Cryogénie dans l’industrie pharmaceutique : conception de médicaments et amélioration de leur biodisponibilité

Technologies cryogéniques utilisant des gaz liquéfiés

Depuis leur adoption initiale pour maintenir l'intégrité de la chaîne du froid jusqu'à leur utilisation pour induire des changements dans les propriétés physico-chimiques des matériaux, le déploiement commercial des solutions cryogéniques s'est considérablement développé au cours des dernières décennies. Par rapport aux technologies cryogéniques basées sur le refroidissement mécanique qui reposent sur des cycles de compression de vapeur, l’utilisation de cryogènes liquides tels que l’azote liquide, l’hélium ou l’argon présente les avantages suivants : taux de refroidissement plus élevés, niveaux de température inférieurs, distribution uniforme de la température, absence de composants mécaniques et besoins réduits en matière de maintenance. Diverses technologies ont été développées pour exploiter le potentiel de ces cryogènes liquides. Il s’agit notamment des congélateurs cryogéniques, qui peuvent garantir des taux de refroidissement uniformes et rapides, des procédés de cryo-congélation par pulvérisation et de micronisation qui améliorent la bio-assimilation des médicaments, ainsi que de nouvelles méthodes de production de principes actifs.

La cryogénie offre donc un potentiel considérable pour relever un défi majeur de l'industrie pharmaceutique, à savoir développer des formules médicamenteuses capables d'induire les bénéfices thérapeutiques souhaités avec un dosage minimal pour minimiser les effets secondaires.

La cryogénie pour améliorer la biodisponibilité des médicaments administrés par voie orale

Les technologies basées sur la cryogénie peuvent jouer un rôle important dans l’amélioration de la « biodisponibilité » de certains médicaments administrés par voie orale. La biodisponibilité fait référence à la fraction du médicament administré qui atteint la circulation sanguine et son site d’action souhaité sous une forme active ^[1]. La biodisponibilité dépend à la fois de la solubilité aqueuse du médicament et de sa perméabilité intestinale. La solubilité aqueuse désigne la capacité du médicament à se dissoudre dans le liquide biologique autour de la membrane muqueuse, tandis que la perméabilité intestinale désigne sa capacité à pénétrer à travers la membrane muqueuse. La plupart des formules médicamenteuses nécessitent un seuil de concentration minimale efficace au site d’action pour produire l’activité pharmacologique souhaitée. Par conséquent, pour les médicaments à faible biodisponibilité, une dose élevée doit être administrée pour atteindre la concentration minimale efficace, ce qui qui peut induire des effets indésirables.

Des études ont montré que l'utilisation des technologies cryogéniques permet d’améliorer la solubilité aqueuse, qui à son tour améliore la dissolution dans le fluide muqueux biologique du système digestif. Cela présente un grand potentiel dans le secteur pharmaceutique où près de 40 % des médicaments approuvés sont peu solubles dans l'eau ^[2]. La recherche sur l'utilisation des technologies cryogéniques pour améliorer la biodisponibilité s'est concentrée sur le développement d'agrégats nanostructurés avec des surfaces accrues ^[3] ainsi que sur la conversion du médicament en une dispersion solide amorphe qui a une solubilité plus élevée que son homologue cristallin ^[4].

La lyophilisation par pulvérisation pour une solubilité accrue

Les deux principaux procédés cryogéniques adoptés actuellement pour améliorer la solubilité aqueuse sont la lyophilisation par pulvérisation (SFD) et la congélation par pulvérisation dans un liquide cryogénique (SFL) ^[5]. Dans ces approches, la solution contenant le principe actif du médicament avec les excipients et les solvants est mise en contact avec un cryogène tel que l’azote liquide ^[3]. Cela provoque une congélation rapide de la solution, après quoi le solvant est retiré de la solution congelée par lyophilisation. La sublimation du solvant produit une poudre sèche comprenant le principe actif et les excipients.

Dans le processus SFD, une pulvérisation atomisée de la solution médicamenteuse est introduit dans une zone de vapeur cryogénique. En revanche, dans le procédé SFL commercialisé par Dow Chemical Company, la solution médicamenteuse atomisée est pulvérisée directement dans l’azote liquide à travers des buses immergées dans le cryogène. L’impact direct de la solution médicamenteuse dans le cryogène liquide crée un degré d’atomisation plus élevé que celui obtenu avec le processus SFD et élimine l’inconvénient de l’agrégation protéique potentielle résultant de l’interface gaz-liquide dans le processus SFD ^[3]. 

La vitesse élevée de refroidissement dans le processus cryogénique (conséquence du « sur-refroidissement ») limite considérablement la formation de noyaux cristallins dans la solution, tout en réduisant le temps nécessaire à la croissance des cristaux ^[6]. Cela induit la formation de particules amorphes dans la solution au lieu de cristaux qui se forment normalement dans des conditions de faible vitesse de refroidissement. La structure amorphe de la poudre résultante, ainsi qu’une augmentation significative de la surface ^[3] jouent un rôle dominant dans l’amélioration de la solubilité aqueuse des ingrédients actifs dans le système gastro-intestinal.

