Laboratoire de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN)

Structure des protéines thérapeutiques par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire

Au Centre d’évaluation des produits biologiques, nous appliquons les plus récentes technologies à l’étude de la structure des protéines utilisées en thérapeutique et pour élaborer de nouveaux outils pour l’évaluation des produits biologiques. Nous utilisons principalement la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour extraire des données moléculaires détaillées sur les protéines d’intérêt thérapeutique.


Pourquoi étudions-nous la structure des protéines?

Une protéine est un polypeptide, composé de longues chaînes d’acides aminés qui sont à la base de la vie. Ces chaînes se replient en de complexes assemblages ou structures (conformations) tridimensionnels qui déterminent directement la capacité d’un ingrédient pharmaceutique actif (IPA) ou d’une molécule cible à fonctionner correctement. Autrement dit, les protéines sont des biomolécules complexes qui forment les IPA des agents biologiques comme les hormones, les anticorps et les antigènes des vaccins. Ces protéines thérapeutiques ciblent d’autres protéines présentes dans le corps et interagissent avec elles.

Les changements de la structure des protéines peuvent moduler leurs fonctions. En étudiant la structure des protéines, nous pouvons obtenir de l’information sur les déterminant structuraux qui influencent l’activité dun IPA, différencier une protéine normale d’une protéine anormale et en découvrir l’incidence sur leur fonctions respectives. En outre, les produits biologiques ne contiennent pas seulement des IPA, on y trouve aussi des excipients. Il s’agit d’additifs qui stabilisent l’IPA du produit et facilitent son administration aux patients. Nos études nous permettent de mettre au point des outils analytiques pour déterminer et évaluer la structure de l’IPA et pour caractériser les interactions possibles avec les excipients.

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Comment utilisons-nous la spectroscopie RMN?

Au Centre d’évaluation des produits biologiques, notre équipe étudie la structure des protéines. Pour ce faire, nous mettons l’accent sur la relation étroite entre la fonction biologique, la conformation des protéines et la dynamique moléculaire. Nous obtenons ainsi une description structurelle des agents biologiques, des protéines ou des polypeptides qui nous permet de jeter les bases requises pour bien comprendre ces molécules complexes. Nous utilisons notre connaissance de la relation entre la structure et la fonction des protéines pour déterminer et mettre au point des outils de bioanalyse permettant de caractériser ou d’évaluer les produits biologiques.

Grâce à une solide expertise dans l’utilisation d’une puissante technique appelée spectroscopie de RMN, nous sommes en mesure d’étudier la structure des protéines. Nous utilisons également les dernières méthodes de biotechnologie pour produire des échantillons de protéine nécessaires pour l’application des techniques de RMN. Nous nous servons de protéines recombinantes ainsi que de la technologie des bioprocédés pour intégrer des isotopes stables, comme l’azote-15 et le carbone-13, ce qui nous permet d’utiliser des techniques de RMN multidimensionnelles. L’application de ces techniques augmente grandement la résolution, et nous sommes donc en mesure de déterminer et d’étudier la structure et la dynamique des protéines, à l’échelle atomique. Au départ, les méthodes d’analyse des produits biologiques sont généralement élaborées et mises à l’essai avec des protéines marquées avant qu’elles puissent être utilisées pour mettre à l’essai les protéines présentes dans les préparations des produits biologiques.

Les recherches dans ce domaine permettent ce qui suit :

  • caractériser la structure des protéines recombinantes thérapeutiques;
  • élaborer de nouvelles méthodes pour évaluer les médicaments biosimilaires et d’autres produits biologiques;
  • étudier les effets des excipients des préparations sur les mouvements des protéines.

