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1Hélène Gras Hélène Gras

17 octobre 200917 octobre 2009

de l’aspirine aux

biotechnologies

Histoire de l’Industrie Pharmaceutique

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1. Introduction

2.1890-1910 une période charnière: les 7 piliers de l’industrie pharmaceutique

3.L’essor de l’industrie pharmaceutique

4.L’intégration des biotechnologies

Plan du cours

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1. Avant le XXème siècle

Au XIXème siècle, les médecins utilisent la pharmacopée, prescrivent des préparations décrites par le Codex et réalisées par le Pharmacien dans son Officine

Pas ou peu d’activités de recherches,hormis l’élaboration de nouveaux mélanges à partir

-de plantes - de produits chimiques connus

Ex: dérivés du mercure, de l’arsenic….

2

4

Les 7 piliers de l’industrie pharmaceutique

2. 1890-1910 : une période charnière

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Des « industries » de petites tailles (moins de 100 personnes) émergent à partir de pharmacies familiales et commence à préparer des « spécialités », distribuées par les Pharmaciens. La différence se fait par:

- La qualité :introduction de contrôles, standardisation des procédés (production chimique, extraction)

- l’image scientifique:Étiquetage indiquant le nom du fabricant

1er pilier - la différence par la qualité et l’image scientifique

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2ème pilier - mécanisation des procédés de production

pharmaceutique

• grands conflits armés et indications mal couvertes par la pharmacopée traditionnelle (douleurs, fièvres, paludisme, infections de plaies…..)

• les machines à comprimer remplacent les piluliers….

3

7

Besoin de débouchés pour l’industrie des colorants (Bayer, Hoechst, Schering)

Elle apporte un savoir faire inédit dans le secteur de la pharmacie :• d’installations pour produire des grands volumes (distillation de solvants organiques), • des réacteurs et autoclaves adaptés, • d’une culture du contrôledes matières 1ères et des produits finis…

http://www-ulpmed.u-strasbg.fr/ulpmed/dhvs/spip/IMG/pdf/QM_juin_2007_presentation.pdf

3ème pilier - Un outil industriel pour la production des principes

actifs

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Exemple 1: l’ Aspirine, 1ère innovation industrielle

Seules les fièvres associées à la malaria répondent au quinquina.

Les extraits de plantes (Reine des Près)contenant de l’acide salicylique apportent une solution, mais au prix d’effets 2aires importants: irritation de l’estomac, nausées, acouphènes

Besoin : Fièvres et douleurs

9http://www.pubmedcentral.nih.gov.gate2.inist.fr/picrender.fcgi?artid=1119266&blobtype=pdf

Les chimistes de Bayer reprennent cette synthèse 50 ans plus tard et l’optimisent pour obtenir des grandes quantités de produit pur

Les chimistes de Bayer reprennent cette synthèse 50 ans plus tard et l’optimisent pour obtenir des grandes quantités de produit pur

la synthèse de l’acide acétylsalicylique, un analogue plus efficace et mieux toléré a été décrite mi XIXème, mais sa distribution est restée confidentielle

O

COOH

CO CH3Acide acétyl salicylique

Un peu soluble dans l’eau

4

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O- Na+

COOH

+ CO2

O- Na+

pression

Température: 100 à 140°C

OH

COOH

acide

Anhydride acétique(benzène)O

COOH

CO CH3

Soluble dans l’eau Insoluble dans l’eau(purification)

OH

CO OMe

MeOH(H2SO4)

salicylate de méthyleAcide acétylsalicylique

Acide salicylique

« essence de Wintergreen »

Soluble dans les solvants organiques

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O

COOH

CO CH3

1ère grande production industrielle, mise sur le marché en 1899

⇒Production actuelle: > 30 000 tonnes/an

Évaluation en clinique: médecins accès fébriles…. et dentistes douleurs dentaires

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La connexion entre les réseaux de médecins et scientifiques (Robert Koch, Paul Ehrlich, Louis Pasteur) se met en place, à partir de la bactériologie, de la chimie et de l’immunologie

