Progrès dans la catalyse enzymatique pour les procédés de production d'API verts

Ces dernières années, l'industrie pharmaceutique s'est de plus en plus tournée vers la catalyse enzymatique comme alternative durable à la synthèse chimique traditionnelle, qui vise à réduire l'impact environnemental tout en améliorant l'efficacité de la production d'ingrédients pharmaceutiques actifs (IPA).Axée par le resserrement des exigences réglementaires et des engagements de durabilité des entreprises, les fabricants déploient maintenant des enzymes conçues pour remplacer les réactifs dangereux, réduire l'utilisation de solvants et réduire les besoins énergétiques.

L'importance de la chimie verte dans la production d'API

Les principes de chimie verte, tels qu'ils sont décrits dans Paul Anastas 12 principes, mettent l'accent sur la réduction des substances dangereuses, de la consommation d'énergie et de la production de déchets. La catalyse enzymatique s'harmonise parfaitement avec ces principes en offrant des réactions spécifiques, efficaces et respectueuses de l'environnement.

Les API sont des molécules complexes, qui nécessitent souvent des synthèses en plusieurs étapes qui génèrent 25 à 100 kg de déchets par kilogramme de produit. En remplaçant les catalyseurs chimiques par des enzymes, les entreprises peuvent atteindre une économie plus élevée d'atomes et réduire leur facteur d'impact environnemental. L'Environmental Protection Agency des États-Unis et l'American Chemical Chemical Institute ont tous deux reconnu les processus enzymatiques comme un levier clé pour parvenir à une fabrication plus durable.

Un avantage évident : les enzymes sont biodégradables et dérivées de sources renouvelables, contrairement à de nombreux catalyseurs de métaux lourds qui nécessitent une élimination soigneuse. La demande croissante d'API --verter--- des régulateurs et des consommateurs finaux accélère l'intégration de la biocatalyse dans les chaînes de production commerciales. Par exemple, la mise en place d'une voie transaminase pour le médicament antidiabétique sitagliptine a éliminé une étape d'hydrogénation à haute pression et réduit le total des déchets de 19% tout en améliorant le rendement de 10–13%.

Progrès récents dans la catalyse enzymatique

Les progrès de l'ingénierie des enzymes, tels que l'évolution dirigée et la modification des protéines, ont conduit à des enzymes dont la stabilité, l'activité et la portée du substrat ont été améliorées, ce qui permet aux enzymes de fonctionner efficacement dans des conditions industrielles, notamment en raison de concentrations élevées de substrats, de co-solvants organiques et de températures élevées qui étaient autrefois considérées comme incompatibles avec les catalyseurs biologiques.

Les algorithmes d'apprentissage automatique prédisent maintenant les effets de mutation et guident les ingénieurs vers des variantes thermostables et tolérantes aux solvants. Par exemple, Codexis (qui fait maintenant partie de Novozymes) a commercialisé de nombreuses enzymes conçues pour des applications pharmaceutiques, y compris les kétoréductases, les transaminases et les nitrilases qui fonctionnent à des échelles industrielles pertinentes. Ces enzymes sont maintenant disponibles dans des kits commerciaux, ce qui réduit la barrière pour l'adoption dans les laboratoires de développement de procédés.

Le développement d'enzymes immobilisées permet leur réutilisation, la réduction des coûts et la durabilité croissante des processus.Les biocatalyseurs nouveaux sont maintenant capables de catalyser des réactions complexes qui étaient auparavant difficiles ou impossibles avec des méthodes traditionnelles, telles que l'activation asymétrique C-H, l'oxydation sélective du site et les condensations de type aldol.La biocatalyse du flux, où les enzymes sont immobilisées dans des réacteurs à lit emballé, offre une production continue, un meilleur transfert de masse et une mise à l'échelle plus simple par rapport aux procédés de fabrication par lots.

Biotransformations enzymatiques et multi-étapes de Cascade

Les recherches récentes ont porté sur les cascades enzymatiques, où plusieurs étapes biocatalytiques se produisent dans un seul vaisseau de réaction sans isolement intermédiaire.Cette approche imite les voies métaboliques naturelles et réduit considérablement l'utilisation de solvants, le travail et les besoins en équipement. Par exemple, la synthèse d'un pot de l'isolatravir du médicament VIH utilisant des enzymes artificielles de Merck et Codexis a remplacé une voie chimique en 7 étapes par une cascade biocatalytique en 3 étapes, atteignant un rendement plus élevé et une réduction de 81 % des déchets.

