Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont été confrontés à des défis dans le développement de nouveaux antibiotiques alors même que les bactéries sont devenues de plus en plus résistantes aux médicaments existants. Une stratégie qui pourrait combattre une telle résistance serait de submerger les défenses bactériennes en utilisant des nanoparticules hautement ciblées pour délivrer de fortes doses d'antibiotiques existants.

Dans un pas vers cet objectif, des chercheurs du MIT et du Brigham and Women's Hospital ont développé une nanoparticule conçue pour échapper au système immunitaire et se loger sur les sites d'infection, puis déclencher une attaque antibiotique ciblée.

Cette approche atténuerait les effets secondaires de certains antibiotiques et protégerait les bactéries bénéfiques qui vivent normalement à l'intérieur de notre corps, dit Aleks Radovic-Moreno, un étudiant diplômé du MIT et auteur principal d'un article décrivant les particules dans la revue ACS Nano.

Professeur de l'Institut Robert Langer du MIT et Omid Farokzhad, directeur du Laboratoire de nanomédecine et de biomatériaux du Brigham and Women's Hospital, sont les auteurs principaux de l'article. Timothée Lou, professeur assistant en génie électrique et informatique, et les étudiants de premier cycle du MIT Vlad Puscasu et Christopher Yoon ont également contribué à la recherche.

Règles d'attraction

L'équipe a créé les nouvelles nanoparticules à partir d'un polymère coiffé de polyéthylène glycol (PEG), qui est couramment utilisé pour l'administration de médicaments car il est non toxique et peut aider les nanoparticules à voyager dans la circulation sanguine en échappant à la détection par le système immunitaire.

Leur prochaine étape consistait à induire les particules à cibler spécifiquement les bactéries. Les chercheurs ont déjà essayé de cibler les particules sur les bactéries en leur donnant une charge positive, qui les attire vers les parois cellulaires chargées négativement des bactéries. Cependant, le système immunitaire a tendance à éliminer les nanoparticules chargées positivement du corps avant qu'elles ne puissent rencontrer des bactéries.

Pour surmonter cela, les chercheurs ont conçu des nanoparticules porteuses d'antibiotiques qui peuvent changer de charge en fonction de leur environnement. Pendant qu'ils circulent dans le sang, les particules ont une légère charge négative. Cependant, lorsqu'ils rencontrent un site d'infection, les particules acquièrent une charge positive, leur permettant de se lier étroitement aux bactéries et de libérer leur charge utile de médicaments.

Ce basculement est provoqué par le milieu légèrement acide entourant les bactéries. Les sites d'infection peuvent être légèrement plus acides que les tissus corporels normaux si les bactéries pathogènes se reproduisent rapidement, épuiser l'oxygène. Le manque d'oxygène déclenche un changement dans le métabolisme bactérien, les conduisant à produire des acides organiques. Les cellules immunitaires du corps contribuent également :les cellules appelées neutrophiles produisent des acides lorsqu'elles essaient de consommer les bactéries.

Juste en dessous de la couche PEG externe, les nanoparticules contiennent une couche sensible au pH constituée de longues chaînes de l'acide aminé histidine. Lorsque le pH passe de 7 à 6 - ce qui représente une augmentation de l'acidité - la molécule de polyhistidine a tendance à gagner des protons, donnant à la molécule une charge positive.

Force écrasante

Une fois que les nanoparticules se lient aux bactéries, ils commencent à libérer leur charge utile de drogue, qui est noyé dans le noyau de la particule. Dans cette étude, les chercheurs ont conçu les particules pour délivrer de la vancomycine, utilisé pour traiter les infections résistantes aux médicaments, mais les particules pourraient être modifiées pour délivrer d'autres antibiotiques ou combinaisons de médicaments.

De nombreux antibiotiques perdent de leur efficacité à mesure que l'acidité augmente, mais les chercheurs ont découvert que les antibiotiques transportés par les nanoparticules conservaient mieux leur puissance que les antibiotiques traditionnels dans un environnement acide.

La version actuelle des nanoparticules libère sa charge utile de médicaments sur un à deux jours. « Vous ne voulez pas juste une courte rafale de drogue, parce que les bactéries peuvent récupérer une fois que le médicament est parti. Vous voulez une libération prolongée du médicament afin que les bactéries soient constamment touchées par de grandes quantités de médicament jusqu'à ce qu'elles soient éradiquées, », dit Radovic-Moreno.

Jeune Jik Kwon, professeur agrégé de génie chimique et de science des matériaux à l'Université de Californie à Irvine, affirme que les nouvelles nanoparticules sont bien conçues et pourraient avoir un impact potentiel important dans le traitement des maladies infectieuses, notamment dans les pays en développement. « La plupart des nanotechnologies ont été ciblées sur l'administration ou l'imagerie de médicaments anticancéreux; peu de gens ont manifesté leur intérêt pour l'utilisation d'une approche nanotechnologique pour les maladies infectieuses, " dit Kwon, qui ne faisait pas partie de l'équipe de recherche.

Bien que des développements supplémentaires soient nécessaires, les chercheurs espèrent que les fortes doses délivrées par leurs particules pourraient éventuellement aider à vaincre la résistance bactérienne. « Quand les bactéries sont résistantes aux médicaments, cela ne signifie pas qu'ils cessent de répondre, cela signifie qu'ils réagissent mais seulement à des concentrations plus élevées. Et la raison pour laquelle vous ne pouvez pas les atteindre cliniquement est que les antibiotiques sont parfois toxiques, ou ils ne restent pas assez longtemps sur ce site d'infection, », dit Radovic-Moreno.

Un défi possible :il existe également des cellules tissulaires et des protéines chargées négativement sur les sites d'infection qui peuvent rivaliser avec les bactéries en se liant aux nanoparticules et potentiellement les empêcher de se lier aux bactéries. Les chercheurs étudient à quel point cela pourrait limiter l'efficacité de leur livraison de nanoparticules. Ils mènent également des études sur des animaux pour déterminer si les particules resteront sensibles au pH dans le corps et circuleront suffisamment longtemps pour atteindre leurs cibles.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.