Les lignées cellulaires de mammifères qui sont conçues pour produire des médicaments à base de protéines recombinantes de grande valeur produisent également des protéines indésirables qui augmentent le coût global de fabrication de ces médicaments. Ces mêmes protéines peuvent également réduire la qualité des médicaments.
Dans un nouvel article Communications Nature, des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université technique du Danemark ont montré que leurs techniques d'édition du génome pouvaient éliminer jusqu'à 70% de la protéine contaminante en masse dans les médicaments à base de protéines recombinantes produites par les bêtes de somme des cellules de mammifères – Hamster chinois Cellules ovariennes (CHO).
Avec l'approche d'édition de gènes médiée par CRISPR-Cas de l'équipe, les chercheurs démontrent une diminution significative des demandes de purification à travers les lignées cellulaires de mammifères qu'ils ont étudiées. Ce travail pourrait entraîner à la fois des coûts de production plus bas et des médicaments de meilleure qualité.
Les protéines recombinantes représentent actuellement la majorité des principaux médicaments vendus, y compris des médicaments pour traiter des maladies complexes allant de l'arthrite au cancer et même pour combattre des maladies infectieuses telles que COVID-19 en neutralisant les anticorps. Cependant, le coût de ces médicaments les met hors de portée d'une grande partie de la population mondiale.
Le coût élevé est dû en partie au fait qu'ils sont produits dans des cellules cultivées en laboratoire. L'un des principaux coûts est la purification de ces médicaments, qui peuvent représenter jusqu'à 80% des coûts de fabrication.
Dans une collaboration internationale, des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego et de l'Université technique du Danemark ont récemment démontré le potentiel de protection de la qualité des médicaments à base de protéines recombinantes tout en augmentant considérablement leur pureté avant la purification, comme indiqué dans l'étude intitulée « Multiplex secretome engineering améliore la production et la pureté des protéines recombinantes « publié en avril 2020 dans la revue Communications Nature.
« Les cellules, telles que les cellules ovariennes de hamster chinois (CHO), sont cultivées et utilisées pour produire de nombreux médicaments de pointe. Cependant, en plus des médicaments que nous voulons, les cellules produisent et sécrètent également au moins des centaines de leurs propres protéines dans le bouillon.
Le problème est que certaines de ces protéines peuvent dégrader la qualité des médicaments ou provoquer des effets secondaires négatifs chez un patient. C'est pourquoi il existe des règles de purification aussi strictes, car nous voulons les médicaments les plus sûrs et les plus efficaces possibles. «
Nathan E. Lewis, professeur agrégé de pédiatrie et de bio-ingénierie, Université de Californie à San Diego
E.Lewis est également co-directeur du CHO Systems Biology Center de l'UC San Diego.
Ces protéines des cellules hôtes (HCP) qui sont sécrétées sont soigneusement retirées de chaque lot de médicament, mais avant d'être retirées, elles peuvent dégrader la qualité et la puissance des médicaments. Les différentes étapes de purification peuvent éliminer ou endommager davantage les médicaments.
« Déjà à un stade précoce de notre programme de recherche, nous nous demandions combien de ces protéines de cellules hôtes contaminantes sécrétées pouvaient être éliminées », a expliqué le directeur Bjorn Voldborg, directeur de l'installation principale de CHO au Center of Biosustainability de l'Université technique du Danemark.
En 2012, la Fondation Novo Nordisk a accordé une importante subvention qui a financé des travaux novateurs en génomique, en biologie des systèmes et en édition de génomes à grande échelle pour la recherche et le développement technologique des cellules CHO au Center for Biosustainability de la Danish Technical University (DTU) et l'Université de Californie à San Diego.
Cela a financé les premières séquences génomiques accessibles au public pour les cellules CHO et a fourni une occasion unique de combiner la biologie synthétique et des systèmes pour concevoir rationnellement des cellules CHO pour la production biopharmaceutique.
« Les protéines des cellules hôtes peuvent être problématiques si elles posent une demande métabolique importante, dégradent la qualité du produit ou sont maintenues tout au long de la purification en aval », a expliqué Stefan Kol, auteur principal de l'étude qui a effectué cette recherche pendant son séjour au DTU.
« Nous avons émis l'hypothèse qu'avec plusieurs cycles de modification de gènes médiés par CRISPR-Cas, nous pourrions diminuer les niveaux de protéines des cellules hôtes de manière progressive. À ce stade, nous ne nous attendions pas à avoir un impact important sur la sécrétion de HCP étant donné qu'il y a des milliers d'individus HCP qui ont été précédemment identifiés. «
Ce travail s'appuie sur des travaux informatiques prometteurs publiés plus tôt en 2020.
Des chercheurs de l'UC San Diego avaient développé un modèle informatique de production de protéines recombinantes dans les cellules CHO, publié plus tôt cette année dans Communications Nature.
Jahir Gutierrez, ancien doctorat en bio-ingénierie Un étudiant de l'UC San Diego a utilisé ce modèle pour quantifier le coût métabolique de la production de chaque protéine de la cellule hôte dans le sécrétome CHO, et avec l'aide d'Austin Chiang, un scientifique du projet au Département de pédiatrie de l'UC San Diego, a montré qu'un nombre relativement petit nombre de protéines sécrétées représentent la majorité de l'énergie et des ressources cellulaires.
Ainsi, l'idée d'éliminer les protéines contaminantes dominantes avait le potentiel de libérer une quantité non négligeable de ressources cellulaires et de protéger la qualité des médicaments.
Les auteurs ont identifié et retiré 14 protéines contaminantes des cellules hôtes dans les cellules CHO. Ce faisant, ils ont éliminé jusqu'à 70 pour cent de la protéine contaminante en masse et ont démontré une diminution significative des demandes de purification.
Ces modifications peuvent être combinées avec d'autres modifications génétiques avantageuses identifiées par l'équipe dans le but d'obtenir des médicaments de meilleure qualité à moindre coût.
La source:
Université de Californie – San Diego
Référence de la revue:
Kol, S., et al(2020) L'ingénierie des sécrétomes multiplexes améliore la production et la pureté des protéines recombinantes. Communications de la nature. doi.org/10.1038/s41467-020-15866-w.
