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Au cours de la dernière décennie, des progrès majeurs ont été réalisés dans le domaine de la synthèse protéique en systèmes cell-free (acellulaire). Même si la fabrication de protéines thérapeutiques est dominée depuis de nombreuses années par les systèmes cellulaires, à partir principalement de cellules mammifères et bactériennes, les systèmes cell-free sont à présent en mesure de répondre aux exigences propres des produits biopharmaceutiques qui doivent respecter les bonnes pratiques de fabrication (BPF). Ces systèmes ouvrent ainsi de nouvelles possibilités de bio-production (Carlson et al., 2012).
Les systèmes cell-free répondent aujourd’hui aux exigences des BPF et du processus de mise à l’échelle.
En effet, les systèmes cell-free et l’extrait cellulaire associé, ont été largement modifiés pour répondre à la fois aux exigences du processus de montée en échelle et aux normes des BPF pour les produits à usage pharmaceutique.
La démonstration d’une industrialisation possible du cell-free a été réalisée par Sutro Biopharma, une société américaine qui développe des nouvelles thérapies contre le cancer, en particulier des anticorps conjugués à des cytotoxiques (ADC, Antibody Drug Conjugates), des anticorps bispécifiques et des thérapies à base de cytokines. Cette société s’est positionnée sur le domaine de l’immuno-oncologie et des voies auto-immunes. En 2018, elle a amené en phase clinique le premier candidat médicament produit par un système cell-free.
• Ce premier produit est un conjugué anticorps-médicament (ADC) dirigé contre l’antigène CD74, une protéine de surface associée aux tumeurs malignes à lymphocytes B, pour traiter le lymphome non hodgkinien et le myélome multiple.
• Un deuxième produit candidat devrait entrer en essais cliniques en 2019 et d’autres sont en phase de développement précoce ou préclinique avec de grandes chances d’obtenir de bons résultats.
Des efforts considérables ont été déployés pour la préparation de l’extrait cellulaire.
Pour s’assurer que les entreprises respectent bien les exigences des BPF, le premier critère à prendre en compte réside dans :
• la sélection et le choix méticuleux des produits et des matières premières, notamment en ce qui concerne leur origine et leur traçabilité, comme les produits d’origine animale, qui sont à exclure.
Pour aller dans ce sens, des efforts considérables ont été investis dans la préparation de l’extrait cellulaire, car il reste l’élément le plus important pour que les systèmes cell-free soient robustes, fiables et qu’ils respectent, dans le même temps, les Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF).
• Par exemple, outre la simplification et la standardisation de la préparation de cet extrait, les réactions de lyse cellulaire, de collecte et de run-off ont été toutes optimisées (Kwon et al. 2015 ; Carlson et al. 201).
La filtration stérile et la lyophilisation pour solutionner les problèmes de contamination de lyse cellulaire.
Un autre défi majeur dans le processus de mise à l’échelle était d’éviter la contamination bactérienne résiduelle de la lyse cellulaire. En effet, les bactéries vivantes restant après la lyse de 99,999 % des cellules, représentent encore des millions de cellules par mL, qui pourraient potentiellement se développer pendant la réaction de synthèse des protéines et ainsi contaminer cette dernière. Pour surmonter ce problème, deux techniques efficaces ont été mises au point pour stériliser l’extrait cellulaire issu d’E. Coli :
• la filtration stérile et la lyophilisation, qui permettent toutes les deux de préserver l’activité de synthèse protéique (Smith et al., 2014 ; Smith et al., 2015).
Une fois les problèmes de production corrigés, la qualité de la protéine a été évaluée à l’aide de méthodes analytiques couramment utilisées par l’industrie biopharmaceutique. Ainsi,
• la pureté,
• l’état oligomèrique,
• la masse intacte,
• les profils de ponts disulfures et,
• l’activité biologique
ont été utilisés pour le rhGM-CSF et répondent depuis plusieurs années maintenant aux exigences de qualité pharmaceutique (Zawada et al., 2011).
En système cell-free, un produit obtenu homogène qui permet de combiner plusieurs lots à l’inverse des systèmes cellulaires.
En plus des avantages décrits ci-dessus, le système cell-free repose essentiellement sur des réactions biochimiques, ce qui rend le produit obtenu homogène avec très peu de variations d’un lot à l’autre. Cela peut également avoir un impact positif sur les systèmes d’installation.
Avec des temps de réaction courts et une constance d’un lot à l’autre, la technologie cell- free constitue un système fiable et agile avec lequel il est possible de combiner plusieurs lots pour répondre rapidement à la demande du marché ou pour changer rapidement de ligne de produits si nécessaire.
En fin de compte, la flexibilité et l’agilité du système cell-free contrastent avec celles des cultures cellulaires de type E. Coli où les variations d’un lot à l’autre peuvent rendre difficile la combinaison de plusieurs lots pour une même libération de produit.
L’optimisation de l’extrait cellulaire, la contamination de la lyse évitée grâce aux techniques de filtration stérile et de lyophilisation ou encore le peu de variation d’un lot à l’autre rendent les systèmes cell-free performants et robustes tout en respectant les bonnes pratiques de fabrication exigées par l’industrie pharmaceutique.
Authors & sources
Carlson E.D., Gan R., Hodgman C.E., Jewett M.C. 2012. Cell-free protein synthesis: Applications come of age. Biotechnology Advances 30:1185–1194.
Kwon Y.-C., Jewett M. 2015. High-throughput preparation methods of crude extract for robust cell-free protein synthesis. Scientific reports 5:8663.
Smith M.T., Berkheimer S.D., Werner C.J., Bundy B.C. 2014. Lyophilized Escherichia coli- based cell-free systems for robust, high-density, long-term storage. BioTechniques 56:186-193.
Smith M.T., Bennett A.M., Hunt J.M., Bundy B.C. 2015. Creating a Completely “Cell-free” System for Protein Synthesis. Biotechnology Progress 31:1716-9.
Zawada J.F, Yin G., Steiner A.R., Yang J., Naresh A., Roy S.M., Gold D.S., Heinsohn H.G., Murray C.J. 2011. Microscale to manufacturing scale-up of cell-free cytokine production – A new approach for shortening protein production development timelines. Biotechnology Bioeng 108(7):1570-1578.