Les scientifiques ont conçu et synthétisé des chaînes de molécules avec une séquence et une longueur précises pour protéger efficacement les nanostructures d'ADN 3D contre la dégradation structurelle dans diverses conditions biomédicales pertinentes. Ils ont démontré comment ces "origami d'ADN recouvert de peptoïde" ont le potentiel d'être utilisés pour administrer des médicaments et des protéines anticancéreux, l'imagerie des molécules biologiques, et le ciblage des récepteurs de la surface cellulaire impliqués dans le cancer. Leur méthode de conception de peptoïdes pour stabiliser l'origami d'ADN dans des environnements physiologiques est décrite dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences la semaine du 9 mars.

Semblable à l'art japonais du pliage du papier, L'origami d'ADN est le pliage de longs, chaînes d'ADN flexibles dans les formes souhaitées à l'échelle nanométrique (milliards de mètre) en « agrafant » différentes parties de la chaîne avec les paires de bases complémentaires de courts brins d'ADN. Ces architectures nanométriques programmables et contrôlées avec précision pourraient être bénéfiques pour de nombreuses applications biomédicales, y compris l'administration ciblée de médicaments et de gènes aux tissus ou cellules souhaités, l'imagerie des processus biologiques à l'intérieur du corps, et la biodétection pour la détection de maladies ou la surveillance de la santé. Cependant, permettre de telles applications nécessitera des solutions pour protéger les structures d'origami d'ADN dans des fluides biologiques complexes et permettre de nouvelles fonctions qui ne sont pas inhérentes à l'ADN.

"L'un des facteurs limitants dans l'application des avantages de structure et de forme de l'origami d'ADN à la nanomédecine est que, placé à l'intérieur du corps humain, la nanostructure d'ADN serait facilement digérée par des enzymes ou dégradée en réponse à des changements dans la composition de la solution ou le niveau de pH, " a expliqué le premier auteur Shih-Ting (Christine) Wang, un post-doctorant dans le groupe Soft and Bio Nanomaterials du Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory du Département de l'énergie des États-Unis (DOE). « Dans cette recherche, nous avons synthétisé des molécules biocompatibles appelées peptoïdes avec une composition et une longueur de séquence moléculaire bien définies. Nous avons recouvert de ces peptoïdes un origami d'ADN de forme octaédrique - qui présente une stabilité mécanique élevée et un grand espace ouvert pour transporter des cargaisons à l'échelle nanométrique telles que des médicaments anticancéreux à petites molécules. Nos démonstrations ont montré que les revêtements peptoïdes protégeaient efficacement l'origami d'ADN dans diverses conditions physiologiques et soutenaient l'ajout de différentes fonctionnalités chimiques pour des applications biomédicales. »

Les peptoïdes ressemblent à des peptides, ou de courtes chaînes d'acides aminés. Cependant, en peptoïdes, les chaînes latérales (groupes chimiques attachés à la chaîne principale ou au squelette de la molécule) sont attachées à l'azote plutôt qu'au carbone. De plus, les peptoïdes sont plus flexibles, en raison de l'absence de liaisons hydrogène dans le squelette. Cette flexibilité peut être mise à profit pour contrôler la façon dont les peptoïdes se lient à l'origami d'ADN.

"Notre objectif était de créer un revêtement minimaliste qui n'ajouterait pas de volume à l'origami mais serait en même temps suffisamment efficace pour offrir une protection, solubilité, et compatibilité avec différentes biofonctions, " a déclaré l'auteur correspondant Oleg Gang, leader du CFN Soft and Bio Nanomaterials Group et professeur de génie chimique et de physique appliquée et science des matériaux à Columbia Engineering. "Si l'origami enduit devient volumineux, sa forme et la façon dont il interagit et s'adapte à d'autres biomolécules et à l'origami seraient affectés, introduisant une variété de complications.

Wang et Gang, assisté d'un collaborateur de l'Imperial College de Londres, utilisé les installations de la fonderie moléculaire (MF) du Laboratoire national Lawrence Berkeley pour synthétiser deux types d'architectures peptoïdes pour la protection de l'origami à ADN :le type brosse et le type bloc. Les deux architectures ont un domaine de liaison à l'ADN (partie chargée positivement qui se lie à l'ADN chargé négativement) et un domaine hydrosoluble (partie qui garantit que l'ADN est entouré de molécules d'eau, nécessaires à la stabilisation). L'architecture de type brosse alterne entre ces deux domaines, tandis que l'architecture de type bloc les regroupe pour former des « blocs » distincts.

Pour déterminer quel type était le mieux à fournir une protection, les scientifiques ont étudié la liaison entre l'ADN bicaténaire (duplex) et les peptoïdes. Des expériences avec un colorant fluorescent (qui se lie à l'ADN) ont montré qu'une architecture spécifique de type brosse était la plus efficace pour stabiliser l'ADN duplex recouvert de peptoïdes à haute température. Un collaborateur de l'Université RMIT en Australie a simulé les interactions ADN-peptoïde au niveau moléculaire pour comprendre pourquoi.

