Cette illustration représente des molécules d'ADN (vert clair), conditionnés en nanoparticules en utilisant un polymère avec deux segments différents. Un segment (sarcelle) porte une charge positive qui le lie à l'ADN, et l'autre (marron) forme un revêtement protecteur sur la surface des particules. En ajustant le solvant entourant ces molécules, les chercheurs de Johns Hopkins et de Northwestern ont pu contrôler la forme des nanoparticules. Les tests sur les animaux de l'équipe ont montré que la forme d'une nanoparticule pouvait considérablement affecter l'efficacité avec laquelle elle délivre une thérapie génique aux cellules. Les images de dessins animés au premier plan, obtenu par modélisation informatique, correspond étroitement aux images de fond gris, qui ont été recueillies par microscopie électronique à transmission. Crédits :Wei Qu, Université du nord-ouest, dessins animés de simulation; Xuan Jiang, Université Johns Hopkins, images microscopiques
Des chercheurs des universités Johns Hopkins et Northwestern ont découvert comment contrôler la forme des nanoparticules qui déplacent l'ADN dans le corps et ont montré que la forme de ces supports peut faire une grande différence dans leur efficacité dans le traitement du cancer et d'autres maladies.
Cette étude, à paraître dans l'édition en ligne du 12 octobre de la revue Matériaux avancés , est également remarquable car cette technique de thérapie génique n'utilise pas de virus pour transporter l'ADN dans les cellules. Certains efforts de thérapie génique qui reposent sur des virus ont posé des risques pour la santé.
"Ces nanoparticules pourraient devenir un véhicule d'administration plus sûr et plus efficace pour la thérapie génique, ciblant les maladies génétiques, le cancer et d'autres maladies qui peuvent être traitées avec la médecine génique, " dit Hai-Quan Mao, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à la Whiting School of Engineering de Johns Hopkins.
Mao, co-auteur de la Matériaux avancés article, développe des nanoparticules non virales pour la thérapie génique depuis une décennie. Son approche consiste à comprimer des extraits sains d'ADN dans des revêtements polymères protecteurs. Les particules sont conçues pour ne délivrer leur charge utile génétique qu'après avoir traversé la circulation sanguine et pénétré dans les cellules cibles. Au sein des cellules, le polymère se dégrade et libère de l'ADN. En utilisant cet ADN comme modèle, les cellules peuvent produire des protéines fonctionnelles qui combattent la maladie.
Une avancée majeure dans ce travail est que Mao et ses collègues ont rapporté qu'ils étaient capables de "régler" ces particules sous trois formes, ressemblant à des tiges, des vers et des sphères, qui imitent les formes et les tailles des particules virales. "Nous avons pu observer ces formes en laboratoire, mais nous n'avons pas bien compris pourquoi ils ont pris ces formes et comment bien contrôler le processus, " a déclaré Mao. Ces questions étaient importantes parce que le système de livraison d'ADN qu'il envisage peut nécessiter des formes uniformes.
Pour résoudre ce problème, Mao a demandé de l'aide il y a environ trois ans à des collègues de Northwestern. Alors que Mao travaille dans un laboratoire humide traditionnel, les chercheurs de Northwestern sont des experts dans la conduite d'expériences similaires avec des modèles informatiques puissants.
Erik Luijten, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux et de mathématiques appliquées à la McCormick School of Engineering and Applied Science de Northwestern et co-auteur de l'article, a dirigé l'analyse informatique des résultats pour déterminer pourquoi les nanoparticules se sont formées en différentes formes.
"Nos simulations informatiques et notre modèle théorique ont fourni une compréhension mécaniste, identifier ce qui est responsable de ce changement de forme, ", a déclaré Luijten. "Nous pouvons maintenant prédire avec précision comment choisir les composants des nanoparticules si l'on veut obtenir une certaine forme."
L'utilisation de modèles informatiques a permis à l'équipe de Luijten d'imiter les expériences de laboratoire traditionnelles à un rythme beaucoup plus rapide. Ces simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées sur Quest, Le système informatique haute performance de Northwestern. Les calculs étaient si complexes que certains d'entre eux nécessitaient 96 processeurs informatiques fonctionnant simultanément pendant un mois.
Dans leur papier, les chercheurs ont également voulu montrer l'importance de la forme des particules dans l'administration de la thérapie génique. Les membres de l'équipe ont effectué des tests sur les animaux, utilisant tous les mêmes matériaux particulaires et le même ADN. La seule différence résidait dans la forme des particules :bâtonnets, des vers et des sphères.
"Les particules en forme de ver ont donné 1, 600 fois plus d'expression génique dans les cellules hépatiques que les autres formes, ", a déclaré Mao. "Cela signifie que la production de nanoparticules sous cette forme particulière pourrait être le moyen le plus efficace d'administrer une thérapie génique à ces cellules."
Les formes de particules utilisées dans cette recherche sont formées en emballant l'ADN avec des polymères et en les exposant à diverses dilutions d'un solvant organique. l'aversion de l'ADN pour le solvant, avec l'aide du polymère conçu par l'équipe, provoque la contraction des nanoparticules dans une certaine forme avec un "bouclier" autour du matériel génétique pour le protéger des cellules immunitaires.
