Section 28 Pharmacologie, bioingéniérie, imagerie, biotechnologie

II. Biomédicaments et thérapies innovantes

Les biomédicaments sont aujourd'hui devenus une réalité clinique, principalement avec l'utilisation de protéines recombinantes. Outre les protéines, les acides nucléiques (ADN, ARN) peuvent être utilisés directement sur des cellules pour pallier une déficience (thérapie génique et pharmacologie génétique), ou encore pour modifier génétiquement des cellules et en faire des outils thérapeutiques (thérapie cellulaire, immunothérapie).

A. Thérapie génique et pharmacologie génétique

La France compte parmi les leaders mondiaux au niveau de l'ingénierie liée au transfert d'information génétique. Les partenariats de recherche avec les associations de malades telles que l'Association Française contre les Myopathies jouent un rôle incontestable dans la réussite des programmes de recherche. L'existence de jeunes pousses et l'implication récente de grands groupes pharmaceutiques accélèrent la dynamique des recherches.

1. ADN médicament

La biotechnologie permet aujourd'hui d'obtenir des ADN synthétiques ou obtenus par biotechnologie en grande quantité et de manière « clonale », c'est-à-dire homogène, ce qui permet leur utilisation comme médicament de thérapie génique.

Ces ADN sont administrés au sein du noyau de cellules en utilisant soit des vecteurs « viraux » (virus génétiquement modifiés ayant perdu leur caractère pathogène et comportant le gène thérapeutique), soit des formulations chimiques, soit enfin des techniques physiques d'administration. Des techniques en plein essor permettent de maintenir cet ADN dans le noyau dans un état « épisomal » extrachromosomique, ou bien de l'intégrer dans le génome des cellules traitées : dans ce dernier cas, les cellules ont la capacité de conserver cet ADN thérapeutique au cours de leur division, en le répliquant.

Selon les besoins, la thérapie génique utilise un agent épisomal ou bien intégratif. L'intégration présente toutefois un risque de « génotoxicité », reflété en particulier par le risque de mutagénèse insertionnelle, c'est-à-dire d'activation d'oncogènes entraînant un phénotype tumoral chez une minorité de cellules traitées. La biosécurité des agents ADN intégratifs fait l'objet de recherches intensives, et utilise les outils les plus récents du NGS (next generation sequencing).

Les perspectives cliniques de l'ADN thérapeutique sont d'une incroyable diversité et couvrent non seulement le domaine des maladies monogéniques, qui semblait a priori leur cible privilégiée, mais aussi, et principalement aujourd'hui le cancer, les maladies oculaires et du système nerveux, les pathologies cardiovasculaires, inflammatoires, auto-immunes, et virales.

2. ARN médicament

Ces dernières années, l'acquisition des connaissances fondamentales autour des mécanismes de régulation transcriptionnelle et traductionnelle a permis de découvrir divers types d'ARN non codants régulateurs en plus de l'ARN messager (ANRm). Plusieurs stratégies ont été proposées pour leur exploitation à des fins diagnostique et thérapeutique.

ARN messagers

L'avantage des ARNm par rapport à l'ADN concerne principalement le fait qu'il n'est plus nécessaire d'introduire l'information génétique dans le noyau cellulaire car la machinerie d'expression est cytosolique. De plus, sa composition et sa nature transitoire suppriment les risques de mutagenèse insertionnelle. Cependant, l'ADN reste irremplaçable lorsqu'il est nécessaire d'intégrer l'agent dans les gènes des cellules cibles, ou lorsqu'une expression de longue durée est recherchée. L'identification des mécanismes et éléments de structure permettant d'ajuster la demi-vie des ARNm a été déterminante dans leur exploitation. Leur caractère immunostimulant (reconnaissance par des senseurs TLRs intracellulaires) les rend intéressants pour la vaccination. Ainsi, des vaccins ARNm codant des antigènes tumoraux ou viraux sont actuellement en essais cliniques. Pour d'autres applications, l'utilisation de nucléotides modifiés réduit fortement l'effet adjuvant. Le transfert d'ARNm est activement développé pour produire des protéines d'intérêt, pour la génération de cellules souches pluripotentes, ou pour l'ingénierie du génome en utilisant l'ARNm codant les méganucléases ou transposases. Seuls les vaccins ARNm sont actuellement à des stades avancés de développement clinique.

ARNs interférents (ARNi)

Ce sont de petits ARN double-brins capables d'inhiber spécifiquement l'expression d'un gène. L'utilisation de ces ARNi obtenus par synthèse chimique et ne conduisant pas à l'expression d'un gène per se, est parfois appelée « pharmacologie génétique ». Outil puissant pour la recherche fondamentale, ils ont un fort potentiel thérapeutique.