« Nous pensons que la structure en alternance atteint un équilibre, en ce que certaines pièces reposent dans le sillon de la structure en double hélice d'ADN pour conférer une protection, tandis que d'autres pièces dépassent pour interagir favorablement avec l'eau, " a déclaré Wang. " Une configuration optimale est le type de brosse avec 12 groupes de liaison à l'ADN et 12 groupes solubles dans l'eau. "

Guidés par ces études, l'équipe a étudié la stabilité structurelle de l'origami d'ADN peptoïde dans plusieurs types de conditions physiologiquement pertinentes :dans une solution contenant une faible concentration d'ions magnésium (Mg) chargés positivement, dans une solution contenant une nucléase spécifique de l'ADN (type d'enzyme), et incubés dans des milieux de culture cellulaire (contenant à la fois des nucléases et des ions Mg à faible concentration). Typiquement, une concentration élevée en ions Mg est nécessaire pour stabiliser l'origami ADN en réduisant la répulsion des charges négatives ADN-ADN, mais les fluides physiologiques contiennent des concentrations beaucoup plus faibles.

Pour leurs enquêtes, ils ont utilisé une combinaison de techniques expérimentales :électrophorèse sur gel d'agarose, une méthode de séparation de fragments d'ADN (ou d'autres macromolécules) sur la base de leur charge et de leur taille; l'imagerie par microscopie électronique à transmission et la diffusion dynamique de la lumière au CFN; et la diffusion des rayons X aux petits angles en temps réel sur la ligne de faisceaux de diffusion des rayons X des sciences de la vie (LiX) de la source de lumière synchrotron nationale II (NSLS-II) de Brookhaven. Les résultats ont indiqué que la structure de l'origami était restée intacte après avoir été recouverte de peptoïdes spécialement conçus et placé dans différentes conditions physiologiques.

Suite à ces expériences, les scientifiques ont mené une série de démonstrations en collaboration avec le groupe Bertozzi à l'université de Stanford pour explorer comment l'origami peptoïde pourrait être utilisé dans des applications biomédicales. Par exemple, ils ont chargé le médicament de chimiothérapie doxorubicine dans l'origami enduit. La doxorubicine est l'un des médicaments couramment administrés aux patientes atteintes d'un cancer du sein HER2-positif, dans lequel une surexpression de la protéine HER2 (un récepteur sur les cellules du sein) provoque la division et la croissance incontrôlables des cellules. Plus de 48 heures, l'origami enrobé libère moins de doxorubicine que son homologue non enrobé, tel que mesuré par l'intensité de la fluorescence intrinsèque du médicament.

"Le but ultime est de pouvoir moduler le taux de libération pendant le processus d'administration du médicament pour contrôler les effets biologiques et toxiques, " a expliqué Wang.

Dans une deuxième démonstration de nanocargo, ils ont cherché à savoir si les protéines pouvaient être délivrées de la même manière. Ils ont encapsulé une protéine dérivée de la vache (attachée à des molécules fluorescentes pour la visualisation) à l'intérieur de l'origami revêtu en présence de l'enzyme de digestion des protéines trypsine. La digestion de cette protéine encapsulée par la trypsine a été réduite et ralentie en raison d'une combinaison de l'origami d'ADN lui-même et du revêtement peptoïde.

Dans une dernière démonstration, ils ont fonctionnalisé la surface de l'origami d'ADN peptoïde avec du trastuzumab. Plus communément connu sous le nom de marque Herceptin, le trastuzumab est un anticorps qui cible les récepteurs HER2. Lors de la liaison à ces récepteurs, le trastuzumab empêche les cellules cancéreuses de recevoir les signaux chimiques dont elles ont besoin pour se développer. Ils ont réalisé la fonctionnalisation de surface en ajoutant des groupes chimiques à des sites spécifiques sur la molécule de trastuzumab et dans les séquences peptoïdes. Grâce à la « chimie des clics », " ces groupes réagissent sélectivement pour former des liaisons covalentes (semblables à un clic sur une boucle de ceinture de sécurité).

Dans les expériences de suivi, Wang envisage d'explorer le potentiel de la thérapie combinatoire, dans lequel un origami d'ADN peptoïde portant de la doxorubicine et présentant une surface fonctionnalisée au trastuzumab cible les cellules cancéreuses du sein HER2-positives.

Wang a reçu un financement dans le cadre du programme de maturation technologique de Brookhaven pour développer davantage cette technologie sur la base d'un argumentaire qu'elle a développé en tant que participante au deuxième atelier de formation à l'entrepreneuriat organisé par le bureau de transfert de technologie de Brookhaven en avril 2019. Le groupe juridique de propriété intellectuelle de Brookhaven a récemment soumis un demande de brevet provisoire pour la méthodologie de conception peptoïde auprès de l'Office américain des brevets et des marques.

« Nous entrons maintenant dans la phase de traduction, mener des expériences utilisant des cellules et potentiellement des organismes entiers, " dit Gang.