4ème pilier - Des réseaux scientifiques

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à la fin du XIXème siècle, la diphtérie ou « croup » était la plus grande cause de mortalité infantile (plusieurs dizaine de milliers de cas par an en France, mortalité: 40%)

Fin XIXème, travaux des bactériologistes Koch et Pasteur

•Obtention de cultures du « bacille de Klebs-Loffler »•la maladie n'est pas due au microbe lui même, mais à la toxine qu'il produit (Roux, Behring, Kitasato)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dipht%C3%A9rie

exemple 2: la Diphtérie, et l’« antitoxine »

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• Emile Roux (équipe Louis Pasteur):Si on injecte des quantités non-léthales de cette toxine à des animaux, ils développent une résistance à une infection d’épreuve : ils sont « immunisés »

• Emil von Behring et KitasatoShibasaburo trouvent dans leur sérum des substances, ou « antitoxines » qui peuvent transférer cette immunité à une autre animal: un traitement de la diphtérie est enfin possible!

http://www.universalis.fr/corpus2-encyclopedie/17/S181771/encyclopedie/VACCINS_ET_SERUMS.htm

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Le produit est injecté directement dans la circulation sanguine, à des enfants

risque d’échec si la dose injectée est trop faible

Si le bénéfice est évident, le risque l’est aussi

Les besoins:•Garantie de qualité (d’un produit biologique!)•Accessible à tous: naissance en Europe des 1ers systèmes de protection sociale•Réglementation et contrôles

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Problème posé: comment produire, dans de bonnes conditions, suffisamment de sérum pour traiter les centaines d’enfants atteints tous les ans?

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:JimHorse.jpg.png

•Cultiver la bactérie, extraire la toxine

•Injecter la bonne quantité de toxine à un gros animal

•Prélever son sang, préparer le sérum

•Vérifications de son activité, de sa pureté (?)

•Injection intraveineuse à un enfant malade

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l’industrie des colorants, déjà proche des bactériologistes et des scientifiques

l’Institut Pasteur

En Europe: là ou la culture du contrôle est en place

A qui confier la production de cette « antitoxine »?

Aux USA: approche libérale, non contrôlée pharmacies d’hôpital

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Amérique: approche libérale, non contrôlée

Pas de contrôle des produits, ni des producteurs.

Très tôt, le Journal of American Medical Associationsignale le risque d’apparition sur le marché d’une « antitoxine » contaminée

En 1901: le Service de Santé Publique de Saint Louis utilise un cheval infecté par le tétanos pour produire une antitoxine

=> 13 enfants meurent

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contrôle de la qualité des produits

contrôle de la délivrance: Prescription médicale Délivrance par un pharmacien

Paul Ehrlich

5ème pilier - réglementation pharmaceutique

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Le principe de contrôle analytique mis en place pour les produits chimiques est étendu et adapté aux produits biologiques (ex: test de neutralisation pour évaluer la puissance d’une antitoxine)

Contrôles par laboratoire extérieur national

Seuls les industriels sont capables de respecter les standards ainsi définis

producteurs principaux en Allemagne : Hoechst, Merck, Schering

1ers contrôles de produits d’origine biologique

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.

….. Et aujourd’hui? Les grandes agences du médicament

Deux grandes Agences vérifient les données fournies par les laboratoires avant et après la commercialisation des médicaments et attribuent les autorisation de mise sur le marché, sur des critères légèrement différents

La FDA: crée en 1902 pour les antitoxines, élargies en 1906 à tous les médicaments.

L’EMEA (créée en 1993) : vient compléter les agences réglementaires crées dans les grands pays européens

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….. Et aujourd’hui? Le contrôle de la diphtérie

La sérothérapie (immunothérapie passive) a permis de passer 40 à 2% de mortalité. Abandonnée en raison des risques de réaction allergique (sauf pour quelques indications, comme le tétanos, ou le traitement des envenimations)

L’approche vaccinale (immuno-thérapie active) a été adoptée en 1923. La diphtérie a quasiment disparu des pays industrialisés.

Exceptions:•Algérie en 1993•Russie en 1995.

