Les scientifiques de Johns Hopkins Medicine rapportent qu'ils ont créé un minuscule, contenant de taille nanométrique qui peut se glisser à l'intérieur des cellules et fournir des médicaments à base de protéines et des thérapies géniques de toute taille, même les plus lourds, attachés à l'outil d'édition de gènes appelé CRISPR. Si leur création, construite à partir d'un polymère biodégradable, passe plus de tests en laboratoire, il pourrait offrir un moyen de transporter efficacement des composés médicaux plus gros dans des cellules cibles spécifiquement sélectionnées.

Un rapport sur leur travail apparaît dans le numéro du 6 décembre de Avancées scientifiques .

"La plupart des médicaments se répandent dans tout le corps de manière indiscriminée et ne ciblent pas une cellule spécifique, " dit l'ingénieur biomédical Jordan Green, Doctorat., chef de l'équipe de recherche. « Certains médicaments, comme les anticorps, s'accrocher à des cibles sur les récepteurs de surface de la cellule, mais nous n'avons pas de bons systèmes pour amener des médicaments biologiques directement à l'intérieur d'une cellule, c'est là que les thérapies auraient les meilleures chances de fonctionner correctement et avec moins d'effets secondaires. »

De nombreux scientifiques universitaires et commerciaux recherchent depuis longtemps de meilleurs systèmes de transit pour les thérapies, dit Vert, professeur de génie biomédical, ophtalmologie, oncologie, neurochirurgie, science et ingénierie des matériaux, et le génie chimique et biomoléculaire à la faculté de médecine de l'Université Johns Hopkins, et membre du Bloomberg~Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy à Johns Hopkins.

Certaines techniques disponibles dans le commerce utilisent des formes dépouillées de virus - connus pour leur capacité à "infecter" directement les cellules - pour délivrer des thérapies, bien que les versions non infectieuses de ces systèmes d'administration puissent déclencher une réponse indésirable du système immunitaire. D'autres thérapies visant les cellules sanguines malades, par exemple, sont plus encombrants, exiger le prélèvement du sang des patients, puis zappé avec un courant électrique qui ouvre des pores dans la membrane cellulaire pour y pénétrer.

Le conteneur nanométrique que Green et son équipe ont développé à Johns Hopkins emprunte une idée aux propriétés des virus, dont beaucoup sont de forme presque sphérique et portent à la fois des charges négatives et positives. Avec une charge globale plus neutre, les virus peuvent s'approcher des cellules. Ce n'est pas le cas de nombreux médicaments biologiques, qui se composent de très chargé, grosses protéines et acides nucléiques qui ont tendance à repousser les cellules.

Pour surmonter cela, l'étudiant diplômé Yuan Rui a développé un nouveau matériau polymère biodégradable. Le polymère est le terme général désignant une substance composée de plusieurs molécules. Pour fabriquer le polymère, Rui enchaînait, comme les branches d'un arbre, quatre molécules qui, heures supplémentaires, se décomposer et se dissoudre dans l'eau. Les molécules contiennent à la fois des charges positives et négatives.

Avec un solde de charges positives et négatives, les molécules poussent et tirent selon leur charge et leurs atomes d'hydrogène se lient avec une thérapie biologique à proximité. Le résultat est une nano-structure contenant la thérapie biologique.

Les charges positives du conteneur nanométrique interagissent avec la membrane d'une cellule, et le conteneur est englouti dans un emballage cellulaire appelé endosome.

Une fois à l'intérieur, le conteneur nanométrique casse l'endosome, et les polymères se dégradent, laisser le médicament agir à l'intérieur de la cellule.

Pour tester leur invention, Rui a fabriqué un nanoconteneur d'une petite protéine et l'a donné à des cellules rénales de souris dans des boîtes de culture. Elle a attaché une étiquette fluorescente verte à la petite protéine et a vu des éclaboussures vert vif dans la plupart des cellules, indiquant que la protéine a été délivrée avec succès.

Puis, Rui a emballé une protéine plus grosse :l'immunoglobuline humaine, une thérapie généralement utilisée pour renforcer le système immunitaire et un modèle pour les thérapies par anticorps. Cette fois, elle a découvert que 90 % des cellules rénales qu'elle traitait s'éclairaient avec l'étiquette fluorescente verte attachée à l'immunoglobuline.

"Lorsque des nanoparticules pénètrent dans une cellule, ils sont souvent séquestrés dans les endosomes, qui dégradent son contenu, mais nos expériences montrent que les paquets de protéines sont répartis uniformément dans la plupart des cellules et n'étaient pas coincés dans les endosomes, " dit Rui.

Pour un défi encore plus grand, Rui a créé un nanopackage contenant un complexe de protéines et d'acides nucléiques à base de CRISPR qui pourrait désactiver un signal de fluorescence verte ou faire briller les cellules en rouge lorsque le composé CRISPR coupe une partie du génome d'une cellule. Les chercheurs ont constaté que l'édition de gènes pour désactiver un gène fonctionnait dans jusqu'à 77 % des cellules cultivées en laboratoire et pour ajouter ou réparer un gène dans environ 4 % des cellules.

"C'est assez efficace étant donné que, avec d'autres systèmes d'édition de gènes, vous pourriez obtenir le bon résultat de coupe de gènes moins de 10 % du temps, ", a déclaré Rui. Les thérapies basées sur CRISPR ont le potentiel de rendre les médicaments beaucoup plus précis grâce à leur capacité à cibler avec précision les défauts génétiques qui contribuent à la maladie. Certaines thérapies CRISPR sont testées dans des essais cliniques.

Dans une dernière expérience, Rui et ses collègues ont implanté des cellules cancéreuses du cerveau dans le cerveau de souris. Elle a injecté les nanoconteneurs avec des composants d'édition de gènes directement dans le cerveau de souris et a analysé leurs cellules pour une lueur rouge indiquant une édition de gènes réussie. Elle a trouvé des cellules cancéreuses du cerveau qui brillaient en rouge à plusieurs millimètres de l'endroit où elle les avait injectées.

« Quand j'ai commencé ce projet il y a cinq ans, les scientifiques ne pensaient pas que l'on pouvait utiliser autre chose qu'un virus pour administrer ces thérapies aux cellules, " dit Rui. " Le développement de nouvelles technologies peut nous aider à mieux comprendre la maladie, mais aussi plus sur la fabrication de nouveaux médicaments."

Rui et Green tentent de rendre les nanoconteneurs plus stables afin qu'ils puissent être injectés dans la circulation sanguine et ciblés sur des cellules avec certaines signatures génétiques.

Les scientifiques déposent des brevets liés à ce travail.