Le scandale opaque de l’oxycodone (aux USA).

1024px-Papaver_bracteatum_im_Botanischen_Garten_Erlangen

L’oxycodone est une molécule dérivée de la thébaïne, proche de la morphine et de la codéine. Elle est interdite en France car elle est classée comme stupéfiant. Aux USA, on pourrait dire qu’elle est presque en vente libre puisqu’entre 1993 et 2015 la production de cet analgésique normalement réservé au traitement des douleurs liées à des cancers en remplacement de la morphine a été multipliée par 39 ! Tout ça avec l’approbation de la FDA et de l’agence anti-drogues (DEA ou Drug Enforcement Agency). En 22 ans la production est passée de 3520 à 137500 kilos, à croire qu’au cours de ces 22 années 39 fois plus d’Américains souffrent de douleurs récurrentes. Mais ce n’est pas tout, comme on peut le constater sur l’illustration ci-dessous la FDA a aussi autorisé la production d’hydrocodone et de morphine. Le fentanyl n’est pas un dérivé de la thébaïne mais agit comme un opioïde avec un effet 50 fois plus puissant que la morphine et 100 fois plus puissant que l’héroïne avec des effets d’accoutumance prononcés. Il est aussi utilisé pour traiter les douleurs liées à des cancers. Quant à l’hydromorphone c’est aussi une dérivé de la thébaïne, le pendant de la morphine, comme l’hydrocodone est le pendant de la codéine.

Capture d’écran 2015-10-21 à 18.36.17

Bref, les choses se passent de la manière suivante. La DEA organise une réunion ultra-secrète avec les fabricants et distribue des quotas à chacun. Les informations ne sont pas rendues publiques, seule la quantité globale produite est connue. La production d’oxycodone augmentera encore légèrement en 2016, tout va très bien … On est donc en présence d’un lobbying caractérisé car les compagnies pharmaceutiques n’ont eu de cesse de clamer que ces dérivés de la thébaïne étaient des opioïdes sans danger. Des millénaires de pratique de l’opium directement dérivé du pavot – comme la thébaïne (voir infra) – contredisent clairement les affirmations de ces pharmaciens. Exemple : entre 1999 et 2015 il y a eu seulement aux USA 220000 morts par overdoses d’héroïne (illégale) ou d’opioïdes autorisés sur ordonnance. En 2013 seulement sur 37000 morts par overdose 16000 cas furent provoqués par l’oxycodone …

Les laboratoires pharmaceutiques et le corps médical exercent une sorte de chantage sur la DEA (et la FDA par voie de conséquence) car si les quotas d’oxycodone diminuent alors les prix augmenteront et les patients souffriront. Or l’oxycodone en particulier est utilisée comme substitut à l’héroïne. On assiste donc à une sorte de complicité entre les autorités de régulation, les laboratoires fabricant entre autres opioïdes l’oxycodone et les médecins qui prescrivent ce produit aux patients ne souffrant pas nécessairement de douleurs mais étant plutôt en état de manque d’héroïne.

Une autre question se pose en dehors du fait qu’il y a à l’évidence un usage dévié des opioïdes aux USA, d’où provient la thébaïne ? La DEA a fixé en 2014 les quotas de production de thébaïne à 145 tonnes à partir du pavot Papaver bracteatum qui ne contient pas de morphine mais essentiellement de la thébaïne. Il faut 1 kg de thébaïne pour produire environ 1 kilo d’oxycodone (137 tonnes) ? Il y a comme un lézard puisqu’un hectare de pavot produit au mieux entre 1,5 et 2 kilos de thébaïne … Il faut donc 90000 hectares de cultures de pavot pour la seule production de thébaïne outre la culture de celui utilisé pour la production de morphine et de codéine, elle-même dérivée de la morphine. Ces deux opioïdes sont en effet produits à partir d’une autre variété de pavot, le Papaver somniferum dont la culture est étroitement contrôlée, et ne fait pas l’objet de ce billet. L’administration américaine a donc, par une attitude laxiste scandaleuse déplacé le problème de l’héroïne sur son propre sol en permettant aux laboratoires pharmaceutiques de réaliser des profits au passage et en toute légalité. C’est pas beau la vie ?

