En 1900, Le médecin allemand Paul Ehrlich a proposé la notion de « balle magique ». L'idée de base est d'injecter à un patient des particules intelligentes capables de trouver, reconnaître, et traiter une maladie. La médecine a poursuivi la balle magique depuis.

Des chercheurs russes de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut de physique générale de Prokhorov, RAS, ont progressé vers cet objectif. Dirigé par Maxim Nikitin du MIPT, l'équipe a publié un article dans ACS Nano , présenter un matériau intelligent aux propriétés uniques, qui est prometteur pour l'analyse expresse de l'ADN et les médicaments de nouvelle génération contre le cancer et d'autres maladies graves.

L'administration de médicaments aux cellules affectées par une maladie est un goulot d'étranglement majeur dans le diagnostic et la thérapie. Les médicaments doivent idéalement atteindre les cellules pathogènes uniquement, sans nuire aux personnes en bonne santé. Il existe une gamme de composés marqueurs qui donnent des cellules cancéreuses. Parmi ces molécules révélatrices, se trouvent à la surface des cellules affectées ou dans leur microenvironnement, sont des déchets et ceux envoyés à d'autres cellules comme signaux.

Les médicaments modernes s'appuient sur un tel marqueur pour identifier les cellules malades. Cependant, il arrive généralement que les cellules saines portent les mêmes marqueurs, quoique en plus petites quantités. Cela signifie que les systèmes d'administration de médicaments ciblés existants ne sont pas parfaits. Pour rendre l'administration du médicament plus spécifique, il faut des matériaux intelligents capables d'analyser plusieurs paramètres environnementaux à la fois, rechercher la cible avec une plus grande précision.

"Les méthodes conventionnellement utilisées pour la livraison de médicaments sont comme envoyer une lettre avec la ville et la rue écrites sur l'enveloppe, mais sans les numéros de maison et d'appartement, ", a commenté le chercheur principal et directeur du laboratoire de nanobiotechnologie du MIPT, Maxim Nikitin. "Nous devons être en mesure d'analyser davantage de paramètres pour garantir une livraison efficace."

Précédemment, Nikitin et ses co-auteurs ont développé des nano- et microparticules capables d'effectuer des calculs logiques complexes via des réactions biochimiques. Dans leur article de 2014 en Nature Nanotechnologie , les chercheurs ont rapporté que leurs nano-ordinateurs autonomes pouvaient analyser de nombreux paramètres d'une cible et étaient donc bien meilleurs à son identification.

Ces dernières années ont vu de nombreuses avancées dans les matériaux de bioinformatique. D'ici 2018, des centaines et des centaines d'articles avaient été publiés sur le sujet. Avis sur les produits chimiques , la revue la plus réputée du domaine, a publié une revue de la nanorobotique et de la bioinformatique contemporaines. Le papier, avec le sous-titre "L'aube des nanorobots théranostiques, " a été rédigé par des chercheurs du laboratoire de nanobiotechnologie du MIPT et du laboratoire de biophotonique de l'Institut de physique générale Prokhorov de l'Académie des sciences de Russie (RAS).

Malgré les efforts de nombreuses équipes de recherche à travers le monde essayant d'étendre la fonctionnalité des matériaux bioinformatiques, ils ne sont toujours pas assez sensibles aux marqueurs de la maladie, rendant les applications pratiques impossibles.

Le récent article de l'équipe de ACS Nano marque une percée dans ce domaine. Ils ont développé un matériau intelligent unique caractérisé par une hypersensibilité aux signaux ADN. Il est de plusieurs ordres de grandeur plus sensible que le concurrent le plus proche. De plus, le nouveau matériel présente une sensibilité plus élevée que celle de la grande majorité des tests d'ADN express actuellement disponibles.

Les chercheurs ont obtenu ce résultat remarquable après avoir découvert que les molécules d'ADN présentent un comportement inhabituel à la surface des nanoparticules.

Dans l'étude, une extrémité d'une molécule d'ADN simple brin a été épinglée à une nanoparticule. Surtout, la molécule n'avait pas d'épingles à cheveux, c'est-à-dire segments à double brin où une partie de la chaîne se colle à elle-même. L'équipe a équipé l'autre extrémité de la chaîne d'ADN d'un petit récepteur moléculaire. Contrairement aux attentes, le récepteur ne s'est pas lié à sa cible. Après avoir écarté une erreur, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'ADN simple brin pourrait coller à la nanoparticule et s'enrouler, cachant le récepteur en dessous, à la surface de la particule.

