De nouvelles substances pharmaceutiques actives à partir de milliards de molécules recombinées

De nouveaux traitements spectaculaires, comme le traitement individuel du cancer avec des cellules immunitaires ou des anticorps modifiés, sont aujourd'hui sur toutes les lèvres. Mais ils sont très complexes et coûteux, et leur utilisation est donc limitée. La base de la grande majorité des thérapies médicales reste donc de petits composés chimiques qui peuvent être produits en grande quantité et donc à moindre coût.

Des milliards de nouvelles molécules en quelques semaines

Le goulot d'étranglement dans le développement de nouvelles thérapies moléculaires est le nombre limité de nouvelles substances actives qui peuvent être trouvées avec les méthodes actuelles. Une méthode d'identification de nouvelles substances actives développée dans les années 2000 à Harvard et à l'ETH Zurich, les bibliothèques de substances codées par l'ADN, en anglais DNA-encoded chemical libraries (DEL), promet d'y remédier.

Jusqu'à présent, la technologie DEL permettait de créer des millions de composés chimiques et d'en tester l'efficacité d'un seul coup. Mais cela présentait l'inconvénient que les chercheurs ne pouvaient construire que de petites molécules à partir de quelques éléments chimiques. Aujourd'hui, des chimistes de l'ETH Zurich ont perfectionné ce procédé et l'ont amélioré de manière décisive.

Grâce à une nouvelle méthode récemment publiée dans la célèbre revue Science, les chercheurs peuvent désormais produire et tester de manière automatisée non plus quelques millions, mais des milliards de substances différentes en quelques semaines. Cette méthode permet également de produire des molécules de substances actives plus grandes, comme des peptides cycliques. Il est ainsi possible de viser des cibles pharmacologiques supplémentaires.

Produire et tester toutes les combinaisons

"Actuellement, les premières substances actives développées à l'aide de la technologie DEL précoce font déjà l'objet d'études cliniques avancées. La nouvelle méthode DEL élargit encore massivement les possibilités", explique Jörg Scheuermann. Avec son groupe de recherche à l'Institut des sciences pharmaceutiques, il fait partie des pionniers de la technologie DEL. Elle est considérée comme la clé permettant d'utiliser concrètement les possibilités combinatoires lors de la fabrication chimique de molécules.

L'objectif de la chimie combinatoire est de produire le plus grand nombre possible de variantes de molécules à partir de composants individuels. Parmi toutes ces combinaisons, les chercheurs repèrent finalement celles qui présentent l'activité souhaitée. Le nombre de molécules différentes augmente de manière exponentielle avec le nombre de cycles de synthèse et avec le nombre de composants différents combinés dans chaque cycle de synthèse.

Identifier les molécules actives grâce au code ADN

Afin de pouvoir identifier les différents composés actifs dans la "soupe moléculaire" à croissance rapide lors des tests d'efficacité, la méthode DEL ajoute également un morceau d'ADN défini à la molécule, parallèlement à chaque élément constitutif du principe actif. Ainsi, pour chaque combinaison de composants, une séquence d'ADN unique est créée sous forme de code-barres qui peut être lu.

Il est par exemple possible de tester la capacité de l'ensemble de la soupe moléculaire à se lier à une protéine donnée, puis d'utiliser la technique PCR (réaction en chaîne par polymérase), bien connue des tests Covid, pour multiplier et identifier sans ambiguïté même des segments d'ADN individuels.

Prévenir les contaminations à croissance exponentielle

La réalité chimique a toutefois fortement limité les possibilités de la technologie DEL jusqu'à présent. La liaison des morceaux d'ADN avec les éléments chimiques fonctionne certes toujours avec la même fiabilité, mais la liaison chimique des éléments réussit plus ou moins bien selon la combinaison. Le code ADN perd ainsi son unicité.