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….. Et aujourd’hui? Vaccination et maladies infectieuses

0.100,25 – 0,50Après 1990

20 – 505 – 1020 – 5050 – 100En 1950

CoqueluchePoliomyéliteTétanosDiphtérieMortalité par million de personnes en France, source : INSERM

Les vaccins ont permis d’éradiquer la variole, fortement diminué la polio. Ils ont considérablement réduit la mortalité infantile dans les pays industrialisés.

De nouveaux vaccins viennent régulièrement élargir cet arsenal: ex: vaccin contre la grippe en 1957, vaccins contre les papillomavirus responsables de cancers de l’utérus remboursé depuis 2007.

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Les microbes sont invisibles, mais ils peuvent être combattus par des produits chimiques qui sauront les trouver dans un organisme, par exemple:

•des colorants marquent sélectivement certains microbes•Les « antitoxines » désarment les microbes en piègeant leurs toxines.

Ces produits chimiques se comporteront ainsi comme des « balles magiques » capables d’atteindre spontanément leur cible (concept de Paul Ehrlich)

exemple 3 : La « balle magique », la syphilis et le Salvarsan

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Organo arsénié synthétisé au milieu du 19ème siècle pour traiter des maladies de peau.

L’association à une partie organique permet de diminuer la toxicité de l’arsenic, du mercure, de l’antimoine….

composé n° 606 arsphénamine

50 ans plus tard : variations systématiques autour de l’atoxyl pour le rendre compatible avec une utilisation par voie interne. (Paul Ehrlich)

Recherches systématiques à partir de ce qui est connu

« atoxyl »

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en 1905, le Treponem pallidum, responsable de la syphilis, est enfin identifié (ne « prend » pas les colorants : très difficile à observer)

Kitasato Shibasaburo et autres chercheurs japonais parviennent à créer un modèle d’infection du lapin, et mettent leur modèle à disposition pour tester les produits de synthèse des chimistes allemands

Evaluation systématique des organo arséniés, obtenus depuis 3 ans sans avoir encore trouvé d’utilité anti-infectieuse

L’ Arsphénamine est actif!

la syphilis

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⇒Montée en échelle des synthèse : création d’un pilote de production, puis échelle industrielle, par Hoechst

⇒Nom commercial: « Salvarsan »

Mais : produit instable, à diluer puis neutraliser juste avant usage dans de l’eau pour préparations injectables (en 1910?),utilisé par voie intraveineuse (risque de nécrose tissulaire si le produit est injecté hors d’une veine)

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⇒L’évaluation du produit repose sur une évaluation scientifique de l’efficacité en clinique

Problèmes posés:•Savoir-faire du praticien?•Dosage? •Fréquence? •Durée du traitement? Confidentialité?•Evaluation de l’efficacité?

6ème pilier - les études cliniques contrôlées, centralisées

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=> L’évaluation du Salvarsan est réservée aux médecins qui savent se servir du produit, et organisée en réseau piloté et centralisé par Paul Ehrlich

Kit de préparation du Salvarsan: plusieurs cures de 3 mois à raison de 1 injection par semaine sont nécessaires à une guérison complète

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….. Et aujourd’hui? Le traitement de la syphilis?

Le Salvarsan a permis de diminuer par 2 l’incidence de la syphilis. Mais il était difficile à utiliser.

Les organo arséniés ont été supplantés dans les années 40 par la pénicilline parentérale, qui représente le traitement de choix de la syphilis à tous ses stades.

Depuis 2000, la syphilis est cependant en recrudescence en France et dans la plupart des pays.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Syphilis

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7ème pilier - naissance d’une culture de l’innovation

Identification des besoins médicaux

Lecture critique des résultats scientifiques

Surveillance des compétiteurs

Observation des progrès technologiques

Surveillance des évolutions réglementaires

=> Mise en place de démarches complexes

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Contexte Besoin d’anti infectieux actifs par voie orale

⇒Évaluation systématique de colorants administrés par voie orale à des souris par diverses bactéries.

⇒Découverte de l’activité d’un colorant rouge sur des streptocoques dans les années 30 par Domag, chez Bayer.

