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Chimiothèques codées par ADN : une nouvelle ère dans la conception de médicaments



Avec l’acquisition de Nuevolution et de sa plateforme fondée sur une chimiothèque codée par ADN, Amgen s’adjoint une équipe d’experts en mesure d’élaborer et de cribler des milliards, voire des milliers de milliards de composés, avec des perspectives de découverte prometteuses. Cette augmentation considérable de la puissance de criblage servira la recherche d’Amgen dans les petites molécules bispécifiques, qui utilisent la machinerie cellulaire de l’organisme pour s’attaquer à des cibles difficiles à atteindre par des molécules médicamenteuses.

Il arrive que des découvertes extraordinaires se cachent derrière les apparences les plus banales. C’est particulièrement le cas avec la technique de chimiothèque codée par ADN, ou DEL, pour DNA-encoded library. En apparence, la technologie DEL ressemble à quelques gouttes de liquide dans un tube à essai en plastique. Or, ce simple dispositif masque une remarquable plateforme de découverte de médicaments, dont la capacité de criblage est non moins d’un million de fois supérieure à celle de la technologie classique.

Pour la recherche Amgen, la DEL pourrait jouer un rôle clé dans la découverte de médicaments à petites molécules – des composés bispécifiques aptes à stimuler l’élimination par certaines protéines de cibles difficiles à atteindre par des molécules médicamenteuses. Dans sa mise en œuvre proactive de cette stratégie, Amgen a fait l’acquisition de Nuevolution, pionnier de la DEL qui bénéficie d’une expérience approfondie et d’une maîtrise de la technologie. Cette équipe danoise d’environ 45 scientifiques et autres professionnels répond désormais au nom d’Amgen Research Copenhagen (ARC).

Avant le rachat, Amgen et Nuevolution ont collaboré à des recherches qui ont débouché sur des pistes prometteuses contre une cible difficile en oncologie. « Convaincus par la puissance des chimiothèques codées par ADN, nous avons décidé de les utiliser dans tous nos projets de découverte de médicaments à petites molécules », a déclaré Ray Deshaies, vice-président senior de la Recherche Monde.

« Après un examen complet du secteur, nous avons conclu que Nuevolution était sans conteste le meilleur candidat. En travaillant avec ses équipes, nous avons compris que sa position de chef de file mondial dans ce domaine ne tenait pas seulement à la technologie, mais aussi aux personnes. Nombreuses sont les sociétés disposant de la DEL, et nous aurions pu choisir de conclure des partenariats multiples ou de réaliser des transferts de technologie. Mais cela aura été se priver de la ressource la plus précieuse : l’équipe de chercheurs aussi passionnés qu’expérimentés de Copenhague. »

(Photo de gauche) Dave Reese, responsable de la R&D Amgen (à g.) plaisantant avec Alex Gouliaev lors d’une présentation faite au personnel d’Amgen Research Copenhagen. (Photo de droite) Ray Deshaies présente le potentiel de la technologie DEL dans la conception de petites molécules multispécifiques s’appuyant sur les mécanismes biologiques propres à l’organisme pour attaquer des cibles difficiles à atteindre par des molécules médicamenteuses.

« La valeur de notre approche a été démontrée par nos 18 années d’expérience au sein de nombreux partenariats, dont la fructueuse collaboration avec Amgen », a déclaré Alex Gouliaev, ancien D.G. de Nuevolution et aujourd'hui vice-président d’Amgen Research Copenhagen. « Nous sommes convaincus qu’Amgen est le partenaire idéal, tant par son approche innovante de la découverte de médicaments que par sa culture, qui convient bien à notre équipe. »

La technique de criblage joue un rôle majeur dans la découverte de médicaments à petites molécules, où l’objectif global est de trouver des hits, c’est-à-dire des composés qui interagissent avec les cibles des médicaments. Dans les systèmes de criblage haut débit classiques, les composés sont stockés, suivis et testés dans des microplaques de 384 ou 1536 puits. Des robots transfèrent les composés des plaques de stockage aux plaques d’essai, qui contiennent la cible d’un médicament, puis diverses techniques sont appliquées pour évaluer la force des interactions déclenchées et détecter les hits, qui seront ensuite optimisés pour concevoir des médicaments expérimentaux.

