Une équipe de chercheurs de l'Université de Toronto en génie et de l'Université du Michigan a repensé et amélioré une enzyme naturelle qui s'avère prometteuse pour favoriser la repousse du tissu nerveux après une blessure.

Leur nouvelle version est plus stable que la protéine présente dans la nature, et pourrait conduire à de nouveaux traitements pour inverser les lésions nerveuses causées par une blessure traumatique ou un accident vasculaire cérébral.

« L'AVC est la principale cause d'invalidité au Canada et la troisième cause de décès, " déclare Molly Shoichet, professeure d'ingénierie à l'Université de Toronto, auteur principal d'une nouvelle étude publiée dans la revue Avancées scientifiques .

"L'un des principaux défis de la guérison après ce type de lésion nerveuse est la formation d'une cicatrice gliale."

Une cicatrice gliale est formée de cellules et de produits biochimiques qui s'assemblent étroitement autour du nerf endommagé. A court terme, cet environnement protecteur protège les cellules nerveuses d'autres blessures, mais à long terme, il peut inhiber la réparation nerveuse.

Il y a environ deux décennies, les scientifiques ont découvert qu'une enzyme naturelle connue sous le nom de chondroïtinase ABC, produite par une bactérie appelée Proteus vulgaris, peut dégrader sélectivement certaines des biomolécules qui composent la cicatrice gliale.

En changeant l'environnement autour du nerf endommagé, Il a été démontré que la chondroïtinase ABC favorise la repousse des cellules nerveuses. Dans les modèles animaux, cela peut même conduire à regagner une fonction perdue.

Mais les progrès ont été limités par le fait que la chondroïtinase ABC n'est pas très stable aux endroits où les chercheurs souhaitent l'utiliser.

"C'est assez stable pour l'environnement dans lequel vivent les bactéries, mais à l'intérieur du corps c'est très fragile, " dit Shoichet. " Il agrège, ou s'agglutine, ce qui lui fait perdre son activité. Cela se produit plus rapidement à température corporelle qu'à température ambiante. Il est également difficile de délivrer de la chondroïtinase ABC car elle est sensible à la dégradation chimique et aux forces de cisaillement généralement utilisées dans les formulations. »

Diverses équipes, dont celui de Shoichet, ont expérimenté des techniques pour surmonter cette instabilité. Certains ont essayé d'envelopper l'enzyme dans des polymères biocompatibles ou de la fixer à des nanoparticules pour l'empêcher de s'agréger. D'autres ont essayé de l'infuser lentement et progressivement dans les tissus endommagés, afin d'assurer une concentration constante sur le site de la blessure.

Mais toutes ces approches ne sont que des pansements—elles ne traitent pas le problème fondamental de l'instabilité.

Dans leur dernier article, Shoichet et ses collaborateurs ont essayé une nouvelle approche :ils ont modifié la structure biochimique de l'enzyme afin de créer une version plus stable.

"Comme toute protéine, la chondroïtinase ABC est composée de blocs de construction appelés acides aminés, " dit Shoichet. " Nous avons utilisé la chimie computationnelle pour prédire l'effet de l'échange de certains blocs de construction contre d'autres, dans le but d'augmenter la stabilité globale tout en maintenant ou en améliorant l'activité de l'enzyme."

"L'idée était probablement un peu folle, car comme dans la nature, une seule mauvaise mutation peut détruire la structure, " dit Mathew O'Meara, professeur de médecine computationnelle et de bioinformatique à l'Université du Michigan, et co-auteur principal du nouveau document.

"Il y a plus de 1, 000 maillons de la chaîne qui forme cette enzyme, et pour chaque lien, vous avez le choix entre 20 acides aminés, " dit-il. " Il y a trop de choix pour tous les simuler. "

Pour affiner l'espace de recherche, l'équipe a appliqué des algorithmes informatiques qui imitaient les types de substitutions d'acides aminés trouvés dans de vrais organismes. Cette approche, connue sous le nom de conception consensuelle, produit des formes mutantes de l'enzyme qui n'existent pas dans la nature, mais sont vraisemblablement comme ceux qui le font.

À la fin, l'équipe s'est retrouvée avec trois nouvelles formes candidates de l'enzyme qui ont ensuite été produites et testées en laboratoire. Tous les trois étaient plus stables que le type sauvage, mais un seul, qui avait 37 substitutions d'acides aminés sur plus de 1, 000 maillons de la chaîne, était à la fois plus stable et plus actif.

"La chondroïtinase ABC de type sauvage perd la majeure partie de son activité en 24 heures, alors que notre enzyme repensée est active pendant sept jours, " dit Marian Hettiaratchi, l'autre co-auteur principal de l'article. Un ancien stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Shoichet, Hettiaratchi est maintenant professeur de bio-ingénierie au Phil and Penny Knight Campus de l'Université de l'Oregon pour l'accélération de l'impact scientifique.

"C'est une énorme différence. Notre enzyme améliorée devrait dégrader encore plus efficacement la cicatrice gliale que la version couramment utilisée par d'autres groupes de recherche, " dit Hettiaratchi.

La prochaine étape consistera à déployer l'enzyme dans les mêmes types d'expériences où le type sauvage était précédemment utilisé.

"Quand nous avons commencé ce projet, on nous a conseillé de ne pas essayer car ce serait comme chercher une aiguille dans une botte de foin, " dit Shoichet. " Ayant trouvé cette aiguille, nous étudions cette forme de l'enzyme dans nos modèles d'accident vasculaire cérébral et de lésion de la moelle épinière afin de mieux comprendre son potentiel thérapeutique, soit seul, soit en combinaison avec d'autres stratégies."

Shoichet souligne la nature multidisciplinaire du projet comme la clé de son succès.

« Nous avons pu profiter de l'expertise complémentaire des auteurs pour mener à bien ce projet, et nous avons été choqués et ravis d'avoir autant de succès, " dit-elle. " C'est allé bien au-delà de nos attentes. "