⇒Etudes cliniques puis commercialisation en 1935

Exemple 4: Les sulfamides et la « théorie des antimétabolites »,

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Observations:Prontosil inactif in vitro

Hypothèse 1935 (Tréfouel, Institut Pasteur, spécialiste des vitamines): l’activité proviendrait d’une action du métabolisme

Prontosil (colorant rouge)

Sulfanilamide(matière première de la fabrication de

colorants, connue depuis 1908)

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Analogie structure avec PABA(ac. Para amino Benzoïque)…. ….. Précurseur chez les bactéries et les

végétaux de l’acide folique (vitamine B9)

Co-facteur important d’enzymes impliquées dans la biosynthèses des protéines ou de l’ADN

La sulfanilamide « prend la place » du PABA dans un métabolisme important qui est ainsi stoppé: concept d’antimétabolite

NH2

COOH

N

NNH

N

O

NH2

NH N

H

COOH

COOH

O

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http://home.att.net/~steinert/wwii.htm

La sulfanilamide est testée chez l’homme.

Devant son efficacité, la production de masse est rapidement entreprise. (matière première bien connue des industries du colorant)

Dès 1936, le paquetage des soldats comprend une trousse d’urgence qui contient une pochette de sulfanilamide à disperser sur les plaies

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….. Et aujourd’hui? Que sont devenus les sulfamides?

Nombreuses modifications possibles en faisant varier l’amine utilisée en synthèse

Nombreux sulfamides antibactériens,

certains sont toujours utilisés,

en association

Nombreux sulfamides antibactériens,

certains sont toujours utilisés,

en association

Études cliniques et observations fortuitesÉtudes cliniques et

observations fortuites

sulfonyluréesantidiabétiques

depuis 1955

sulfonyluréesantidiabétiques

depuis 1955

diurétiques « thiazidiques »

depuis 1957

diurétiques « thiazidiques »

depuis 1957

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….. Et aujourd’hui? Le concept d’antimétabolite?

Les biochimistes ont révélé peu à peu quantité de processus métaboliques susceptibles d’être sélectivement inhibés par l’introduction d’un anti-métabolite, incapable de subir la transformation requise par ce processus.

Leurs travaux ont inspiré de nombreux médicaments:• anti-infectieux, et leur synergie• antiviraux (ex: AZT, inhibiteur nucléosidique de la « transcriptase inverse » du VIH)• anti-cancéreux

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3. Essor de l’industrie pharmaceutique face à une demande mondiale

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En 1928, en Angleterre, Alexander Fleming remarque que certaines moisissures produisent une substance qui provoque la destruction de staphylocoques et de nombreux autres germes pathogènes.

La substance est cependant peu stable et difficile à isoler.

Faute de pouvoir produire cette moisissure en quantité suffisante pour exploiter cette propriété, cette découverte reste une curiosité de laboratoire jusque 1941

exemple 1: La pénicilline et l’aube des biotechnologies

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Dans les années 30-40, à Oxford, les savoir-faire conjugués de:

•Médecins - bactériologistes, •biochimistes, •ingénieurs provenant de Carlsberg (brasseries), •physiciens (débuts de la lyophilisation)

….permettent d’améliorer les conditions de culture et de conservation des extraits.

En 1940, Florey et Chain parviennent à produire un extrait brut en quantité suffisante pour le tester sur 4 souris dans un modèle d’infection par des streptocoques.

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Production industrielle des pénicillinesL’industrie britannique est désorganisée par la guerre.En 1941, Florey apporte ses à des collègues américains de l’industrie pharmaceutique et de la FDA.

En 1928, Pfizer avait mis en pratique une technique de fermentation en « deep-tank » pour produire l’acide citrique (« limonades »). La technique est adaptée pour la production de pénicillines

•Sélection de souches•Optimisation des milieux de cultures •Adaptation de l’outil de production à une demande gigantesque liée à la 2de Guerre Mondiale

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Pfizer communique son procédé à ses concurrents pour qu’ils puissent ensemble partager l’effort de production nécessaire en temps de guerre.

La FDA autorise 19 sociétés à produire la pénicilline

La pénicilline arrive en France avec les troupes US, lors du jour J de 1944

Les premières pénicillines ne sont actives que par voie injectable

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….. Et aujourd’hui? Les pénicillines?