Classiquement, une chimiothèque contient plusieurs millions de composés différents, une échelle cependant difficile à dépasser compte tenu des contraintes de temps et de coût. Avec la DEL, ces contraintes disparaissent. Chaque composé est lié à un brin unique d’ADN, qui fait office de code-barres pour l’identifier. Ce marquage permet de stocker et de tester ensemble divers composés, de sorte qu’il n’est plus nécessaire de recourir à des plaques pour différencier les composés sur une grille tridimentionnelle. Compte tenu de la dimension des composés chimiques – une simple goutte de liquide peut contenir des millions de milliards de molécules potentiellement thérapeutiques –, la plus vaste des chimiothèques tient dans quelques millilitres.

« En visant uniquement des chimiothèques de haute qualité, nous voulons accroître la probabilité de trouver des composés vraiment utiles, dotés de bonnes propriétés et facilement exploitables par la chimie thérapeutique. »
Thomas Franch

« Il est possible de construire une chimiothèque qui contient des millions, des milliards, voire des milliers de milliards de composés, et de les cribler simultanément dans un même mélange vis-à-vis d’une protéine intéressante attachée à un grain de résine », explique Margaret Chu-Moyer, vice-présidente Recherche et responsable Chimie, Caractérisation et Technologie. « Pour identifier les composés qui agissent comme molécules de liaison, il suffit de séquencer leurs codes-barres ADN. C’est le secret de cette recette. »

« En visant uniquement des chimiothèques de haute qualité, nous voulons accroître la probabilité de trouver des composés vraiment utiles, dotés de bonnes propriétés et facilement exploitables par la chimie thérapeutique », a déclaré Thomas Franch, anciennement directeur scientifique chez Nuevolution et aujourd’hui directeur exécutif d’ARC. « Chaque molécule de nos chimiothèques est conçue ex nihilo, et notre procédé chimique a été optimisé pour la produire. La synthèse et l’optimisation de hits en sont facilitées, ce qui garantit un accès rapide aux composés dérivés. »

La technologie DEL permet de produire et de cribler des chimiothèques pouvant atteindre voire dépasser mille milliards de composés. Quelles seraient les ressources nécessaires pour cribler un tel volume avec un système classique ? Avec des plaques standard de 1536 puits, il faudrait une pile de plaques de 18 mètres de haut occupant toute la surface d’un terrain de football. Au rythme standard de 100 000 composés par jour, il faudrait plus de 27 000 ans pour mener à bien un criblage complet.

« La technique idéale »

La DEL a ses limites. Elle peut identifier les composés qui se lient à une cible mais ne fournit pas de données fonctionnelles comme la capacité du composé à inhiber ou augmenter l’activité biologique de la cible. Pour ces informations, la polyvalence de la technologie conventionnelle de criblage à haut débit reste nécessaire, et les chercheurs qui conçoivent et exécutent ces tests fonctionnels continueront à jouer un rôle majeur dans la découverte de médicaments chez Amgen.

Cependant, dans certaines techniques émergentes, comme celle des PROTAC (molécules chimériques ciblant la protéolyse), l’affinité de liaison est la clé du succès. Les PROTAC illustrent ce nouveau paradigme dans la découverte de médicaments, où l’objectif est de tirer parti de la machinerie biologique existante pour éliminer une cible difficile à inhiber directement. Ray Deshaies a inventé le terme « inactivation de proximité induite » (induced proximity inactivation) pour désigner cette activité bispécifique, qui peut être conférée à de petites molécules aussi bien qu’à des protéines, comme les molécules BiTE® (mobilisateurs bispécifiques de lymphocytes T), qui font partie du pipeline d’Amgen.

