Comprendre le travail d'équipe des anticorps pour concevoir les thérapies de demain
Les anticorps monoclonaux (AcM) sont utilisés pour traiter une grande variété de maladies. Afin de permettre aux patients de s'injecter ces molécules thérapeutiques de manière autonome, il est crucial de comprendre l'origine de leur viscosité et de la contrôler. Une équipe internationale de scientifiques a utilisé une approche interdisciplinaire pour comprendre comment les interactions et les mouvements moléculaires influencent la viscosité de différents AcM. L'étude a été publiée dans la revue Molecular Pharmaceutics.
Les anticorps monoclonaux (AcM) sont des molécules thérapeutiques présentant un spectre d'activité très diversifié. Ils sont utilisés pour traiter une grande variété de cancers ainsi que certaines maladies infectieuses et auto-immunes, par exemple les infections des voies respiratoires par le virus respiratoire syncytial (VRS), la maladie de Crohn et la polyarthrite rhumatoïde.
Une limitation importante des AcM est leur dégradation rapide par le système digestif. Cela implique qu'ils doivent être administrés par voie intraveineuse, ce qui nécessite une hospitalisation des patients. Pour faciliter le traitement, l'industrie pharmaceutique s'intéresse donc à produire des formulations d'AcM que les patients pourraient s'auto-administrer par injection. À cette fin, il est essentiel de contrôler la viscosité de ces formulations car l'injectabilité diminue rapidement au-dessus d'un certain seuil de viscosité.
Les types d'interactions entre les AcM (c'est-à-dire s'ils ont tendance à se repousser mutuellement ou plutôt à se rapprocher pour former des agrégats sont des déterminants majeurs de leur viscosité. Jusqu'à présent, cette connaissance était limitée à une sélection restreinte de modèles d'AcM.
Découvrez le projet de thèse d'Ilaria Mosca - doctorante InnovaXN dans cette courte vidéo
En collaboration avec un partenaire de l'industrie pharmaceutique (la société Lonza AG, de Bâle, en Suisse), une équipe de chercheurs de l'Université de Tübingen (Allemagne) et de l'ILL a conçu une étude de cinq différents AcM thérapeutiques. "Notre objectif était d'effectuer une étude détaillée et multi-méthodes sur le comportement de ces AcM en solution - depuis leurs interactions jusqu'à leur mouvement dans la solution", explique Ilaria Mosca, première auteure de l'étude et doctorante à l'ILL dans le cadre d'InnovaXN, un programme de formation doctorale financé par l'Union Européeenne réunissant de grandes infrastructures de recherche et l'industrie.
Les scientifiques ont effectué un ensemble d'expériences complexes allant de la rhéologie en laboratoire (mesure des propriétés d'écoulement des fluides et des matériaux mous sous contrainte) aux expériences neutroniques à l'ILL. Dans un premier temps, la rhéologie a révélé que, malgré leurs structures moléculaires similaires, les viscosités des AcM étudiés diffèrent considérablement. Ce résultat montre à quel point les interactions protéine-protéine sont importantes pour déterminer leurs propriétés macroscopiques.
Afin de caractériser davantage ces interactions moléculaires, l'équipe a utilisé la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) sur l'instrument D11 à l'ILL. À la température corporelle (37°C), les AcM semblaient moins attirés les uns par les autres qu'à basse température. Cela peut indiquer que les AcM s'agrègent en amas lorsqu'ils sont transportés ou stockés à température ambiante ou froide, puis se dissolvent lors de l'injection.
Coefficients de diffusion apparents D obtenus à partir de l'ajustement des données QENS pour différents anticorps IgG en fonction de leur concentration en solution, à environ 7°C - température de stockage dans un réfrigérateur standard (à droite). Les lignes représentent la diffusion théorique de sphères chargées monomères et dimères. Les symboles situés en dessous des lignes monomères confirment la présence de petits agrégats de quelques monomères. La diffusion varie considérablement entre les anticorps malgré des séquences très similaires (à gauche). En effet, ils présentent des séquences presque identiques dans la région Fc (bleu - 100% identique), tandis qu'ils diffèrent dans les parties extrêmes des régions Fab (rouge - 0% identique)."
La présence d'agrégas d'AcM a en effet été confirmée à l'aide de la diffusion neutronique rétrodiffusée sur l'instrument IN16B de l'ILL, une technique qui permet de suivre la dynamique moléculaire et la diffusion à des échelles de temps très petites. "Nous avons observé des durées de vie à l'échelle de la nanoseconde (1 nanoseconde = 10-9 secondes)", déclare Tilo Seydel, co-responsable de l'instrument IN16B. "Les agrégas se dissolvent et se reforment rapidement en solution. En moyenne, chaque agrégas est constitué de 2 à 3 molécules d'AcM, mais avec une forte dépendance du type d'AcM. Cela est lié à leurs viscosités très différentes." Les données expérimentales ont on outre été étayées par des simulations de dynamique moléculaire.
"Sur le campus européen des photons et des neutrons (EPN Campus) à Grenoble, la proximité des laboratoires avec les Halls expérimentaux de l'ILL et la disponibilité d'un si large éventail d'instruments neutroniques en font un environnement idéal pour des expériences d'une telle complexité", explique Ilaria Mosca. L'étude, publiée dans la revue Molecular Pharmaceutics, souligne la force des approches interdisciplinaires, incluant à la fois des méthodes de laboratoire et des grandes infrastructures. En particulier, la diffusion neutronique rétrodiffusée donne accès à la dynamique moléculaire à des échelles de temps et d'énergie qui ne sont pas accessibles autrement. Cette information est inestimable pour une compréhension détaillée des molécules thérapeutiques et pour l'optimisation des futures voies d'administration.
Instruments ILL : D11 et IN16B
Reference : Mosca, I., Pounot, K., Beck, C., Colin, L., Matsarskaia, O., Grapentin, C., Seydel, T. & Schreiber, F.
Biophysical determinants for the viscosity of concentrated monoclonal antibody solutions.
Molecular Pharmaceutics (2023), 20(9), 4698-4713
doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.3c00440
Contacts ILL : Olga Matsarskaia, Tilo Seydel
Contact industriel: Christoph Grapentin, Lonza AG, Basel, Switzerland