Ces dernières années, les thérapies cellulaires et géniques se sont révélées très prometteuses pour traiter le cancer, la mucoviscidose, le diabète, les maladies cardiaques, le VIH/SIDA et d’autres maladies difficiles à traiter. Mais le manque de moyens efficaces d'administrer des traitements biologiques dans l'organisme a constitué un obstacle majeur à la commercialisation de ces nouvelles thérapies et, en fin de compte, aux patients qui en ont le plus besoin.
Aujourd’hui, les biologistes synthétiques de l’Université Northwestern ont développé une nouvelle plate-forme flexible qui résout en partie ce redoutable problème de livraison. Imitant les processus naturels utilisés par les virus, le système d'administration se lie aux cellules cibles et transfère efficacement les médicaments à l'intérieur.
Les chevaux de bataille derrière cette nouvelle plateforme sont les vésicules extracellulaires (VE), de minuscules nanoparticules de la taille d'un virus que toutes les cellules produisent déjà naturellement. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé l'approche puissante de la biologie synthétique pour créer des « programmes » d'ADN qui, une fois insérés dans des cellules « productrices », dirigent ces cellules pour qu'elles s'auto-assemblent des véhicules électriques personnalisés avec des caractéristiques de surface utiles. Les programmes demandent également aux cellules de produire et de charger les véhicules électriques avec des médicaments biologiques.
Dans des expériences de validation de principe, les particules ont réussi à administrer des médicaments biologiques – dans ce cas, des agents d'édition de gènes CRISPR qui ont neutralisé un récepteur utilisé par le VIH – aux cellules T, qui sont notoirement difficiles à cibler. Les chercheurs émettent également l'hypothèse que le système devrait fonctionner pour de nombreux médicaments et de nombreux types de cellules.
La recherche a été publiée aujourd'hui (27 novembre) dans la revue Nature Biomedical Engineering. . Il s'agit de la première étude utilisant avec succès des véhicules électriques pour livrer des marchandises dans des cellules T.
« La révolution génomique a transformé notre compréhension des bases moléculaires de nombreuses maladies, mais ces connaissances n'ont pas abouti à de nouveaux médicaments pour une raison fondamentale :nous manquons de la technologie nécessaire pour administrer des médicaments ciblés à des sites spécifiques du corps où ils sont nécessaires. " a déclaré Joshua N. Leonard de Northwestern, qui a dirigé l'étude.
"Ces défis de livraison partagés nous freinent. En rendant disponibles des plateformes de livraison largement habilitantes, nous pouvons éliminer une énorme quantité de risques et de coûts liés à la mise sur le marché de nouveaux médicaments pour les essais cliniques ou sur le marché. Au lieu de concevoir un nouveau système de livraison à chaque fois qu'une entreprise fabrique un nouveau médicament, nous espérons qu'ils pourront à la place utiliser des plates-formes modulaires et reconfigurables comme la nôtre, accélérant ainsi le rythme auquel les thérapies géniques et cellulaires sont développées et évaluées."
En remplaçant des gènes défectueux ou en introduisant de nouveaux gènes ou de nouvelles cellules saines chez un patient, les thérapies géniques et cellulaires sont prometteuses pour traiter un large éventail de maladies. À l’aide d’un véhicule de distribution, les thérapies géniques pénètrent dans l’organisme pour transférer du matériel génétique dans des cellules spécifiques afin de traiter ou de prévenir des maladies. Les thérapies cellulaires utilisent une approche similaire mais transfèrent des cellules entières, qui sont généralement modifiées à l'extérieur du corps avant d'être administrées.
Dans les cas les plus réussis, les vecteurs viraux – qui utilisent des parties dérivées de virus mais ne peuvent pas provoquer d’infection – ont servi de mécanisme d’administration pour les thérapies cellulaires et géniques. Mais cette stratégie comporte des limites. Le système immunitaire reconnaît parfois les parties du virus comme étrangères et bloque ces vecteurs avant qu'ils ne livrent leur cargaison.
"Les virus ont une capacité naturelle à pénétrer dans les cellules et à transporter des marchandises", a déclaré Leonard. "L'emprunt de composants viraux est une stratégie efficace pour parvenir à une transmission, mais vous êtes ensuite quelque peu limité aux types de transmission pour lesquels le virus a évolué. Il faut un travail d'ingénierie important pour peaufiner ces systèmes afin de modifier leurs fonctions pour chaque application. Dans cette histoire , nous avons plutôt tenté d'imiter la stratégie selon laquelle les virus ont évolué, mais nous avons utilisé de nouvelles « parties » biologiques pour surmonter certaines limitations des vecteurs viraux et finalement rendre possibles de nouvelles fonctionnalités. »
Pour concevoir un véhicule multifonctionnel, les chercheurs se sont tournés vers les véhicules électriques, que Leonard a décrit comme « une page vierge ». Chez tous les êtres vivants (de la levure aux plantes en passant par les humains), les cellules éliminent naturellement les EV, qui, selon les chercheurs, jouent un rôle important dans la communication entre les cellules et dans les processus naturels tels que la fonction immunitaire.
"Ces particules sont éliminées et absorbées par les cellules à tout moment, dans le cadre de processus sains et pathologiques", a déclaré Leonard. "Par exemple, nous savons que les cellules cancéreuses éliminent les véhicules électriques, et cela semble faire partie du processus par lequel le cancer se propage d'un site à un autre. D'un autre côté, les véhicules électriques transfèrent également des échantillons d'agents pathogènes envahissants des cellules infectées aux cellules immunitaires. , aidant le corps à réagir efficacement."
