Concevoir la nanomédecine pour lutter contre les maladies est un domaine brûlant de la recherche scientifique, principalement pour le traitement du cancer, mais très peu est connu dans le contexte de la maladie athéroscléreuse. Les scientifiques ont conçu une micropuce recouverte de cellules de vaisseaux sanguins pour en savoir plus sur les conditions dans lesquelles les nanoparticules s'accumulent dans les artères remplies de plaques de patients atteints d'athérosclérose, la cause sous-jacente de l'infarctus du myocarde et de l'accident vasculaire cérébral.

Dans la recherche, les puces étaient recouvertes d'une fine couche de cellules endothéliales, qui constituent la surface intérieure des vaisseaux sanguins. Dans les vaisseaux sanguins sains, les cellules endothéliales agissent comme une barrière pour garder les corps étrangers hors de la circulation sanguine. Mais sur les sites sujets à l'athérosclérose, la barrière endothéliale s'effondre, permettant aux choses d'entrer et de sortir des artères qui ne devraient pas le faire.

Dans une nouvelle étude, les nanoparticules ont pu traverser la couche de cellules endothéliales sur la micropuce dans des conditions qui imitent la couche perméable dans l'athérosclérose. Les résultats sur le dispositif microfluidique étaient bien corrélés avec l'accumulation de nanoparticules dans les artères d'un modèle animal atteint d'athérosclérose, démontrant la capacité de l'appareil à aider à cribler les nanoparticules et à optimiser leur conception.

"C'est un modèle simple, une puce électronique, pas une boîte de culture cellulaire - ce qui signifie qu'une simple micropuce endothélialisée avec des microélectrodes peut montrer une prédiction encore importante de ce qui se passe dans un grand modèle animal, " a déclaré YongTae (Tony) Kim, professeur adjoint en bio-ingénierie à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology.

La recherche a été publiée en janvier en ligne dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences . Ce travail représente un effort multidisciplinaire de chercheurs qui collaborent au sein du programme d'excellence en nanotechnologie financé par le National Heart, Poumon, et Institut du Sang, les Instituts nationaux de la santé (NIH). L'équipe comprend des chercheurs du David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research au MIT, l'école de médecine Icahn au mont Sinaï, le Centre médical universitaire d'Amsterdam, Institut de technologie de Kyushu au Japon, et la faculté de médecine de l'université de Boston et la faculté de médecine de Harvard.

Kim a commencé le travail en tant que boursier postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology (MIT) dans le laboratoire de Robert Langer.

« C'est un merveilleux exemple de développement d'une nouvelle approche nanotechnologique pour résoudre un problème médical important, " dit Robert Langer, le professeur David H. Koch Institute au Massachusetts Institute of Technology, qui est réputé pour son travail dans l'ingénierie tissulaire et l'administration de médicaments.

Kim et Langer ont fait équipe avec des chercheurs de l'école de médecine Icahn du mont Sinaï à New York. Marc Lobatto, co-auteur principal travaille dans les laboratoires de Willem Mulder, un expert en nanomédecine cardiovasculaire et Zahi Fayad, le directeur de l'Institut d'imagerie translationnelle et moléculaire du Mont Sinaï.

"Le travail représente une intégration unique de la technologie microfluidique, nanomédecine cardiovasculaire, biologie vasculaire et imagerie in vivo. Nous comprenons maintenant mieux comment fonctionne le ciblage des nanoparticules dans l'athérosclérose", déclare Lobatto.

Les chercheurs espèrent que leur micropuce pourra accélérer le processus de développement de la nanomédecine en prédisant mieux les performances des nanoparticules thérapeutiques dans des modèles animaux plus grands, comme les lapins. Un tel modèle in vitro complémentaire permettrait d'économiser du temps et de l'argent et nécessiterait moins d'animaux.

Peu de systèmes d'administration de médicaments à base de nanoparticules, par rapport aux études proposées, ont été approuvés par la Food and Drug Administration des États-Unis, dit Kim. L'ensemble du processus de développement d'une plate-forme de nanomédecine peut prendre 15 ans pour aller de l'idée à la synthèse, aux tests in vitro, aux tests in vivo et à l'approbation.

"C'est un processus frustrant, ", a déclaré Kim. "Souvent, ce qui fonctionne dans les boîtes de culture cellulaire ne fonctionne pas dans les modèles animaux."

Pour aider à accélérer la recherche en nanomédecine en améliorant les capacités prédictives des tests in vitro, Kim et ses collègues ont conçu leur micropuce pour imiter ce qui se passe dans le corps mieux que ce qui est actuellement possible grâce à la culture cellulaire de routine.

"À l'avenir, nous pouvons fabriquer des puces qui ressemblent beaucoup plus à ce qui se passe dans les modèles animaux, ou même des êtres humains, par rapport aux études sur boîtes de culture cellulaire conventionnelles, ", a déclaré Kim.

Sur leur puce électronique, les scientifiques peuvent contrôler la perméabilité de la couche de cellules endothéliales en modifiant le débit sanguin à travers les cellules ou en introduisant un produit chimique qui est libéré par le corps pendant l'inflammation. Les chercheurs ont découvert que la perméabilité des cellules sur la micropuce était bien corrélée avec la perméabilité des microvaisseaux dans un grand modèle animal d'athérosclérose.

Les micropuces permettent un contrôle précis de l'environnement mécanique et chimique autour des cellules vivantes. En utilisant la puce électronique, les chercheurs peuvent créer des conditions physiologiquement pertinentes pour les cellules en modifiant le débit sanguin à travers les cellules ou en introduisant un produit chimique qui est libéré par le corps pendant l'inflammation.

Kim a déclaré que bien que ce système basé sur une micropuce offre une meilleure prévisibilité que les expériences de culture cellulaire actuelles, cela ne remplacera pas la nécessité des études sur les animaux, qui fournissent une image relativement plus complète de l'efficacité d'un nanomédicament particulier chez l'homme.

"C'est mieux qu'une expérience de plat in vitro, mais cela ne va pas reproduire parfaitement ce qui se passe à l'intérieur du corps dans un avenir proche, ", a déclaré Kim. "Cela aidera à accélérer tout ce processus et à sauver un certain nombre d'animaux."