L'hypothèse s'est avérée juste lorsque l'équipe a ajouté des brins simples d'ADN complémentaires à leur particule. Le récepteur est devenu instantanément actif, lier sa cible. Cela s'est produit parce que les liaisons entre les nucléotides complémentaires ont amené les deux brins d'ADN à former une double hélice rigide, ou duplex. Comme la langue d'un caméléon, le brin déroulé, exposer le récepteur pour la liaison cible.

Un tel déroulement du brin d'ADN ressemble à celui d'une balise moléculaire. Il s'agit d'un ADN simple brin dont une extrémité forme un duplex avec l'extrémité opposée, replier la structure. Un brin complémentaire d'ADN peut déployer la balise. Cependant, il y a une distinction importante et utile. "Contrairement aux balises moléculaires, le phénomène découvert permet de régler la force d'enroulement de l'ADN sur la nanoparticule séparément de la force de redressement de l'ADN d'entrée. Cela conduit à une sensibilité considérablement meilleure à l'entrée, " a noté le premier auteur de l'étude Vladimir Cherkasov, un chercheur de premier plan au Nanobiotechnology Lab, MIPT.

Dans leur papier, les chercheurs mettent en évidence des agents capables de détecter des concentrations d'ADN aussi faibles que 30 femtomoles (30 milliardièmes de millionième de mole) par litre, sans amplification d'ADN et/ou de signal. La co-auteure de l'étude, Elizaveta Mochalova, doctorant au laboratoire de nanobiotechnologie du MIPT, a ajouté :« Nous avons montré que la sensibilité était si élevée avec un test de flux latéral assez simple, qui est largement utilisé dans les tests de grossesse. Contrairement aux tests d'ADN existants, ces tests peuvent être effectués en dehors d'un laboratoire propre et ne nécessitent aucun équipement de pointe. Cela rend la technologie bien adaptée au dépistage rapide des maladies infectieuses, kits de test alimentaire à usage domestique, et des choses similaires."

Les auteurs de l'article ont également montré que la technologie était applicable à la conception de nanoagents intelligents qui reconnaîtraient les cellules cancéreuses en fonction de la concentration de petit ADN dans leur microenvironnement. Il n'y a pas longtemps, On pensait que les petits acides nucléiques n'étaient que des débris dénués de sens résultant du recyclage de molécules fonctionnelles plus grosses. Cependant, les petits ARN se sont avérés être des régulateurs clés de nombreux processus dans les cellules vivantes. Les biologistes identifient actuellement des marqueurs de maladie parmi ces ARN.

"De façon intéressante, plus la longueur de l'acide nucléique à détecter est petite, plus notre technologie devient compétitive, " a commenté Nikitin. " Nous pouvons fabriquer des agents ultrasensibles contrôlés par de petits ARN bien étudiés qui ont 17 à 25 bases de long. Cependant, si on prend des séquences de moins de 10 nucléotides, il n'y a tout simplement pas de technologies avec une sensibilité comparable."

"Ce qui est encore plus excitant, c'est que notre méthode permet de sonder le microenvironnement des cellules pour déterminer si les petits ARN plus courts sont des marqueurs de maladie utiles plutôt que les composés insignifiants qu'ils sont généralement considérés comme étant dus aux difficultés de leur détection, " a ajouté le scientifique.

La technologie nouvellement développée offre des perspectives pour la génomique, à la fois en termes de dosages ADN express au point de service et pour le développement de nanomatériaux thérapeutiques de nouvelle génération. Ces dernières années ont vu d'immenses percées dans la recherche et l'édition du génome, mais la nouvelle technologie pourrait résoudre le problème qui reste d'actualité :délivrer des médicaments uniquement aux cellules ayant un profil génétique de microenvironnement particulier.

Les chercheurs prévoient de continuer à développer leur technologie. Cela comprend les travaux futurs au Centre de technologies génomiques et de bioinformatique récemment créé par le MIPT.