Lorsqu'il s'agit d'administrer des médicaments à l'organisme, un défi majeur consiste à garantir qu'ils restent dans la zone à traiter et qu'ils continuent à administrer leur charge utile avec précision. Bien que des progrès majeurs aient été réalisés dans la délivrance de médicaments, leur surveillance constitue un défi qui nécessite souvent des procédures invasives telles que des biopsies.

Des chercheurs de NYU Tandon dirigés par Jin Kim Montclare, professeur de génie chimique et biomoléculaire, ont développé des protéines capables de s'assembler en fibres pour être utilisées comme agents thérapeutiques pour le traitement potentiel de plusieurs maladies.

Ces biomatériaux peuvent encapsuler et délivrer des médicaments pour une multitude de maladies. Mais même si le laboratoire de Montclare travaille depuis longtemps à la production de ces matériaux, il existait autrefois un défi difficile à surmonter :comment s'assurer que ces protéines continuaient à délivrer leurs agents thérapeutiques au bon endroit dans le corps pendant la durée nécessaire.

Dans une étude récente publiée par la revue ACS Applied Nano Materials , son laboratoire a pu créer des biomatériaux fluorés. Grâce à cette fluoration, ils peuvent être surveillés par de simples scans FMRI, permettant aux professionnels de la santé de s'assurer que les médicaments restent dans les zones de traitement grâce à une technologie d'imagerie non invasive..

Le matériau est constitué de protéines naturelles, mais l’équipe de recherche a introduit l’acide aminé non naturel, la trifluoroleucine. Le fluor étant rare dans le corps, il permet aux biomatériaux de s'éclairer comme un affichage de vacances lorsque le corps est soumis à un scanner 19FMRI.

"En tant qu'agent théranostique, il peut non seulement administrer un traitement contre le cancer ou les maladies articulaires, par exemple, mais nous pouvons maintenant voir qu'il est toujours en place dans le corps et qu'il libère le médicament là où il est censé le faire", explique Montclare. "Cela élimine le besoin de chirurgies invasives ou de biopsies pour voir ce qui se passe."

Le laboratoire de Montclare mène des recherches révolutionnaires sur l'ingénierie des protéines pour imiter la nature et, dans certains cas, fonctionner mieux que la nature. Elle travaille à personnaliser des protéines artificielles dans le but de cibler les troubles humains, l'administration de médicaments et la régénération tissulaire, ainsi qu'à créer des nanomatériaux pour l'électronique. Grâce à l'utilisation de la chimie et du génie génétique, elle a contribué à la lutte contre des maladies allant du COVID-19 à l'arthrose et bien d'autres encore.

Cette percée utilise les mêmes acides aminés et protéines qui caractérisent une grande partie des recherches de Montclare. Parce qu'ils sont constitués de matériaux organiques, lorsque ces biomatériaux ont terminé leur travail et délivré des produits thérapeutiques, le corps peut les décomposer sans aucun effet indésirable.

Cela le distingue des autres traitements utilisant des matériaux non organiques susceptibles de provoquer une réponse immunitaire grave ou d’autres réactions. En combinaison avec la technique de fluoration, ces matériaux pourraient fournir un traitement pour les maladies localisées qui pourrait être beaucoup moins invasif que les traitements actuels et qui serait beaucoup plus facile et moins perturbateur à surveiller.

Montclare a travaillé en étroite collaboration avec les professeurs de la NYU School of Medicine sur cette étude, notamment avec l'auteur co-correspondant Youssef Z. Wadghiri du département de radiologie, ainsi qu'avec Richard Bonneau du Flatiron Institute.

L'équipe de Montclare a montré ses recherches sur des modèles murins, mais elle cherche déjà à expérimenter sur des souris souffrant de troubles spécifiques pour prouver les capacités de la protéine à traiter des maladies.

Les protéines à auto-assemblage utilisées par l'équipe de Montclare ne constituent qu'un sous-ensemble de ce sur quoi elle et son laboratoire travaillent. Dans un autre article publié dans Biomacromolecules , son laboratoire a pu utiliser la conception informatique pour créer des protéines capables de former des hydrogels, grâce à un programme écrit par son doctorat. étudiant Dustin Britton.

Ces hydrogels ont différentes températures de transition, c'est-à-dire la température à laquelle les gels peuvent rester gélifiés sans se dissoudre ni devenir instables. Auparavant, la limite supérieure de gélification était d'environ 17° Celsius. Pour les applications biomédicales, ce n’était pas optimal, car il fondrait à mesure qu’il approchait de la température du corps humain. Grâce à l'utilisation de ses protéines conçues par ordinateur, Britton a pu déplacer cette limite jusqu'à 33,6° Celsius.

En raison de cette nouvelle stabilité, les protéines conçues par Britton et Montclare pourraient être utilisées pour des traitements topiques, notamment la cicatrisation des plaies. Et en plus d'une tolérance accrue à la chaleur, la nouvelle protéine peut gélifier beaucoup plus rapidement que les versions précédentes, ce qui la rend bien plus efficace et plus utile pour les applications médicales.

Tout en modifiant la température, Britton a également pu concevoir une protéine également fluorescente, ce qui signifie qu'elle a le même potentiel de visualisation que les protéines fluorées de leur autre étude. Cela permet aux médecins de surveiller sa présence dans les plaies et de s’assurer qu’il délivre sa charge thérapeutique. Et le gel présente les mêmes avantages que les protéines du laboratoire destinées à un usage interne, dans le sens où il pourra se dégrader et se dissiper dans le corps avec peu ou pas d'effets néfastes.

Le modèle informatique de Britton fait bien plus que concevoir cette protéine spécifique. Selon Monclare, le domaine des biomatériaux issus de l'ingénierie protéique a longtemps été dominé par des essais et des erreurs, testant des conceptions hypothétiques dans l'espoir de voir si elles seront stables. Mais le modèle de Britton a réussi à créer des gels toujours efficaces, générant des séquences avec un taux de réussite extrêmement élevé et créant de nouvelles protéines dotées de nouvelles propriétés pour des utilisations thérapeutiques potentielles.

"Pour la fabrication de biomatériaux, cela va absolument accélérer ce que nous sommes capables de fabriquer", déclare Montclare. "De la manière traditionnelle, vous apportez des changements rationnels et voyez si cela fonctionne, et 90 pour cent du temps, cela ne fonctionne pas. Avec ce nouveau modèle, tous fonctionnent, et nous pouvons alors choisir parmi les meilleurs. ce travail. Cela révolutionnera la façon dont nous fabriquons des biomatériaux. "

Dans le laboratoire de Monclare, cela a changé la manière dont ils créeront de nouvelles protéines et de nouveaux matériaux :il n'est pas possible de revenir à la pratique itérative rationnelle qui présentait un taux d'échec si élevé. Et cela accélérera sûrement la production de biomatériaux révolutionnaires qui guériront bientôt certaines des maladies les plus graves au monde.

Plus d'informations : Dustin Britton et al, Fibres protéinées pour l'encapsulation de médicaments traçables via la résonance magnétique 19F, Nanomatériaux appliqués par ACS (2023). DOI :10.1021/acsanm.3c04357

Dustin Britton et al, Prédiction informatique de la dynamique et de la structure de la gélification des protéines en spirale, Biomacromolécules (2023). DOI :10.1021/acs.biomac.3c00968

Informations sur le journal : Biomacromolécules

Fourni par la NYU Tandon School of Engineering