
• QSAR 2D : Relie quantitativement des descripteurs physico-chimiques ou géométriques d’une série de molécules à leur activité biologique au moyen d’un modèle mathématique.
• Pharmacophore : L’ensemble des caractéristiques stériques et électroniques d’une molécule qui déterminent son activité biologique.

★ À maîtriser

• L’affinité d’un médicament pour une cible protéique est mesurée par la constante de dissociation $K_d$ ; plus $K_d$ est faible, plus le complexe médicament-protéine est fortement formé.

• Les médicaments se lient généralement à leurs cibles par des interactions faibles de type électrostatique, hydrophobe, van der Waals, π-π ou dipôle-dipôle, mais certaines interactions peuvent être covalentes.

📌 L’eutomère est l’énantiomère le plus actif, tandis que le distomère est l’énantiomère le moins actif.

Compléments

• Dans le cas de l’aspirine, une liaison covalente acétyle la sérine 530 de la cyclooxygénase et inhibe cette enzyme.

• Dans l’escitalopram, l’énantiomère (S) est 167 fois plus actif que l’énantiomère (R).

📐 Formule — Dans les modèles QSAR, l’activité biologique est normalement exprimée par $\log(1/C)$, où $C$ est la concentration minimale nécessaire pour induire une réponse biologique définie.

• Un pharmacophore classique comporte au moins trois éléments de liaison pouvant être des donneurs ou accepteurs de liaisons hydrogène, des régions hydrophobes, des régions aromatiques ou des groupes ionisables positifs ou négatifs.

💡 Astuce mémo

Affinité → stéréochimie → RSA → QSAR → pharmacophore

📖 11. Propriétés pharmacologiques du lead

🔑 Notions clés & Définitions

• Lipophilie : L’affinité d’une molécule pour les liquides ou les milieux apolaires.
• Solubilité : La quantité de composé solide qui se dissout dans une solution aqueuse.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le coefficient de partage est défini par $P=\frac{[SA]_{org}}{[SA]_{aq}}$ entre une phase organique d’octanol et une phase aqueuse.

• Les deux facteurs les plus importants de la solubilité aqueuse sont la polarité de la molécule et l’énergie du réseau cristallin.

• Les règles de Lipinski prédisant la biodisponibilité orale comprennent un poids moléculaire inférieur à 500 g/mol, au plus 5 donneurs de liaisons hydrogène, au plus 10 accepteurs de liaisons hydrogène et un logP inférieur ou égal à 5.

Compléments

• Une substance active ayant un logP compris entre 1 et 3 est associée à une absorption intestinale, entre 3 et 4 à une absorption transcutanée, entre 4 et 5 à une absorption sublinguale, tandis qu’un logP supérieur à 5 favorise l’accumulation dans les graisses et une élimination lente.

• Les règles des 3 pour les fragments exigent un poids moléculaire inférieur à 300 g/mol, au plus 3 donneurs de liaisons hydrogène, au plus 3 accepteurs de liaisons hydrogène et un logP inférieur ou égal à 3.

• Les règles de Veber recommandent au plus 10 liaisons rotatives et une surface polaire inférieure à 140 Ų, ou au plus 12 accepteurs et donneurs de liaisons hydrogène.

📖 12. Biotechnologies contemporaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Biotechnologie : Selon l’OCDE, la biotechnologie est l’application de principes scientifiques et de l’ingénierie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour produire des biens ou des services.

📝 Points essentiels

📌 Les biotechnologies traditionnelles utilisent des organismes sélectionnés non issus de l’ADN recombinant, tandis que les biotechnologies contemporaines utilisent des organismes génétiquement modifiés pour produire des substances actives.

• Les biotechnologies contemporaines permettent notamment d’obtenir des anticorps monoclonaux, des vaccins et des protéines recombinantes.

📖 13. Définition et types de biotechnologies

🔑 Notions clés & Définitions

• Biotechnologie : Correspond à la transformation de matériaux par des agents biologiques afin de produire des biens ou des services.
• Biotechnologies contemporaines : Utilisent des organismes génétiquement modifiés, dont l’ADN a été transformé, pour produire des substances actives telles que des anticorps monoclonaux, des vaccins et des protéines recombinantes.
• Biotechnologies traditionnelles : Utilisent des microorganismes ou d’autres organismes sélectionnés, mais non issus de l’ADN recombinant, pour produire notamment des antibiotiques, des vitamines, des enzymes ou des préparations antigéniques.