Élargir la boîte à outils biocatalytique

Au-delà des hydrolases et des oxydoréductases, les nouvelles classes d'enzymes entrent dans la production de l'API. Les réductases et les enene-réductases permettent une réduction asymétrique des substrats prochiraux. Les carbène-transférases issues des protéines hémériques peuvent catalyser les cyclopropanations et les insertions auparavant exclusives aux catalyseurs de métaux de transition.

Applications dans la synthèse de l'API

Les processus enzymatiques sont de plus en plus utilisés dans la synthèse des composés chiraux, qui sont essentiels dans de nombreuses API. Leur stéréosélectivité élevée assure la production d'énantiomères purs, réduisant le besoin de purification extensive. Ceci est particulièrement utile pour les médicaments chiraux où un énantiomère est thérapeutiquement actif tandis que l'autre peut être toxique ou inactif. Par exemple, le médicament hypocholestérolémiant Atorvastatine utilise une enzyme kétoréductase pour fixer un centre chiral clé avec un excès d'énantiomère >99,9%.

On peut citer par exemple la synthèse d'antibiotiques (p. ex., céphalosporines par l'acylase de la pénicilline G), d'antiviraux (p. ex., le darunavir inhibiteur de la protéase du VIH à l'aide d'une transaminase) et d'agents anti-inflammatoires (p. ex., naproxène par résolution catalysée par lipase), où les enzymes fournissent des voies plus propres, plus sûres et plus rentables.

Histoires de réussite commerciale

Plusieurs implémentations historiques démontrent la maturité de la production d'API enzymatique. La production de Merck , de l'intermédiaire Januvia, a utilisé une transaminase qui a été conçue à travers 11 cycles d'évolution dirigée. Le processus résultant a effectué à 200 g/L de charge de substrat, avec 92% de rendement et 99,95% de pureté énantiomère.

Un fabricant chinois d'API a récemment rehaussé la synthèse catalysée par lipase d'une chaîne latérale de statine clé pour atteindre 10 000 litres de volumes de lots, ce qui a permis de réduire de 40 % les coûts de production par rapport à la voie chimique.

Défis et orientations futures

Malgré ces avancées, des défis subsistent, comme la stabilité des enzymes dans des conditions industrielles difficiles et l'évolutivité des processus biocatalytiques. La recherche continue vise à surmonter ces obstacles par la conception enzymatique et l'optimisation des processus. Par exemple, l'ingénierie protéique peut augmenter la thermostabilité en introduisant des liaisons disulfures ou par évolution à des températures élevées.

Les stratégies de dosage en phase gazeuse ou continue peuvent maintenir les concentrations faibles. L'ingénierie des solvants, utilisant des systèmes biphasiques ou des cosolvants, peut améliorer la solubilité sans inhiber l'enzyme. Des outils informatiques comme la dynamique moléculaire et les simulations quantiques/mécanique moléculaire (QM/MM) sont maintenant utilisés pour prédire la liaison des substrats et orienter la conception de variantes plus tolérantes.

De nombreuses agences acceptent maintenant les données provenant des voies biocatalytiques sans exiger de nouveau l'examen complet si le profil d'impureté final correspond au processus enregistré. Les directives de l'ICH Q11 sur le développement et la fabrication de substances médicamenteuses mentionnent explicitement la biocatalyse comme une technologie acceptable. La FDA américaine a publié plusieurs documents d'orientation encourageant l'utilisation de la fabrication continue et de la biocatalyse pour améliorer la qualité par la conception.

Intégration avec la fabrication continue

La combinaison de réactions enzymatiques et de traitement continu du flux est une zone de croissance majeure. Les biotransformations continues offrent un meilleur transfert de chaleur et de masse, une réduction des volumes de réacteur et un développement plus rapide des procédés. Plusieurs entreprises construisent des lignes de fabrication continues de bout en bout qui intègrent de multiples étapes enzymatiques avec purification en ligne.

Durabilité : métrique et analyse du cycle de vie

Pour quantifier les avantages, on applique de plus en plus l'évaluation du cycle de vie (ACV) pour comparer les voies enzymatiques avec les méthodes traditionnelles. Par exemple, une récente ACV d'une voie catalysée par lipase pour une API générique a montré une réduction de 60 % du potentiel de réchauffement planétaire et une réduction de 70 % de la consommation d'eau par rapport à la voie chimique.

L'avenir de la catalyse enzymatique dans la production d'API est prometteur, avec une innovation continue qui devrait faire de la fabrication verte la norme dans l'industrie pharmaceutique. Comme les outils de conception informatique mûrs et à haut débit deviennent moins chers, les délais de développement des enzymes diminuent d'années en mois. La convergence de la biocatalyse, de la chimie des flux et de l'analyse des processus va conduire à la prochaine vague de durabilité pharmaceutique, en fin de compte, fournir des médicaments plus sûrs à moindre coût environnemental.