Source et illustration, The Daily Beast, photo Papaver bracteatum (Wikipedia)

Voir aussi les billets des 4 septembre 2014 et 15 août 2015 sur ce blog

Vers la biosynthèse totale des opiacés par des levures : un nouveau pas de franchi

Cette fois je ne vais pas abonder dans le sensationnel car le chemin est encore bien long avant une application industrielle des travaux conduits dans le laboratoire de bioengineering de l’Université de Stanford sous la direction du Docteur Christina Smolke. La publication des récents travaux dont j’avais relaté l’état d’avancement en septembre 2014 dans ce blog (voir le lien) a fait l’effet d’une petite bombe dans les milieux journalistiques avides de bonnes (ou de mauvaises) nouvelles. Comme Christina le reconnaît il faut maintenant oeuvrer pour améliorer le rendement de production de la thébaïne et de l’hydrocodone par des levures hautement modifiées génétiquement, comme on va le voir, d’un facteur d’environ 7 millions pour que l’opération soit envisageable industriellement. Un immense travail reste à faire pour optimiser une machinerie enzymatique extrêmement complexe essentiellement étrangère à la levure mais une étape cruciale a été franchie, et c’est l’objet de la publication dans le journal Science ( DOI: 10.1126/science.aac9373 ), la conversion enzymatique de la (S)-réticuline en l’isomère (R) après une manipulation génétique de haut vol permettant l’expression de cet enzyme afin qu’il puisse, pour le moment, réaliser cette étape essentielle vers l’obtention de thébaïne et d’hydrocodone. Pour les non-initiés, dont je fais partie, la thébaïne est le précurseur de la morphine et de la codéine, les deux médicaments les plus prescrits dans le monde et l’hydrocodone, interdite en France et de nombreux autres pays, qui est aussi un puissant analgésique présentant comme la codéine des propriétés antitussives. Ces deux molécules sont issues du pavot cultivé à cette fin. Pour produire 5 pilules de codéine et de morphine il faut un mètre carré de pavot et le pavot ne se récolte qu’une fois l’an. Ce serait donc une immense amélioration si on pouvait réaliser ce type de production avec des fermenteurs de 100 m3, une taille moyenne dans la bio-industrie.

Capture d’écran 2015-08-14 à 20.33.00Pour la petite histoire, l’équipe de Christina a inséré pas moins de 6 nouveaux gènes étrangers variés dans la levure, « éteint » l’expression d’un des gènes de la dite levure et inséré deux autres gènes modifiés comme le montre l’illustration ci-dessous, tout en réalisant des modifications profondes dans l’expression de divers gènes de la levure afin de l’orienter vers cette voie métabolique plutôt que de faire de l’alcool quand on lui donne des sucres comme toute nourriture :

Capture d’écran 2015-08-14 à 19.20.00

En gris clair, les gènes résidents de la levure, en gris sombres les gènes de la levure dont l’expression a été amplifiée, en vert les gènes issus de diverses variétés de pavot et de plantes (Papaver somniferum et bracteatum, Coptis japonica, Eschscholzia californica), en violet un gène issu du rat (Rattus norvegicus) et en orange deux gènes issus d’une bactérie (Pseudomonas putida). Les flèches surlignées représentent des gènes manipulés de telle sorte qu’ils soient exprimés dans le bon compartiment cellulaire et que l’activité de l’enzyme correspondant soit bien celle attendue. Il s’agit en particulier de l’enzyme DRS-DRR et du suivant, SalSyn, dans la voie de biosynthèse. Ces deux étapes méritent qu’on s’y attarde un peu pour bien mettre en évidence la complexité du travail réalisé à l’Université de Stanford par cette équipe restreinte.

