Nombre de questions biologiques trouvent des éléments de réponse dans la connaissance de la structure tridimensionnelle des protéines ; ces informations structurales sont essentielles à la conception de nouvelles molécules thérapeutiques.
Cet article a été préparé par Marilyne Oswald à partir du rapport "Les apports de la biologie structurale à l'innovation pharmacothérapeutique : applications en Pharmaco-Design, un aperçu aux Etats-Unis" réalisé par Jean-Luc Ferrer et Armand Renucci, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France aux Etats-Unis, que nous remercions pour leur collaboration.
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Focus :
Conception de molécules thérapeutiques par SBDD : une approche en 4 étapes
La démarche opérationnelle du SBDD part d'une protéine identifiée (la cible) et va jusqu'à la définition d'un ligand possédant des propriétés thérapeutiques potentielles :
1 - Obtention d'une quantité et qualité adéquates de la protéine cible.
2 - Analyse structurale proprement dite :
- cristallisation de la protéine et enregistrement des données obtenues après exposition à un rayonnement (rayons X, neutrons...) ;
- analyse directe en RMN ;
- autres techniques d'analyse.
3 - Résolution de la structure et construction d'un modèle.
4 - Exploitation de ce modèle pour la conception et / ou l'amélioration d'un ligand.
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Les développements de la biologie structurale apportent une nouvelle dimension à la caractérisation de molécules pharmacothérapeutiques. L'approche "Structure Based Drug Design" (SBDD) se base sur l'utilisation de la structure cristallographique des protéines en combinaison avec de nouveaux outils bioinformatiques. Cette méthode plus rationnelle est aujourd'hui un moyen essentiel pour caractériser de nouveaux médicaments plus efficaces et raccourcir leur cycle de développement tout en réduisant les coûts pour les laboratoires pharmaceutiques.
Le drug design est une méthode de conception de médicaments qui se base sur la cible biologique. Typiquement, cette cible, en général une protéine, est une molécule clé du métabolisme impliquée dans une pathologie ou indispensable à la survie d'un micro-organisme pathogène. Les protéines sont des macromolécules extrêmement variées qui possèdent une structure tridimensionnelle conditionnant leurs propriétés chimiques et leurs fonctions biologiques. Cette relation "structure-fonction" se matérialise par l'existence de domaines fonctionnels au niveau desquels la protéine et ses partenaires (ligands) interagissent. Les médicaments sont généralement conçus de telle manière à ce qu'ils interfèrent avec une région spécifique de la molécule clé afin de modifier son fonctionnement.
Exploiter les relations structuro-fonctionnelles
Les approches traditionnelles de caractérisation des molécules thérapeutiques se basent sur le criblage d'immenses bibliothèques chimiques qui sont testées in vitro pour leurs activités physio(patho)logiques. Une validation de leurs effets positifs est ensuite réalisée in vivo. Historiquement, il était nécessaire de tester de l'ordre de 10.000 composés pour caractériser une nouvelle entité thérapeutique approuvée. Durant la dernière décennie, la disponibilité des génomes et les développements de la génétique moléculaire ont permis d'identifier un grand nombre de nouvelles cibles thérapeutiques. Dans le but de réduire le temps et les coûts élevés de la caractérisation de ces nouvelles molécules par les méthodes de criblage traditionnelles, l'industrie pharmaceutique a investi dans des technologies plus rapides et plus efficaces qui combinent haut débit et automatisation.
La biologie structurale vise à déterminer les structures tridimensionnelles des macromolécules dans le but de connaître la relation complexe existant entre leur structure et leur fonction et à comprendre leurs interactions avec les ligands. L'accès à la structure du complexe protéine-ligand à l'échelle atomique permet d'opérer une conception raisonnée préalable de nouvelles molécules actives avec les propriétés fonctionnelles ou thérapeutiques souhaitées. Cette approche à haut débit, appelée "Structure Based Drug Design" (SBDD), utilise la cristallographie par rayons X et la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour découvrir la structure à haute résolution des macromolécules et concevoir de nouveaux médicaments.
Spectroscopie X et RMR
Démarrée au début des années 2000, la conception de molécules basée sur des informations structurales est promise à de grands développements. La cristallographie aux rayons X en est actuellement la technique de choix. Elle consiste à exposer dans différentes orientations un cristal de la molécule à étudier dans un faisceau, le plus souvent monochromatique. Les clichés de diffraction enregistrés sont ensuite analysés afin de remonter à la structure. Cette technique est actuellement en pleine évolution avec l'apparition de robots de nouvelle génération issus des efforts de la génomique structurale. Ces machines permettent une réduction importante des difficultés liés à l'étape de cristallisation. En effet, la cristallisation a toujours été et reste encore l'étape limitante de la détermination d'une structure par spectroscopie X. Alors que dans les années 1970, cette méthodologie était une aventure téméraire, pouvant prendre de un à vingt ans selon la difficulté de cristallisation de la protéine, elle est devenue, dans la plupart des cas, accessible à des non- cristallographes grâce à l'automatisation.