Le même code peut coder aussi bien la molécule complète avec tous les éléments constitutifs que des variantes tronquées avec seulement une partie des éléments constitutifs. Ces impuretés augmentent également de manière exponentielle à chaque cycle de synthèse. Dans la pratique, cela a limité la taille gérable des bibliothèques DEL à des combinaisons de trois ou quatre éléments constitutifs accrochés les uns aux autres, et donc à quelques millions de composés différents.

Auto-nettoyage intégré

Les chercheurs autour de Scheuermann ont maintenant trouvé un moyen d'empêcher l'encrassement croissant de la bibliothèque de molécules et de nettoyer pour ainsi dire eux-mêmes le DEL synthétisé jusqu'au tout dernier élément. La méthode des chercheurs de l'ETH repose sur deux éléments principaux : D'une part, la synthèse des molécules est couplée à des particules magnétiques qui peuvent être manipulées de manière simple et automatisée. Cela permet entre autres des cycles de lavage. D'autre part, ils ont introduit un deuxième composant de couplage chimique sur les particules, qui ne peut se lier qu'au dernier des éléments constitutifs prévus.

Toutes les molécules raccourcies, auxquelles il manque par exemple le dernier élément constitutif, peuvent ainsi être éliminées en une seule étape de lavage. Au final, la bibliothèque ne contient plus que des molécules qui contiennent également tous les éléments constitutifs indiqués dans le code ADN.

Conflit avec la chimie des composés

Si la méthode semble élégante sur le papier, elle n'en a pas moins été difficile à mettre en œuvre, comme le souligne Scheuermann : "Il a été particulièrement difficile de trouver des particules magnétiques qui ne perturbent pas le couplage enzymatique des morceaux d'ADN. Michelle Keller et Dimitar Petrov de mon groupe ont beaucoup travaillé pendant leur thèse de doctorat jusqu'à ce que la méthode fonctionne de manière fiable".

L'idée de pratiquer une telle chimie combinatoire sur des particules est apparue dès les années 1990. Mais ce n'est que maintenant que les chercheurs de l'ETH ont réussi à la mettre en pratique pour la synthèse DEL.

Des molécules plus variées et plus grandes

La technologie DEL autonettoyante permet non seulement de manipuler des bibliothèques beaucoup plus grandes de plusieurs milliards de molécules. Il est désormais également possible de synthétiser des molécules composées de cinq éléments ou plus, et donc plus grandes. "Nous pouvons désormais rechercher non seulement de petites substances actives qui s'insèrent comme une clé dans la serrure du site actif de protéines d'intérêt thérapeutique, mais aussi de plus grandes. Ces substances actives plus grandes peuvent se fixer non seulement sur les centres actifs de la protéine, mais aussi sur une autre surface spécifique d'une protéine, l'empêchant par exemple de se lier à un récepteur", explique Scheuermann.

La possibilité de trouver des molécules qui se lient à certaines surfaces de protéines est également très utile pour la recherche fondamentale en biologie. Les chercheurs peuvent ainsi marquer et étudier les protéines directement dans les cellules. La méthode de l'ETH pourrait surtout soutenir de grands projets de recherche internationaux comme "Target 2035". Ce projet a pour objectif de trouver d'ici 2035, pour chacune des quelque 20 000 protéines humaines, une molécule qui se lie spécifiquement à la protéine et peut influencer sa fonction.

Service spin-off pour l'industrie et la science

Afin de mettre cette technologie à la disposition de l'industrie pharmaceutique et de la recherche fondamentale de la manière la plus efficace possible, Scheuermann et son équipe vont créer une entreprise spin-off. Celle-ci proposera l'ensemble du processus, du développement de collections de DEL par la synthèse automatisée jusqu'aux tests d'efficacité également automatisés et à l'identification des molécules sur la base de l'ADN. "L'intérêt de l'industrie et de la recherche, notamment pour les molécules cycliques qui n'étaient pas accessibles en grand nombre jusqu'à présent, est immense", explique Scheuermann.