La micronisation à l’aide de fluides cryogéniques

Les technologies de micronisation, qui visent à réduire la taille des particules des poudres de principes actifs pharmaceutiques à des niveaux de l’ordre du micromètre afin d’améliorer leur solubilité, pourraient également bénéficier de la cryogénie. L’utilisation d’un environnement à ultra-basse température offre une alternative supérieure aux techniques conventionnelles de séchage par atomisation et de broyage pour réduire la taille des particules de principes actifs thermiquement ou physiquement instables ^[7]. Cela pourrait être mis en œuvre par une pulvérisation de la solution directement dans l’azote liquide, la micronisation étant obtenue par collision liquide-liquide ^[8].

La cryogénie au service de principes actifs pharmaceutiques innovants (API)

Les technologies cryogéniques offrent également un potentiel important pour la production et le stockage d'ingrédients pharmaceutiques actifs, c'est-à-dire la catégorie de composés qui jouent le rôle de principe actif dans la formulation d'un médicament et produisent les effets escomptés lorsqu'ils sont assimilés par l'organisme. Le maintien de la stabilité ou de la viabilité de ces principes actifs est essentiel pour générer la réponse pharmacologique souhaitée lors de l’administration ^[9]. Ces principes actifs peuvent être des composés inorganiques (complexes métal-ligand, sels inorganiques) ^[10] ou des composés organiques à base de protéines. Dans le cas des principes actifs à base de protéines, il est essentiel de disposer de conditions de stockage optimales. En effet, les molécules de protéines sont très sensibles à la dénaturation et à l’agrégation au cours des processus de fabrication, ce qui entraîne une perte d’activité.

Des cryocongélateurs pour limiter la dénaturation des principes actifs (API)

L’adoption de congélateurs cryogéniques permet d’assurer un refroidissement uniforme du volume ainsi que des vitesses de refroidissement suffisamment élevées pour minimiser la perte d’activité protéique ^[11] pendant la production, le stockage et le transport des principes actifs, maintenant ainsi leur stabilité et leur viabilité.

Une technologie de refroidissement optimale est nécessaire en raison du rôle dominant des molécules d’eau dans le maintien de la stabilité des molécules de protéines, et de ses effets sur l’hydratation intracellulaire et intercellulaire ^[12]. Les congélateurs conventionnels ont généralement une faible vitesse de refroidissement, ce qui provoque des non-uniformités de température dans la solution. Ces dernières entraînent une formation de glace non uniforme et des zones de concentration élevée en soluté. Il en résulte une agrégation et une dénaturation des molécules de protéines. En outre, une perte accrue d’eau du complexe protéine-ligand entraîne une déshydratation, causant des dommages irréversibles à leur structure et à leur fonctionnalité ^[12]. Ces nombreux inconvénients associés aux congélateurs conventionnels pourraient être évités grâce à l’utilisation de technologies cryogéniques.

Des technologies cryogéniques pour produire de nouveaux principes actifs (API)

Les technologies cryogéniques offrent également un potentiel important dans la production et le traitement de nouveaux principes actifs. Les conditions cryogéniques peuvent induire des transformations moléculaires qui seraient impossibles dans les conditions des processus normaux ^[13].

Cela est particulièrement vrai dans le cas des réactions de Grignard où le réactif de Grignard (réactif organométallique) réagit avec les aldéhydes, les cétones et les esters pour former de nouveaux principes actifs ^[14]. La haute réactivité des réactifs organométalliques rend leur commercialisation et leur mise à l’échelle difficiles. Par conséquent, les conditions modifiées grâce aux cryogènes offrent une alternative potentielle pour effectuer des réactions contrôlées ^[15]. Un environnement de réaction cryogénique offre également les avantages d’une sélectivité améliorée et de l’élimination des produits secondaires indésirables dans le processus de synthèse ^[16]. 

Des outils de cryo-imagerie pour la conception et le développement de médicaments

Le développement de la cryo-microscopie électronique permet de surmonter le problème inhérent à la destruction des molécules biologiques par les faisceaux d’électrons à haute énergie impliqués dans les techniques de microscopie électronique classiques.

Dans les techniques de cryo-microscopie électronique, la grille d’échantillon est immergée dans de l’éthane ou du propane liquide maintenu à -190 °C à l’aide d’azote liquide ^[17]. Cette approche est susceptible de jouer un rôle dominant dans la découverte de médicaments, en raison de la capacité d’imager les structures moléculaires jusqu’à une résolution de 1,25 angström ^[18].  Cela permet une élucidation précise de la structure et de la fonctionnalité des protéines ^[19], ainsi que des modes de liaison et du mécanisme d’action sous-jacent des médicaments pharmaceutiques au site cible ^[20]. De plus, ces techniques d’imagerie sont capables de générer des images à haute résolution des surfaces des virus pathogènes ^[21], permettant ainsi aux chercheurs d’identifier des sites cibles possibles pour les candidats médicaments.