📝 Points essentiels

• Les biotechnologies permettent de produire des substances actives utiles dans les domaines de la chimie, de l’agroalimentaire, de l’environnement et de la pharmacie.

💡 Astuce mémo

Traditionnelles : sélection ; contemporaines : ADN modifié

📖 14. Essor et intérêt thérapeutique

★ À maîtriser

• Plus de 600 protéines recombinantes médicamenteuses ont reçu une autorisation de mise sur le marché par la FDA ou l’Agence européenne des médicaments.

• En France, plus de 200 biomédicaments issus des biotechnologies sont utilisés en thérapeutique, notamment l’insuline, le glucagon, l’hormone de croissance, des cytokines, des facteurs de coagulation et des antigènes vaccinaux.

• Les biotechnologies sont privilégiées parce que certaines protéines et certains peptides sont trop complexes à synthétiser chimiquement et parce qu’elles constituent une alternative plus sûre que l’extraction biologique.

Compléments

• Les biotechnologies contemporaines progressent, avec plus de 50 % des substances actives susceptibles d’être issues de ces technologies dans un avenir proche et une molécule sur deux en développement provenant actuellement des biotechnologies.

• L’hormone de croissance autrefois extraite d’hypophyses de cadavres a été associée à la maladie de Creutzfeldt-Jakob, tandis que l’insuline porcine pouvait provoquer des réactions allergiques ou des chocs anaphylactiques en raison de différences de conformation.

💡 Astuce mémo

Molécules complexes ou extraction risquée → biotechnologies

📖 15. Systèmes de production recombinante

★ À maîtriser

• Les bactéries utilisées comme hôtes comprennent Escherichia coli, Bacillus, Streptomyces et les bactéries lactiques, et peuvent produire notamment l’insuline, des interférons et des interleukines.

• Les cellules de mammifères comprennent les cellules CHO, BHK et HeLa, et les cellules CHO sont les plus utilisées pour produire des protéines recombinantes telles que des facteurs de coagulation, l’EPO et des anticorps monoclonaux.

• Les animaux transgéniques utilisés comprennent principalement le lapin, la souris, la brebis et la chèvre, et l’antithrombine humaine III est produite chez la chèvre et commercialisée.

• Le choix de l’organisme hôte dépend de l’activité biologique requise, de la quantité souhaitée, de la possibilité d’exporter la protéine et du coût global de production et de purification.

Compléments

• Les levures Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris et Kluyveromyces lactis peuvent produire l’insuline, l’antigène de surface de l’hépatite B et l’albumine sérique humaine.

• Les plantes transgéniques étudiées comprennent le tabac, le colza, la pomme de terre et la tomate, mais aucun produit issu de plantes génétiquement modifiées n’est commercialisé aujourd’hui.

• Les bactéries se développent rapidement et coûtent peu cher, mais elles réalisent mal certaines modifications post-traductionnelles et peuvent difficilement produire ou excréter des protéines complexes.

📖 16. Production industrielle des protéines

★ À maîtriser

• 🔄 La production industrielle d’une protéine recombinante comprend trois phases:
  1. la production du volume souhaité
  2. la séparation-extraction-purification
  3. puis la mise en forme pharmaceutique injectable

📌 Les bioréacteurs conventionnels sont des cuves réutilisables de 50 à 25 000 L, tandis que les bioréacteurs à usage unique sont des poches ou cuves en plastique non réutilisables de 50 à 2 000 L.

• La culture en batch reçoit les nutriments au départ, la culture fed-batch les reçoit progressivement et la culture en perfusion renouvelle continuellement le milieu pour prolonger la production.

• Si la protéine est intracellulaire, les cellules sont centrifugées puis lysées par homogénéisation à haute pression afin de libérer la protéine, tandis qu’une protéine extracellulaire est récupérée directement dans le surnageant.

• La purification downstream comprend successivement la capture, la purification intermédiaire et le polissage, qui éliminent les protéines indésirables, les endotoxines, les virus, les contaminants résiduels et les formes mal repliées.

• Les protéines recombinantes sont administrées par voie parentérale sous une forme stérile, apyrogène, isotonique au sang entre 280 et 320 mOsm et de pH proche de 7.

Compléments

• L’eau pour préparations injectables est le seul solvant possible et les excipients peuvent comprendre des ajusteurs de pH, du mannitol ou du chlorure de sodium pour l’osmolarité, ainsi que des conservateurs dans certaines préparations multidoses.

💡 Astuce mémo

Upstream → downstream → forme injectable

📊 Tableaux de synthèse

Origines des substances actives

Comparaison des méthodes de criblage