D'autres ARN thérapeutiques sont en cours d'investigation à un moindre niveau de développement : microARN (miRNA), ARN longs non codants (LncRNAs), ribozymes pour la chirurgie de l'ARN, petits oligonucléotides synthétiques pour la « chirurgie du génome », tels que le saut d'exon, stratégie très prometteuse pour le traitement des maladies monogéniques telles que la dystrophie de Duchenne. Enfin, des plateformes de criblages à haut débit de miRNA ont été créées dans plusieurs centres dans un but de médecine personnalisée.

3. Administration des acides nucléiques

L'ingénierie génomique et la vectorisation seront les clés de la réussite de la pharmacologie génique. Plusieurs vecteurs viraux, formulations chimiques et techniques physiques existent. Les résultats positifs des essais cliniques rapportés pour la correction de l'hémophilie, de la cécité, et de la maladie de Parkinson confirment la réalité des perspectives d'exploitation de ces nouveaux types de médicaments. Cependant, atteindre de manière optimale leur site d'action reste le défi à relever. L'essor de la nanotechnologie permet d'envisager l'apparition de systèmes ou vecteurs sophistiqués capables d'empaqueter et de délivrer ces biomédicaments au niveau du site d'action et ce de manière contrôlée et à la demande. Le but est d'obtenir des formulations plus efficaces réduisant la dose, et donc diminuant la toxicité. Des équipes françaises ont une renommée mondiale dans les domaines de la vectorologie virale et « non virale ».

B. Thérapie cellulaire

Une nouvelle avancée en médecine prend de l'essor avec la « cellule médicament ». En effet, si les petites molécules sont sélectives d'une voie de signalisation avec une pharmacologie contrôlée dépendante de la dose, les « cellules médicaments » se démarquent par une plus fine capacité de modulation biologique. En particulier, les cellules médicaments peuvent migrer spécifiquement vers les tissus cibles et s'adapter aux types de lésions tissulaires. De nouvelles perspectives mettent à profit les propriétés d'autorenouvellement et de différenciation des cellules souches. De nombreuses études fondamentales et précliniques ont donc porté sur l'utilisation des cellules souches adultes, embryonnaires ou plus récemment « induites », i.e. redirigées (IPSC, induced pluripotent stem cells).

Les cellules souches adultes

La transplantation des cellules souches hématopoïétiques reste l'application majeure de la thérapie cellulaire avec plus de 5 000 transplantations par an pour des applications aussi diverses que le traitement de cancers, de désordres immunitaires (auto-immunité ou immunodéficience), ou encore d'infections. Cependant d'autres cellules souches adultes ont été identifiées et utilisées en clinique : cellules souches de l'épiderme pour la greffe de peau, cellules souches mésenchymateuses pour les maladies inflammatoires, ou encore myoblastes squelettiques ou cellules stromales adipocytaires pour les myopathies ou l'infarctus. Ces études sont cependant limitées par la nécessité de purifier un nombre important de cellules et l'imparfaite différenciation de ces cellules dans les tissus greffés. Pour pallier cette difficulté, un intérêt majeur s'est porté sur les cellules souches embryonnaires et les IPSC.

Les cellules souches embryonnaires

Les cellules souches embryonnaires sont dérivées de blastocystes et ont la capacité de générer tous les types cellulaires et de s'auto-renouveler. Malgré leurs perspectives thérapeutiques importantes, leur utilisation s'est heurtée à des problèmes éthiques, avec notamment la mise en place d'un moratoire sur les recherches sur ces cellules en France, comme dans d'autres pays.

Les cellules souches pluripotentes induites

Les travaux de Fukishama ont démontré la possibilité de « rediriger » des fibroblastes différenciés en cellules souches possédant des propriétés similaires aux cellules souches embryonnaires. Cette découverte permet de rediriger des cellules de patients, et ainsi d'étudier plus en détail la pathophysiologie de leur maladie. Elle ouvre aussi des perspectives considérables en médecine régénératrice, avec la possibilité de les utiliser comme « cellules médicaments autologues », après leur prédifférenciation vers un lignage donné, ou encore par suite à la correction d'un déficit monogénique grâce aux outils de la thérapie génique (voir section A).

C. Anticorps et protéines bloquantes

L'utilisation de protéines chimériques se fixant à une protéine toxique a révolutionné la thérapie de nombreuses pathologies, par exemple inflammatoires avec l'utilisation des récepteurs solubles au TNFalpha, qui constituent aujourd'hui un des médicaments leaders du marché. Par souci de concision, ces agents protéiques « bloquants » ne seront illustrés ici que dans le cas des anticorps. Cependant, ces protéines bloquantes regroupent une classe beaucoup plus large de protéines artificielles, chimériques ou conjuguées parfois à des lipides ou des sucres.