Il existe plusieurs pénicillines variant par le radical R sur un noyau commun.

Des procédés de production de ce noyau, par fermentation, complétés d’étapes enzymatique et synthétiques, ont permis de créer des pénicillines hémi-synthétiques utilisables par voie orale

Des staphylocoques résistants aux pénicillines sont apparus dès les années 60. La résistance aux antibiotiques est actuellement un important problème de santé publique

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exemple 2: Les maladies cardiovasculaires, la théorie

des récepteurs à l’Avlocardyl

Les maladies de cause inconnue et de conséquences mal perçues sont beaucoup difficiles à aborder sur le plan conceptuel

Ex: asthme, hypertension, insuffisance cardiaque…

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Alquist (1948): observation de l’activité de l’adrénaline et de dérivés

L’activité d’analogues synthétiques de l’adrénaline sur le cœur ou les vaisseaux suggère l’existence de 2 types de récepteurs, alpha et bêta, qui reçoivent les « messages » du système nerveux sympathique.

www.laskerfoundation.org/awards/1976clinical.htm.

bêta : Dilatation des bronchesaccélération du coeur

Alpha : vasoconstrictioneffets centraux

16

46www.laskerfoundation.org/awards/1976clinical.htm.

Idée 1: chercher des composés susceptibles de reproduire préférentiellement certains effets de l’édrénaline

Exemple d’application l’asthme (agonistes sélectifs des récepteurs bêta)

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NH

OH

OH

OH H

CH3

adrénaline

NH

OH

OH

OH H

CH3

CH3

IsoprénalineIsuprel®

BronchodilatateurActivités stimulantes du coeur

Groupe encombrant=> perte de l’affinité par les récepteurs α

Agoniste pur des récepteurs β

Actif par voie parentérale

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1eres recherches d’applications thérapeutiques (années 50)

Objectif traitement de l’asthme: Rechercher un composé qui:comme l’isénaline, relâche les bronchesavec des effets prolongés

….. sans ses effets sur le cœur=>On cherche à distinguer 2 sous types de récepteurs

…. si possible actif per os=> On cherche à améliorer la biodisponibilité orale

17

49

NH

Cl

Cl

OH

CH3

CH3

NH

OH

OH

CH3

CH3

OH

DichloroisoprénalineDCI

isoprénaline

Point de fragilité métabolique

Agoniste β

•Ne reproduit qu’une partie des effets de l’isoprénaline : agoniste partiel de ses récepteurs β

•Capable d’antagoniser les effets bronchodilateurs et cardiaques de l’isoprénaline => Antagoniste β

* *

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A, NA

Réponse cellulaire réponse cellulaire : agoniste partiel

DCI

Agoniste partiel = antagoniste

Car l’accès du ligand endogène aux récepteurs est bloqué: concept de β- bloqueurs

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Idée 2 : Chercher à bloquer sélectivement certains effets bêta adrénergiques pour éviter les « crises cardiaques »: éviter l’accélération et l’augmentation de la force de contraction du coeur

www.laskerfoundation.org/awards/1976clinical.htm.

Idée 1: chercher des composés susceptibles de reproduire préférentiellement certains effets

Exemple d’application l’asthme (agonistes sélectifs des récepteurs bêta)

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catécholamines

Récepteurs ß

Objectif ß bloqueurs:

X

Effet faible ou nul

Bloquer les récepteurs cardiaques pour l’isoler de la stimulation adrénergique, et la demande en O2 du cœur dans le cadre de l’angine de poitrine

ß bloqueur

53

NH

Cl

Cl

OH H

CH3

CH3

DichloroisoprénalineDCI

Antagoniste βEffet agoniste intrinsèque fort

NH

OH H

CH3

CH3

Phényl éthanolamine

pronéthalol

Antagoniste βEffet agoniste faible

Activité nettement stéréoselective

Introduit sur le marché en 1962 , près de 15 ans après l’hypothèse d’Alquist(remplacé dès 1967 par le propranolol, Avlocardyl®)

James Black

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….. Et aujourd’hui? Les ß bloqueurs?