Chimiquement et par voie de conséquence biologiquement, passer de la (S)-réticuline à son isomère (R) ne peut se faire qu’en deux étapes distinctes faisant intervenir un cofacteur appelé cytochrome P-450 dans un processus d’oxydation suivi d’une réduction et il a fallu la sagacité admirable de l’équipe de Christina Smolke qui a rapproché des chimistes et des biologistes pour découvrir que dans un pavot (P. bracteatum) un gène exprimait un enzyme hybride qui réalisait les deux étapes simultanément, une sorte d’ingénierie génétique naturelle. Il a fallu ensuite optimiser – pour le moment du moins puisque ce travail reste au stade actuel démonstratif de la faisabilité du processus – l’étape suivante catalysée par l’enzyme appelé SalSyn qui fait apparaître un nouveau cycle à 6 atomes pour produire la salutaridine toujours avec l’aide d’un cytochrome. Cet enzyme est normalement recouvert d’un sucre, on dit qu’il est glycosylé dans la plante, mais ça ne marchait pas du tout dans la levure. Il a donc aussi fallu modifier le gène de cet enzyme afin qu’il se conforme correctement dans la cellule de levure et fonctionne de manière satisfaisante.

Passons sur la sophistication stupéfiante du travail réalisé, toujours est-il qu’au final ces levures fabriquent bien au final de l’hydrocodone et de la thébaïne, les deux produits susceptibles d’être utilisés pour synthétiser la codéine et la morphine en s’affranchissant de la culture risquée du pavot. Au total il aura fallu mettre en œuvre l’expression de pas moins de 21 gènes étrangers, la sur-expression de deux gènes de la levure et l’extinction d’un gène de la même levure, ce qui n’est pas indiqué dans la figure ci-dessous (Stanford University) :

Capture d’écran 2015-08-15 à 08.47.24

Le Docteur Smolke est formelle, il reste beaucoup de travail à réaliser et l’excitation de la presse n’est pas encore de mise. Il a fallu plusieurs années pour réussir la production industrielle par des levures d’acide artémisinique, précurseur de l’artémisinine, une drogue active pour tuer le Plasmodium de la malaria. Le challenge réside donc maintenant dans l’optimisation de l’ensemble des promoteurs des différents gènes impliqués dans cette voie métabolique afin que la biosynthèse soit optimale tout en préservant une croissance satisfaisante des levures.

https://jacqueshenry.wordpress.com/2014/09/04/quand-les-levures-produisent-de-la-morphine-et-de-la-codeine/

Article paru dans Science aimablement communiqué par le Docteur Christina Smolke. Illustrations : Science et laboratoire du Dr Smolke

Quand les levures produisent de la morphine et de la codéine !

800px-Mohn_z06

On parle de la drogue, de l’héroïne et de bien d’autres produits illicites, illégaux, considérés comme des dangers pour la civilisation « bon chic bon genre » à tel point que depuis des décennies l’usage de tels produits entretient une criminalité internationale contre laquelle toutes les actions gouvernementales ont échoué et continueront à échouer. Prenons l’exemple de l’Afghanistan, pays dans lequel se sont empêtré les Américains et qui ont ignoré la culture intensive du pavot alors que celle-ci constituait pour les bandes armées qu’ils combattaient sur le terrain le seul moyen de financer leur lutte. Pour abonder dans le surréalisme, les dérivés du pavot constituent un ensemble de thérapeutiques essentielles dans la médecine de tous les jours et les évènements de l’Afghanistan ont conduit les entreprises pharmaceutiques à songer à s’affranchir des restrictions (pour faits de guerre) relatives à l’approvisionnement en opioïdes dérivés du Papaver somniferum, cette plante qui a été à la source de conflits récurrents comme par exemple la guerre de l’opium qui opposa l’Empire Britannique à celui du Milieu à la fin du XIXe siècle. On pourrait consacrer un billet entier au rôle que tint l’opium dans les sociétés occidentales bien-pensantes des années passées, toujours est-il que l’héroïne est toujours considérée comme une drogue illicite dans la plupart des pays du monde alors qu’il y a encore trente ans des fumeries existaient au coin de la rue ne serait-ce qu’à Port-Vila, aux Nouvelles-Hébrides, ce condominium franco-anglais où tous les vices étaient tolérés et même encouragés.