Les anticorps monoclonaux représentent aujourd'hui une classe thérapeutique de première importance recelant d'énormes potentialités. Les domaines d'applications s'étendent de l'oncologie aux maladies chroniques (diabètes, maladies auto-immunes, maladies neuro dégénératives, maladies inflammatoires et athérosclérose...). Ce succès a favorisé le développement d'une nouvelle génération d'anticorps humanisés, aux propriétés fonctionnelles optimisées et aux effets secondaires mieux contrôlés. Les paramètres à prendre en compte dans leur utilisation portent sur la nature de la cible, le format (anticorps entier ou fragments), le mécanisme d'action (neutralisation de la cible antigénique, ou bien recrutement d'effecteurs immunitaires). Certaines approches parmi les plus actuelles sont citées ici, sans viser à l'exhaustivité car d'autres applications, comme par exemple les anticorps anti-infectieux, auraient pu tout aussi bien être cités.

Anticorps immunomodulateurs en oncologie

Ils visent à moduler l'activation lymphocytaire par inhibition ou stimulation de points de contrôle immunologiques (CTLA-4, PD-1). Les premières études cliniques ont été particulièrement convaincantes.

Anticorps armés

Le but est d'augmenter l'index thérapeutique d'anticorps monoclonaux en leur conjuguant à un principe actif : agent cytotoxique, ou radioélément pour la thérapie ou l'imagerie nucléaire.

Anticorps bispécifiques

Les avancées en génie génétique ont facilité la conception d'anticorps « artificiels » à partir de fragments ou domaines d'anticorps, qui permettent le ciblage d'épitopes sur deux cibles différentes, ou de deux épitopes différents sur le même antigène, ainsi que le recrutement de différentes populations immunitaires.

Anticorps intracellulaires (intrabodies)

Exprimés au sein des cellules, les anticorps constituent des outils uniques pour étudier des mécanismes biologiques tels que les voies de signalisation, les interactions protéines/protéines, le processus d'assemblage viral, etc. Ils ont également un potentiel thérapeutique important. Dans cette utilisation, les anticorps à simple domaine de camélidés sont intéressants, de par leur grande stabilité, leur forte affinité et leur capacité à reconnaître des épitopes non traditionnels.

D. Atouts et défis des biomédicaments

Le principal défi de la thérapie génique et de la pharmacologie génétique reste l'administration intracellulaire des produits. Les espoirs de la « vectorologie » reposent sur l'amélioration des vecteurs viraux, sur l'utilisation de systèmes nanoparticulaires modulaires multifonctionnels, et sur la mise en œuvre d'enzymes spécifiques pour la chirurgie du génome, telles que les méganucléases, les transposases, le système CRISP-R (clustered regularly interspaced short palindromic repeats), etc. Encore trop peu d'équipes françaises sont impliquées dans l'utilisation d'ARNm, en particulier pour les vaccins, alors que plusieurs industries ont déjà procédé à des levées de fond dans ce domaine.

Dans le domaine de la thérapie cellulaire, les principaux défis résident dans la maîtrise de la sécurité et de l'efficacité de l'utilisation clinique des cellules souches. Cela nécessite :1) d'identifier et de caractériser de nouvelles populations de cellules souches adultes et des facteurs impliqués dans leur maintien et différenciation ; en particulier la génération d'IPSCs et leur injection sont souvent associées à des aberrations chromosomiques et à la formation de tératome ; 2) d'améliorer la survie et la biodistribution des cellules, notamment par l'utilisation de biomatériaux ; 3) d'accroître les interactions public-privé permettant le développement de processus de production BPF (bonnes pratiques de fabrication) à grande échelle ; 4) de faciliter la translation vers la clinique en renforçant les interactions cliniciens-chercheurs.

Avec plus de 40 médicaments commercialisés et 250 en développement, les anticorps font pleinement partie du nouvel arsenal thérapeutique. Cependant, si plus de vingt anticorps conjugués à des agents cytotoxiques sont en phase clinique, seuls deux sont sur le marché, soulignant les défis technologiques à dépasser, en particulier au niveau du couplage pour faciliter l'internalisation et améliorer la toxicité dans les thérapies antitumorales. Différentes pistes sont explorées : couplage à des nanoparticules métalliques ou à des liposomes enrichis en agents chimiques, recherche de radioisotopes innovants, etc. La France a des atouts indéniables, avec un fort potentiel en recherche académique, mais n'a pas de réel leadership dans le domaine des anticorps thérapeutiques, alors qu'en matière de consommation, elle est le premier marché européen. L'enjeu est de ne pas laisser s'échapper les opportunités de renforcer la place de la France. Le développement de plateformes collaboratives (anatomo-pathologie, immuno-monitoring, épitope mapping...), et de modèles pré-cliniques apparaît nécessaire.