Selon Ray Deshaies, « l'idée est de réunir deux éléments : une cible et un effecteur ». « Dans le cas des PROTAC, l’effecteur est une enzyme appelée ubiquitine ligase, qui lie l’ubiquitine à la protéine cible, la marquant ainsi en vue de sa dégradation par le protéasome. Or, toutes sortes de stratégies ingénieuses peuvent être imaginées pour inhiber les protéines en forçant leur proximité avec d’autres protéines, qui modifieront alors leur activité. L’avantage de cette approche est qu’elle ne nécessite pas de mesures fonctionnelles pour identifier les hits fructueux. Il suffit de rapprocher deux éléments grâce à une molécule de liaison. Activer ces mécanismes de proximité induite est précisément le point fort de la DEL. »

Une PROTAC (petite molécule rose, au milieu en bas) agit en rapprochant une protéine cible (en jaune) d’enzymes appelées ubiquitine ligases (en violet). Une fois à proximité, l’enzyme fixe une petite protéine appelée ubiquitine (en vert) à la protéine cible, ce qui la marque à des fins de dégradation.

60 000 éléments constitutifs

L’élaboration de chimiothèques codées par ADN repose sur la chimie combinatoire, dont le principe est de regrouper des fragments chimiques pour produire des structures uniques. Même si cette technique est utilisée depuis des décennies pour construire des chimiothèques, la DEL apporte un renouveau technologique en résolvant de nombreux problèmes pratiques et physiques posés par la gestion d’un grand nombre de composés différents. « L’utilisation de l’ADN pour marquer les fragments chimiques et enregistrer les étapes de la synthèse a permis à la chimie combinatoire d’exprimer tout son potentiel », explique Vic Cee, directeur de recherche Chimie thérapeutique.

Non seulement le corpus de fragments élaboré par ARC est le plus vaste de tout le secteur de la DEL, avec environ 60 000 éléments constitutifs, mais il est également bien caractérisé et bien maintenu. Vic Cee précise que « l’équipe est très attentive à la compréhension de chacun des fragments chimiques dont elle dispose, du type de réactions qu’il va induire et de sa performance en général ».

Au départ, l’industrie pharmaceutique s’est efforcée d’exploiter la technologie DEL pour créer les plus grandes chimiothèques possibles en ajoutant toujours plus d’étapes au processus de synthèse chimique. Le problème de cette démarche est qu’elle « donne des composés complexes et de grande taille, peu apparentés à des molécules médicamenteuses », explique Alex Gouliaev. « Assez tôt, nous avons décidé de prendre une tout autre voie en élaborant des chimiothèques avec moins de réactions afin de produire des composés plus petits. Néanmoins, la réussite de cette entreprise passe par la création d’une collection immense et diversifiée de fragments semblables à des molécules médicamenteuses, ce qui nécessite des tests en très grand nombre ainsi que des ressources humaines pour résoudre les problèmes logistiques au quotidien ».

« Les combinaisons envisageables pour générer des inactivateurs de proximité induite sont presque illimitées. La seule limite est celle de notre imagination. »
Ray Deshaies

Le succès de cette stratégie a constitué un gros plus en faveur de Nuevolution aux yeux d’Amgen. Par ailleurs, ARC excelle également dans l’optimisation de petites molécules par la génération rapide de nouveaux composés structurellement proches d’un hit initial. Ray Deshaies précise que « Nuevolution a inventé des méthodes de génération de molécules à petite échelle et en parallèle ». « Ainsi, au lieu de générer 200 nouvelles molécules une par une, ils peuvent les fabriquer toutes en même temps, d’un seul coup. Un avantage énorme. »

Amgen affiche une grande expérience dans l’acquisition de petites entreprises de recherche et l’intégration de leur technologie et de leurs équipes dans l’organisation de la R&D ; ainsi, Amgen Research Burnaby (anciennement Abgenix) a développé les anticorps monoclonaux entièrement humains, et Amgen Research Munich (anciennement Micromet) est le pionnier des molécules BiTE®. Ray Deshaies s’est dit confiant lui aussi : Amgen Research Copenhagen fournira en continu des pistes de découverte prometteuses, que les chimistes d’Amgen, y compris ceux d’ARC, pourront convertir en des médicaments attendus par les patients.

« Les combinaisons envisageables pour générer des inactivateurs de proximité induite sont presque illimitées. La seule limite est celle de notre imagination. »

FR-NPS-2000033 – 04/20