Les choses ont changé et le conflit afghan a poussé les compagnies pharmaceutiques pourvoyeuses d’opioïdes à reconsidérer leurs sources d’approvisionnement en matière première pour préparer, conditionner et commercialiser les principaux analgésiques issus du pavot qui sont universellement utilisés dans le monde entier, même si l’Afghanistan n’a jamais constitué l’essentiel de la production de pavot destiné à l’industrie pharmaceutique. La production de morphine et de codéine à usage médical nécessite le traitement industriel de milliers de tonnes de pavot chaque année et des pays comme la Hongrie, l’Autriche, l’Allemagne ou encore la France et l’Australie contribuent à cette industrie finalement pas très lucrative mais qui doit satisfaire à la demande constante des hôpitaux car mis à part la morphine on n’a toujours pas trouvé de traitements réellement efficaces contre certaines douleurs …

Le pavot est donc aussi la source incontournable de la codéine, une molécule largement utilisée comme antitussif et anti-diarrhéique, mais il y a aussi dans le pavot la papavérine, un vasodilatateur puissant et la thébaïne, précurseur pour la synthèse d’autres dérivés opioïdes comme l’hydrocodone ou l’hydromorphone. Bref l’un des soucis des compagnies pharmaceutiques du monde entier est d’assurer ses arrières en termes d’approvisionnement pour extraire et produire tous ces dérivés issus du pavot. Pour des raisons faciles à comprendre quand on contemple la structure de la morphine et de la codéine, la morphine étant en tous points identique à la codéine excepté pour le groupement méthyle fixé  sur un oxygène (CH3) qui est absent dans la molécule de morphine :

298px-Codein_-_Codeine.svg

leur synthèse en laboratoire et a fortiori dans une usine n’est pas économiquement viable et n’a d’ailleurs jamais été envisagée sérieusement. C’est pourquoi le rêve des chimistes est de forcer des microorganismes à faire en sorte qu’après des modifications génétiques adéquates ils deviennent capables d’assumer cette nouvelle tache. On a bien fait en sorte que des bactéries synthétisent de l’insuline, pourquoi pas la morphine ?

En fait obliger une bactérie à fabriquer de l’insuline n’est pas très compliqué puisque l’insuline est une vulgaire petite protéine. Un peu de manipulation génétique et le tour est joué car la bactérie dispose de tout l’équipement requis pour une telle tâche. Mais synthétiser une molécule de morphine est une toute autre histoire car la plante, le pavot, a imaginé des activités catalytiques complètement inattendues pour ne pas dire ésotériques aux yeux des biochimistes pour arriver à un résultat aussi inattendu en terme de structure, pour les adeptes de la chimie il s’agit de la famille des benzylisoquinolines, c’est dit ! Tenter de modifier par sélection le pavot pour obtenir de meilleurs rendements est une vue de l’esprit car la voie de biosynthèse est tellement complexe qu’on aboutirait fatalement à l’accumulation d’intermédiaires qui finiraient par bloquer l’ensemble du système de biosynthèse. On est arrivé, par exemple, après des travaux titanesques à réussir à faire fabriquer en quantités négligeables de l’artémisidine par des levures mais le succès commercial reste encore à prouver.

Les enjeux économiques et politiques étant immenses car la morphine est le premier analgésique utilisé et la codéine l’un des produits les plus prescrits dans le monde ont conduit de nombreux laboratoires universitaires à détricoter le schéma de la biosynthèse de cette molécule, d’en identifier tous les gènes, donc les enzymes impliqués, et de tenter d’introduire toute cette information génétique dans le meilleur ami de l’homme, la levure. En effet, la levure dispose de toutes sortes de ressource qui sont absentes dans une bactérie triviale comme Escherichia coli tout juste bonne à produire une protéine qui pourra servir de matière première pour élaborer un vaccin. La synthèse d’une molécule comme la morphine fait de plus appel à une compartimentation intracellulaire or les bactéries sont dénuées de ce type de spécialisation à l’échelle microscopique. En effet, il faut arriver, dans une voie métabolique complexe, à faire en sorte qu’un intermédiaire ne s’accumule pas dans un compartiment cellulaire spécifique et c’est pourquoi la levure, après tout assez proche de nous et aussi des plantes, semblait être le matériel biologique le plus apte à être modifié pour tenter de reproduire ce qui se passe dans le pavot.

C’est ce que poursuit inlassablement depuis plus de dix ans une petite équipe de biologistes du Département de Bioengineering de l’Université de Stanford en Californie dirigée par le Docteur Christina Smolke.