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Concepts et outils utilisés dans l’étude de la structure des protéines

La spectroscopie de RMN mesure la fréquence de précession d’un noyau atomique, comme un atome d’hydrogène, lorsque celui-ci est soumis à de forts champs magnétiques. Lorsqu’une molécule (par exemple, eau, protéine ou médicament) est exposée à un champ magnétique très puissant, le noyau adopte un mouvement similaire à une toupie sous l’effet du champ gravitationnel de la terre. Ce mouvement, illustré à la figure 1, est appelé précession. La fréquence de précession d’un noyau donné est liée directement au champ qui l’entoure, soit le champ magnétique environnant. La spectroscopie de RMN mesure toutes les fréquences individuelles de tous les noyaux (1H 13C et 15N) présents dans une biomolécule. À l’aide des techniques appropriées, toutes les fréquences peuvent être attribuées à chaque acide aminé d’une biomolécule et les distances internucléaires peuvent être mesurées afin d’en tirer des structures en trois dimensions. D’autres paramètres peuvent être mesurés pour déterminer les divers mouvements internes de la protéine.

Figure 1

Figure 1

1.1 : Toupie
1.2 : Noyau
1.3 : Champ (gravitationnel ou magnétique)

 

© Sa Majesté la Reine du chef du Canada, représentée par la ministre de Santé Canada (2009).

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Point saillant de la recherche 1 : Identification des protéines à l’aide de la RMN – Un nouvel outil permettant d’analyser les protéines et de caractériser les produits biologiques

Les protéines recombinantes thérapeutiques forment une catégorie de produits biologiques dans lesquels les protéines, comme les hormones et les anticorps, sont les principaux IPA. Ces molécules de grande taille varient grandement en ce qui a trait à la forme, à la composition et à la structure, selon leur environnement et la façon dont elles sont produites. La structure de la protéine (ou sa conformation) détermine sa capacité à agir comme agent thérapeutique. Un changement dans la conformation de la protéine peut générer un produit thérapeutique inefficace susceptible d’entraîner des effets indésirables.

L’administration d’une protéine thérapeutique dans le corps humain demande que celle-ci soit mélangée (préparée) avec des additifs appropriés appelés excipients. En leur qualité d’ingrédient ajouté, les excipients permettent de bien administrer les IPA, de maintenir la conformation de la protéine et d’assurer une stabilité biochimique pendant de longues périodes (durée de vie). Pour évaluer la qualité de ces produits thérapeutiques, les chercheurs doivent être en mesure d’analyser la conformation des protéines présentes dans les préparations des produits.

Le spectre de résonance magnétique nucléaire (RMN) d’une protéine mesure la fréquence de la plupart des noyaux (proton, azote et carbone). Ces fréquences sont directement influencées par le champ magnétique entourant le noyau. Ainsi, la conformation d’une protéine possède une signature unique obtenue par RMN qui peut être considérée comme une empreinte, semblable aux empreintes digitales uniques chez l’humain. Les chercheurs utilisent l’empreinte d’une protéine obtenue par RMN pour déterminer et évaluer la conformation d’un IPA. Elle est ensuite comparée avec l’empreinte correspondante consignée comme norme de référence.

Les recherches dans ce domaine offrent de nouveaux outils aux fins suivantes :

  • évaluer si les changements apportés à la formulation des produits issus de la biotechnologie ont une incidence sur la structure des protéines et potentiellement sur l’activité du produit;
  • évaluer la qualité des médicaments biosimilaires ou de toute autre protéine recombinante thérapeutique.

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Point saillant de la recherche 2 : Les protéines sont dynamiques : leurs mouvements influencent leurs fonctions

Les protéines sont des biomolécules de grande taille qui présentent des structures en trois dimensions fascinantes. Comme toutes les molécules, leurs mouvements sont répartis sur une vaste gamme de fréquences et d’amplitudes. Par conséquent, la dynamique des protéines joue souvent un rôle central dans la fonction biologique et la stabilité intrinsèque de la structure.

Nous travaillons à :

  • En apprendre davantage sur la façon dont les excipients influencent la stabilité des thérapies à base de protéines recombinantes en mesurant leurs effets sur la dynamique structurelle. Ces études nous aideront à obtenir des connaissances approfondies de la façon dont les divers excipients améliorent la stabilité et les fonctions des produits biologiques, de même qu’à guider le processus décisionnel dans les cas où la modification d’une préparation est proposée par un promoteur.

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Pour de plus amples renseignements à propos du chercheur principal de ce laboratoire, veuillez consulter son profil dans le Répertoire des scientifiques et des professionnels de la recherche.