Liens utiles pour plus d’informations

Articles en open access

Cours et formations

Vanapalli, S. Fundamentals of cryocoolers. European Cryogenics Course 2022. https://iifiir.org/en/fridoc/fundamentals-of-cryocoolers-145965

Willems, D., Benschop, T. Compact cryocooler developments. European Cryogenics Course 2022. https://iifiir.org/en/fridoc/compact-cryocooler-developments-145967

Remerciements

Ce document de synthèse a été préparé par Midhun Joy (Senior Research Scientist - Life Sciences Group, Air Liquide) et Srinivas Vanapalli (Université de Twente, membre de la commission A2 « Liquéfaction et séparation des gaz »). Il a été mis en page et traduit en français par Monique Baha (siège de l'IIF). Il a été relu par Philippe Lebrun (membre honoraire de la commission A1 "Cryophysique, cryogénie") et Nathalie de Grissac, sous la supervision de Jean-Luc Dupont (responsable du département d’information scientifique et technique).

Références

[1]     Koch-Weser, J. Bioavailability of Drugs. N Engl J Med 291, 233–237 (1974). https://doi.org/10.1056/nejm197408012910505

[2]     Rogers, T. L. et al. A novel particle engineering technology to enhance dissolution of poorly water soluble drugs: spray-freezing into liquid. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 54, 271–280 (2002). https://doi.org/10.1016/S0939-6411(02)00063-2

[3]     Kalepu, S. & Nekkanti, V. Insoluble drug delivery strategies: review of recent advances and business prospects. Acta Pharmaceutica Sinica B 5, 442–453 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apsb.2015.07.003

[4]     Yang, W., Owens, D. E. & Williams, R. O. Pharmaceutical Cryogenic Technologies. in Formulating Poorly Water Soluble Drugs (eds. Williams III, R. O., Watts, A. B. & Miller, D. A.) vol. 3 443–500 (Springer New York, 2012). https://doi.org/10.1007/978-1-4614-1144-4_11

[5]     Gurunath, S., Pradeep Kumar, S., Basavaraj, N. K. & Patil, P. A. Amorphous solid dispersion method for improving oral bioavailability of poorly water-soluble drugs. Journal of Pharmacy Research 6, 476–480 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jopr.2013.04.008

[6]     Overhoff, K. A. et al. Novel ultra-rapid freezing particle engineering process for enhancement of dissolution rates of poorly water-soluble drugs. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 65, 57–67 (2007). https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2006.07.012

[7]     https://www.fda.gov/media/75201/download.

[8]     https://www.chemcon.com/fileadmin/chemcon.de/04_Downloads/ChemCon_Inorganic_APIs.pdf.

[9]     https://bioprocessintl.com/manufacturing/monoclonal-antibodies/use-of-blast-freezers-in-vaccine-manufacture-322317/#CIT0006.

[10]  Maurer, M. & Oostenbrink, C. Water in protein hydration and ligand recognition. J Mol Recognit 32, (2019). https://doi.org/10.1002/jmr.2810

[11]  https://cdmo.seqens.com/api-manufacturing/cryogenics-how-cryogenic-capabilities-aid-api-development/.

[12]  Wu, G. & Huang, M. Organolithium Reagents in Pharmaceutical Asymmetric Processes. Chem. Rev. 106, 2596–2616 (2006). https://doi.org/10.1021/cr040694k

[13]  Pedersen, M. J. et al. Optimization of Grignard Addition to Esters: Kinetic and Mechanistic Study of Model Phthalide Using Flow Chemistry. Ind. Eng. Chem. Res. 57, 4859–4866 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b00564

[14]  https://cdmo.seqens.com/api-manufacturing/the-economics-of-cryogenic-chemistry-in-api-development/.

[15]  Rogers, T. L., Johnston, K. P. & Williams, R. O. Solution-Based Particle Formation of Pharmaceutical Powders by Supercritical or Compressed Fluid CO₂ and Cryogenic Spray-Freezing Technologies. Drug Development and Industrial Pharmacy 27, 1003–1015 (2001). https://doi.org/10.1081/DDC-100108363

[16]  Gombotz, W. Process for producing small particles of biologically active molecules. https://patents.google.com/patent/US6569458B1/en

[17]  Dubochet, J. & McDowall, A. W. Vitrification of pure water for electron microscopy. Journal of Microscopy 124, 3–4 (1981). https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.1981.tb02483.x

[18]  Yip, K. M., Fischer, N., Paknia, E., Chari, A. & Stark, H. Breaking the next Cryo-EM resolution barrier–Atomic resolution determination of proteins!. BioRxiv, 2020-05 (2020) https://doi.org/10.1101/2020.05.21.106740

[19]  Nakane, T., Kotecha, A., Sente, A. et al. Single-particle cryo-EM at atomic resolution. Nature 587, 152–156 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2829-0

[20]  Van Drie, J. H. & Tong, L. Cryo-EM as a powerful tool for drug discovery. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 30, 127524 (2020). https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2020.127524

[21]  Leigh, K. E. & Modis, Y. Imaging and visualizing SARS-CoV-2 in a new era for structural biology. Interface Focus. 11, 20210019 (2021). https://doi.org/10.1098/rsfs.2021.0019