Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont mis au point une technique pour observer, en temps réel, comment les composants sanguins individuels interagissent et modifient les thérapies avancées à base de nanoparticules. La méthode, développé par une équipe interdisciplinaire composée du clinicien-chercheur professeur adjoint Chester Lee Drum du département de médecine de la NUS Yong Loo Lin School of Medicine, Professeur T. Venky Venkatesan, Directeur du NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute, et le professeur adjoint James Kah du département de génie biomédical de la faculté de génie NUS, aide à guider la conception de futures nanoparticules pour interagir de concert avec les composants du sang humain, évitant ainsi les effets secondaires indésirables.

Cette recherche a été publiée en ligne dans la revue Petit , une revue multidisciplinaire de premier plan couvrant la recherche à l'échelle nano et micro, le 10 septembre 2015.

Défis de l'utilisation des nanoparticules dans les systèmes de diagnostic et d'administration de médicaments

Avec leur petite taille et leurs multiples fonctionnalités, les nanoparticules ont attiré une attention intense en tant que systèmes de diagnostic et d'administration de médicaments. Cependant, quelques minutes après avoir été délivré dans la circulation sanguine, les nanoparticules sont recouvertes d'une enveloppe de protéines sériques, également connue sous le nom de protéine « corona ».

« La liaison des protéines sériques peut modifier profondément le comportement des nanoparticules, entraînant parfois une élimination rapide par le corps et un résultat clinique diminué, " a déclaré le professeur adjoint Kah.

Les méthodes existantes telles que la spectroscopie de masse et l'estimation du rayon de diffusion, bien qu'utile pour étudier les paramètres importants des nanoparticules, ne sont pas en mesure de fournir des détails, cinétique de liaison en temps réel.

Nouvelle méthode pour comprendre les interactions nano-bio

L'équipe NUS, avec un collaborateur externe, le professeur Bo Liedberg de l'Université technologique de Nanyang, ont montré une cinétique hautement reproductible pour la liaison entre les nanoparticules d'or et les quatre protéines sériques les plus courantes :l'albumine sérique humaine, fibrinogène, apolipoprotéine A-1, et des IgG polyclonales.

"Ce qui est remarquable dans ce projet, c'est l'initiative prise par Abhijeet Patra, mon étudiant diplômé de la NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering, dans la conceptualisation du problème, et rassembler les différentes équipes de NUS et au-delà pour faire de ce programme un succès, " a déclaré le professeur Venkatesan. " Le développement clé est l'utilisation d'une nouvelle technique utilisant la technologie de résonance plasmonique de surface (SPR) pour mesurer la couronne de protéines formée lorsque des protéines communes dans la circulation sanguine se lient aux nanoparticules, " il ajouta.

Les chercheurs ont d'abord immobilisé les nanoparticules d'or à la surface d'une puce de capteur SPR avec une molécule de liaison. La puce a été spécialement modifiée avec une couche de polymère d'alginate qui a fourni à la fois une charge négative et des sites actifs pour l'immobilisation du ligand, et empêché la liaison non spécifique. En utilisant un réseau de canaux microfluidiques 6 x 6, ils ont étudié jusqu'à 36 interactions nanoparticules-protéines en une seule expérience, exécuter des échantillons de test aux côtés de contrôles expérimentaux.

« La reproductibilité et la fiabilité ont été un goulot d'étranglement dans les études sur les couronnes protéiques, " a déclaré M. Abhijeet Patra. " La qualité et la fiabilité des données dépendent avant tout de la conception de bonnes expériences de contrôle. Notre configuration SPR multiplexée était donc essentielle pour garantir la fiabilité de nos données. »

Tester différentes concentrations de chacune des quatre protéines, l'équipe a découvert que l'apolipoprotéine A-1 avait l'affinité de liaison la plus élevée pour la surface des nanoparticules d'or, avec une constante d'association presque 100 fois celle de la protéine d'affinité la plus faible, IgG polyclonale.

"Our results show that the rate of association, rather than dissociation, is the main determinant of binding with the tested blood components, " said Asst Prof Drum.

The multiplex SPR system was also used to study the effect of modification with polyethylene (PEG), a synthetic polymer commonly used in nanoparticle formulations to prevent protein accumulation. The researchers found that shorter PEG chains (2-10 kilodaltons) are about three to four times more effective than longer PEG chains (20-30 kilodaltons) at preventing corona formation.

"The modular nature of our protocol allows us to study any nanoparticle which can be chemically tethered to the sensing surface, " explained Asst Prof Drum. "Using our technique, we can quickly evaluate a series of nanoparticle-based drug formulations before conducting in vivo studies, thereby resulting in savings in time and money and a reduction of in vivo testing, " il ajouta.

The researchers plan to use the technology to quantitatively study protein corona formation for a variety of nanoparticle formulations, and rationally design nanomedicines for applications in cardiovascular diseases and cancer.