Pour la plateforme EV de Leonard, son équipe a développé et synthétisé des molécules d'ADN personnalisées qui ont été introduites dans une cellule productrice. L’ADN a fourni des instructions à la cellule productrice pour produire de nouvelles biomolécules, puis charger ces molécules à la surface et à l’intérieur des véhicules électriques. Cela a effectivement généré des véhicules électriques dotés de caractéristiques spécialement conçues et des marchandises déjà remorquées.
"Nous traitons les véhicules électriques produits par les cellules comme des ardoises essentiellement vierges sur lesquelles nous pouvons composer de nouvelles fonctions en concevant ces cellules productrices pour qu'elles expriment des protéines et des acides nucléiques modifiés ou naturels", a déclaré Leonard. "Ceux-ci modifient la fonction EV et peuvent contenir une cargaison bioactive et thérapeutique."
Pour réussir, les véhicules électriques doivent cibler les bonnes cellules, transférer leur chargement dans ces cellules et éviter les effets secondaires, tout en évitant le système immunitaire toujours vigilant du patient. Comparés aux virus, les véhicules électriques sont probablement plus capables d’échapper au rejet du système immunitaire. Étant donné que les véhicules électriques peuvent être produits avec des matériaux présents en grande partie dans les propres cellules d'un patient, le corps est moins susceptible de traiter les particules comme une substance étrangère.
Pour tester le concept, Leonard et son équipe se sont tournés vers une cible attrayante mais tenace :les lymphocytes T. Étant donné que les lymphocytes T aident naturellement l'organisme à combattre les germes et les maladies, les chercheurs ont cherché à améliorer leurs capacités naturelles pour les applications d'immunothérapie.
"La plupart des cellules échantillonnent constamment de petits fragments de leur environnement", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Devin Stranford, diplômé du laboratoire de Leonard et maintenant scientifique à Syenex. "Mais, pour une raison quelconque, les cellules T ne font pas autant cela. Par conséquent, il est difficile de délivrer des médicaments aux cellules T car elles ne les absorbent pas activement. Vous devez avoir la bonne biologie pour que ces événements de livraison soient possibles." se produire."
Dans les expériences, les chercheurs ont conçu une cellule productrice pour générer des véhicules électriques chargés de Cas9, une protéine qui fait partie du système CRISPR, associée à une molécule d'ARN modifiée pour lui permettre de reconnaître et de modifier une séquence spécifique d'ADN dans le génome d'une cellule. Les chercheurs ont introduit les véhicules électriques modifiés dans une culture de cellules T. Les véhicules électriques se sont liés efficacement aux cellules T et ont livré leur cargaison avec succès, conduisant à une modification génétique qui a inactivé le gène codant pour un récepteur utilisé par le VIH pour infecter les cellules T. Bien que le traitement des infections par le VIH ne soit pas un objectif immédiat de ce projet, ce travail illustre néanmoins cette promesse, démontrant les types de nouvelles fonctions thérapeutiques permises par la technologie.
"L'un des principaux objectifs de ce travail était d'utiliser des méthodes rigoureuses pour garantir que la cargaison parvienne jusqu'à destination", a déclaré Leonard. "Comme nous apportons des modifications au génome de ces cellules, nous pouvons utiliser des technologies puissantes comme le séquençage de nouvelle génération pour confirmer que ces modifications exactes étaient présentes dans les cellules réceptrices, à l'emplacement du génome où elles étaient prévues."
Appelée GEMINI (Nanovesicles intégrées multifonctions génétiquement codées), la nouvelle plate-forme représente une suite de technologies permettant aux cellules de génie génétique de produire des véhicules électriques multifonctionnels répondant aux divers besoins des patients.
"En fonction du traitement, on pourrait avoir besoin d'un milliard de véhicules électriques", a-t-il déclaré. "Mais parce qu'ils sont si petits, il s'agit en réalité d'une infime quantité de matériau. D'autres ont déjà démontré que les véhicules électriques peuvent être produits de manière cliniquement traduisible à l'échelle commerciale. En effet, un avantage particulier du codage biologique des fonctions des véhicules électriques, comme nous l'avons fait, est que toute la complexité réside dans l'ingénierie des programmes ADN. Une fois cela fait, ces processus sont facilement compatibles avec les méthodes de fabrication existantes et matures. "
Grâce à Syenex, Leonard espère utiliser la plateforme GEMINI, aux côtés d'autres technologies de biologie synthétique, pour générer rapidement les meilleurs véhicules de livraison qui permettent aux développeurs (allant des spin-outs universitaires aux entreprises de biotechnologie matures) de concevoir de nouvelles cellules et gènes qui changent la vie. thérapies.
"En démontrant la capacité de coder génétiquement les compositions de cargaison et de surface des nanovésicules avec la plate-forme GEMINI, nous pouvons transformer un problème biologique difficile en un problème d'ingénierie de l'ADN plus simple", a déclaré Leonard. « Cela nous permet d'exploiter les améliorations exponentielles en cours dans la synthèse et le séquençage de l'ADN qui ont alimenté la croissance de la biologie synthétique. Nous sommes optimistes que ces approches permettront aux chercheurs de résoudre les grands défis de livraison et de développer des traitements nouveaux et améliorés qui bénéficieront à un large éventail de personnes. gamme de patients."
Plus d'informations : Devin M. Stranford et al, Codage génétique de multiples fonctionnalités dans des vésicules extracellulaires pour l'administration ciblée de produits biologiques aux cellules T, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI :10.1038/s41551-023-01142-x. www.nature.com/articles/s41551-023-01142-x
Informations sur le journal : Génie biomédical naturel
Fourni par l'Université Northwestern