Les ß bloqueurs exercent une action protectrice sur le coeur; ils font aussi baisser la tension artérielle, via une action sur le reinIls font toujours partie des médicaments les plus prescrits au monde

19

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….. Et aujourd’hui? Les applications de la notion de récepteur

Les neuro médiateurs et leurs récepteurs ont ouvert une piste pour la découverte de médicaments innovants.

D’autres récepteurs ont ensuite été révélés• récepteurs nucléaires des stéroïdes, •des enzymes, •des canaux ioniques …

… autant de cibles thérapeutiques définies sur le plan moléculaire, explorées par la pharmacochimie moderne

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4. Intégration des biotechnologies

1ème application: Biotechnologie & conception de

médicaments synthétiques

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Contexte

Années 70s, des chercheurs académiques inventent :

•le procédé d’obtention d’anticorps monoclonaux•La recombinaison d’ADN, qui permet le transfert de gènes d'un organisme à un autre. A l'aide de cette invention, il est désormais possible de produire des protéines recombinantes à grande échelle.

Les applications pour la recherche sont immédiates

les biotechnologies accélèrent considérablement la découverte des bases physiopathologiques des maladies, et donc l’identification des stratégies thérapeutiques possibles

les biotechnologies accélèrent considérablement la découverte des bases physiopathologiques des maladies, et donc l’identification des stratégies thérapeutiques possibles

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Biotechnologies & Conception de médicaments

Génomique : identification de récepteurs ou d’enzymes impliqués dans un processus pathologique

Protéomique : production de la cible, étude de son fonctionnement (et des moyens de le bloquer

cristallisation de protéines (enzymes) ⇒données structurales⇒=> modélisation moléculaire

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Exploration fine de la biologie du virus du SIDA⇒Identification des protéines qu’il fait produire par la cellule qu’il infecte, et de leurs fonctions (très différentes des fonctions existant chez l’hôte)

⇒cibles potentielles d’une approche thérapeutique sélective et moins toxique que les analogues de nucléotides

⇒Ex: identification de la protéase du VIH

Exemple: conception de médicaments antiviraux grâce aux biotechnologies:

60bourgeonnement

protéaseprotéase

traduction traduction

dissémination

Protéine minuscule, dimérisée pour obtenir la taille critique qui la rend capable de digérer une protéine

Sa fonction est virale pour le virus: elle clive un grand précurseur pour libérer des protéines fonctionnelles

Son substrat est identifié

La protéase est produit en suffisamment grande quantité pour être cristallisées

21

61

protéase du VIH Homodimère(symétrie)

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S

N

NHSH

N NH

NH

NH

O

O

OOH

O

H

Exemple: ritonavir NORVIR® : inhibiteur de protéase

analogue synthétique conçu à partir du substrat + éléments de symétrie (modélisation moléculaire)

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4. Intégration des biotechnologies

2ème application: biotechnologies, sources de biomédicaments

22

64

dès 1976, les biotechnologies et le génie génétique ont été intégrés en tant que source de production de médicaments avec la création de Genentech.

les industriels intègrent le génie génétique dans leurs procédés de production de médicaments

http://www.winconlin.de/uni/downloads/Biologie/en25.ppt#7

Applications: obtenir par génie génétique (bactéries transgéniques) des produits auparavant obtenus par extraction

Ex: insuline humaine (pour remplacer les insulines extraites du pancréas de boeuf)

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Application: création de biomolécules possédant des fonctions inédites

Ex: anticorps monoclonal capable de bloquer des récepteurs pour facteurs de croissance exprimés par certains cancers

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http://www.leem.org/leem-image/leem/document/1341.pdf

Parts des biomédicaments parmi les nouvelles molécules approuvées par la FDA

15%30%

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Conclusion

L’industrie pharmaceutique est liée à l’essor de l’innovation dans plusieurs domaines:

Évolution des procédés (production, contrôle)Recherches scientifique et thérapeutique Progrès des réglementationsEthiquePharmacovigilance

Les métiers qui s’y pratiquent reflètent cette diversité et sont ouverts aux Pharmaciens