Mais c'est réellement l'utilisation du rayonnement synchrotron qui a révolutionné la cristallographie des protéines. En effet, ce type de rayonnement permet la production d'un rayonnement X intense, stable, de longueur d'onde variable et de grande qualité optique sur lequel s'appuie la très grande majorité des études cristallographiques contemporaines. Ainsi, la qualité des images obtenues et la rapidité d'exécution des clichés ont permis une accélération considérable de la vitesse d'acquisition des données. Encore limitée il y a quelques années, l'accès au rayonnement synchrotron n'est aujourd'hui plus un problème grâce à la construction de nouvelles machines entièrement dédiées à ce rayonnement ou la reconversion de lignes existantes avec un faisceau plus intense. Signalons de plus que le coût d'accès à ces équipements reste mineur pour les industriels, puisque le coût de 4.000 euros pour un créneau de 8 h à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) reste négligeable en comparaison de la totalité d'un cycle de développement de type SBDD estimé à 100 millions d'euros en moyenne par année (voir "Conception de molécules thérapeutiques par SBDD : une approche en 4 étapes" ci-contre).
En complément de la cristallographie, un second outil joue un rôle croissant dans l'analyse structurale des macromolécules en solution : la résonnance magnétique nucléaire (RMN). Il s'agit d'une technique de spectroscopie exploitant les propriétés magnétiques des noyaux atomiques, qui absorbent les rayonnements électromagnétiques émis à une fréquence spécifique en présence d'un fort champ magnétique. L'analyse du décalage en fréquence observé renseigne sur l'environnement de l'atome considéré et permet la reconstruction du modèle de proche en proche. Cette technique ne nécessite pas l'obtention de monocristaux mais comporte cependant des contraintes significatives sur la taille des molécules étudiées (protéines de masse faible) comme sur leurs propriétés de solubilité. Par contre, la RMN offre des possibilités uniques d'études dynamiques des molécules, des interactions entre macromolécules et solvant et d'analyse structurale de la formation des complexes transitoires. Elle ouvre également des possibilités intéressantes, mais encore peu exploitées, pour l'étude de macromolécules sous forme de poudre (donc non cristallisables) et pour les protéines membranaires.
La bioinformatique en renfort
Une fois les données expérimentales collectées, la résolution de la structure et la construction d'un modèle repose sur les développements de la bioinformatique. Dans ce domaine, les progrès ont également été remarquables depuis les dix dernières années. L'augmentation considérable de la puissance de calcul des ordinateurs, parfois même sous la forme de simples ordinateurs portables, ainsi que l'apparition de logiciels permettant la résolution de structures de façon quasi automatique sont des facteurs importants de l'ouverture de la spécialité vers une communauté scientifique non experte. L'exploitation des modèles pour la conception et / ou l'amélioration d'un ligand reste cependant complexe. En effet, la précision des modèles obtenus par homologie structurale est souvent insuffisante pour la conception rationnelle de molécules actives. Néanmoins, ils apportent des informations stratégiques utilisables dans ce cadre.
L'analyse des effets structuraux de certaines mutations localisées sur des zones clés des protéines permet d'évaluer leurs conséquences sur la fixation des ligands et de dessiner une molécule active adaptée à ce site. La conception de ces molécules se faisait jusqu'à peu manuellement. L'apparition sur le marché de plusieurs logiciels permettant la modélisation de cette démarche a également permis l'automatisation de cette étape. Certains laboratoires pharmaceutiques, tels qu'Abbot ou Astex Technology, ont désormais recours systématiquement à ces outils. Le système Glide (Schrödinger), programme d'analyse de fixation de ligand, propose par exemple plusieurs niveaux de filtres qui permettent de traiter très rapidement un grand nombre de molécules (criblage in silico). Il s'agit d'un logiciel assez évolué qui réalise toutes les étapes de modification et de validation jusqu'à l'obtention d'un modèle de médicament. Il existe également un logiciel gratuit, Autodock, développé par le Scripps Institute (San Diego, Etats-Unis), capable de prédire comment de petites molécules peuvent se fixer sur un récepteur dont la structure 3D est connue.
Des applications nombreuses
Historiquement, les premiers succès de l'approche SBDD ont abouti à la mise au point de petites molécules pharmacologiques visant des protéines intracellulaires. Citons notamment, le cas des inhibiteurs de la protéase du virus du sida (VIH), ainsi que celui des molécules destinées à limiter la virulence de la grippe en empêchant l'interaction de la neuraminidase avec ses cibles. Les exemples de ce type se sont multipliés les dix dernières années avec notamment d'autres types de molécules plus complexes, comme des anticorps visant des protéines extracellulaires de surface ou des protéines exogènes, qui commencent à bénéficier de ces développements. Cette approche porte également ses fruits lorsqu'il s'agit de définir les domaines immunogènes des protéines virales (coque du virus) dans le but de développer de nouveaux vaccins.
Il est naturellement difficile d'obtenir des informations sur les développements en cours et à venir. Les laboratoires conservent jalousement le secret de leurs recherches et ne publient dans les journaux scientifiques que les études une fois finalisées ou abandonnées. Seule l'analyse des dépôts de brevets permet de dégager les grandes orientations actuelles du domaine. D'une manière générale, les protéines membranaires de surface font l'objet d'études poussées car elles constituent des cibles privilégiées à cause de leur accessibilité limitée et de leur toxicité médicamenteuse faible par rapport à des cibles intracellulaires.
Ayant un impact croissant en termes de santé publique, la lutte contre les dérèglements métaboliques fait également l'objet de recherches intensives car ils touchent des pays riches comme les Etats-Unis et l'Europe. Mais les domaines les plus étudiés actuellement concernent les vaccins antiviraux (VIH et grippe aviaire) ainsi que les nouveaux antibiotiques. En effet, compte tenu de la résistance croissante des micro-organismes aux thérapeutiques actuelles, il est nécessaire de trouver des composés présentant des modes d'action totalement innovants et limitant les risques de voir apparaître trop rapidement des résistances, inévitables à terme.