Pour comprendre la suite de cet exposé il est malheureusement nécessaire de faire un petit rappel de la voie de biosynthèse de la morphine et de ses proches cousins dans le pavot et beaucoup de mes lecteurs vont croire que je prends un malin plaisir à les « stupéfier » avec des formules chimiques imbuvables …

800px-Morphine_biosynthesis

 

Cette voie de biosynthèse comprend pas moins de 17 étapes et il est difficile d’en calculer le rendement final puisqu’il s’agit d’un processus biologique contrairement à la synthèse chimique que l’on contrôle étape par étape ( voir : http://www.scs.illinois.edu/denmark/presentations/2006/gm-2006-01n31.pdf ). L’idée était au départ d’ignorer les premières étapes de la biosynthèse et d’orienter la levure à produire de la morphine à partir de la thébaïne, l’un des intermédiaires naturels qui représente jusqu’à 2 % des alcaloïdes du pavot, la codéine et la morphine représentant respectivement 4 et 12 % de ces derniers. En effet maîtriser une telle voie de biosynthèse ne peut être atteint que par étapes successives. L’équipe du Docteur Smolke avait déjà mis au point une levure capable de produire avec des rendements satisfaisants la réticuline à partir d’un aminoacide très commun, la tyrosine, puis la thébaïne à partir de cette même réticuline. Restait la dernière et cruciale étape du travail consistant à faire exprimer par la levure, mais pas nécessairement la même souche transformée préalablement, les bons enzymes pour le passage de la thébaïne à la codéine et enfin à la morphine. Or il s’est trouvé que la levure n’est pas un tissu structuré comme une plante qui possède divers types de cellules et localise certaines étapes de synthèse dans un type bien précis de cellules. Les levures ont en quelque sorte privilégié des voies alternatives pour passer de la thébaïne à la codéine alors que la plante optimise la production de l’un ou l’autre des produits finaux.

L’astuce a été d’introduire un nombre adéquat de copies des gènes des divers enzymes du pavot dans la levure afin d’obtenir à peu près cette optimisation et en ajoutant un morceau de protéine à certains enzymes pour qu’ils se localisent spontanément par exemple sur une membrane intra-cellulaire, tout ça naturellement par ingénierie génétique en fabriquant des sortes de protéines hybrides pour les contraindre à, par exemple, se trouver au même endroit et réduire ainsi les risques de transformation spontanée de certains intermédiaires de la biosynthèse qui réduisent le rendement final. L’autre intérêt de cette « haute couture » à l’échelle de l’ADN a été de dévier également le travail imposé à la levure en l’obligeant à produire d’autres opiacés présentant un intérêt thérapeutique encore plus intéressant que ceux de la codéine ou de la morphine. Enfin la dernière action pour infléchir cette synthèse dans le sens souhaité est de forcer l’activité de l’un ou l’autre enzyme en ajoutant dans le milieu de culture l’un des substrats utilisés par l’enzyme, dans ce cas tout simplement du glutamate qui se transforme dans la levure en 2-oxoglutarate et active les étapes de transformation de la thébaïne en néopinone et de la codéine en morphine :

Capture d’écran 2014-09-02 à 16.20.25

 

Figure tirée de l’article de Nature aimablement transmis par le Docteur Christina Smolke. T6ODM : Thébaïne-6-O-demethylase, CODM : codéine-O-demethylase, COR : codeinone reductase, seulement pour les curieux.

Enfin, l’un des intérêt de ces modifications génétiques complexes est d’obtenir des levures qui sont capables de produire de l’hydrocodone qui est un plus puissant antitussif que la codéine avec des effets secondaires hypnotiques, type morphine, amoindris, malgré d’autres effets secondaires comme la mort soudaine d’enfants traités par ce produit, ce qui n’est pas anodin on en conviendra. La technique développée à l’Université de Stanford reste tout de même intéressante car elle permettra également de produire l’hydromorphone à moindre frais, un analogue de la morphine 15 fois plus puissant et atteignant le système nerveux central très rapidement. Cette déviation a été réalisée en introduisant dans les levures les gènes d’enzymes présents dans des bactéries qui se multiplient sur les résidus d’extraction des pavots. Il s’agit donc d’un travail remarquable dans la mesure où dans un avenir peut-être proche il ne sera plus nécessaire de cultiver du pavot pour produire la morphine et la codéine.

Sources : University of Stanford et Nature Chemical Biology, article aimablement communiqué par le Docteur Christina Smolke