Un article de perspective récent publié dans la revue Nature examine la découverte de médicaments ont discuté de l'évolution des nanoparticules lipidiques (LNP) pour l'administration d'acides nucléiques. Les auteurs, Pieter Cullis, professeur de biochimie et de biologie moléculaire à l'Université de Colombie-Britannique, et Philip Felgner, professeur de physiologie et de biophysique à l'Université de Californie à Irvine, sont les co-inventeurs de la technologie des nanoparticules lipidiques et les pionniers de leur utilisation en thérapie génique et en administration de vaccins.
Perspectives : L'évolution des nanoparticules lipidiques pour l'administration d'acides nucléiques au cours des 60 dernières années. Crédit photo : Kateryna Kon / Shutterstock
Les premières études sur in vivo Les études sur la délivrance de gènes ont montré que la délivrance fonctionnelle peut être obtenue en injectant des plasmides nus contenant des génomes viraux clonés dans des vecteurs d'expression eucaryotes. Cependant, l'utilité clinique des stratégies de délivrance de plasmides nus a été limitée en raison de préoccupations concernant l'intégration spontanée de l'ADN dans le génome humain et l'inefficacité de la transfection.
En outre, les vecteurs viraux utilisés en thérapie génique sont fréquemment associés à des réponses immunitaires. La plupart des thérapies géniques actuellement en cours de développement utilisent des systèmes de distribution viraux, par exemple des vecteurs de virus adéno-associés. Malgré des progrès considérables, les inquiétudes concernant la fabrication, la capacité génétique et l'immunogénicité freinent les progrès des vecteurs viraux.
Les auteurs pensent que les systèmes d'administration à base de lipides, tels que les LNP, pourraient devenir dominants en raison de leur tolérance, de leur sécurité, de leur capacité génétique, de leur facilité de conception et de fabrication améliorées. Ces systèmes ont évolué avec la recherche dans deux domaines connexes : la découverte des propriétés de transfection des lipoplexes et l'avènement des LNP. Dans la présente étude, les auteurs ont exploré l'évolution de ces deux courants de recherche au cours des six dernières décennies.
Liposomes et lipoplexes
En 1964, on a découvert que la dispersion d'ovolécithine dans des milieux aqueux produisait des systèmes multilamellaires de bicouches lipidiques concentriques. Cela a conduit à des recherches intensives pour caractériser les propriétés biophysiques et fonctionnelles des lipides. Des efforts substantiels ont également été investis dans le développement de systèmes liposomaux contenant des charges d'acides nucléiques à administrer dans les cellules.
En 1987, on a émis l'hypothèse que les liposomes chargés positivement pourraient améliorer l'efficacité d'encapsulation des polymères d'acides nucléiques chargés négativement dans les systèmes à base de lipides. Cependant, les lipides chargés positivement formant des bicouches n'existent pas dans la nature et leurs homologues synthétiques n'existaient pas à l'époque.
S’appuyant sur la recherche sur les liposomes, plusieurs lipides cationiques ont été synthétisés, avec N-[1-(2,3-dioleyloxy)propyl]-Le chlorure de N,N,N-triméthylammonium (DOTMA) est le composé principal. Le mélange et la sonication du DOTMA avec des concentrations équimolaires de lipides auxiliaires, tels que la dioléoylphosphatidyléthanolamine ou la dioléoylphosphatidylcholine, génèrent des liposomes stables et chargés positivement.
Les lipoplexes se forment lorsque des liposomes sont mélangés à de l'ADN plasmidique (pADN). Les lipoplexes représentent une étape importante et un point de départ pour la génération de nanoparticules capables de transfection. En outre, ils peuvent transfecter efficacement l'ARN messager (ARNm) et l'ADNp dans des cellules en culture sans nécessiter de groupes fonctionnels supplémentaires.
Systèmes de distribution LNP
L'évolution des LNP contenant des régions polaires (comprenant une charge d'acide nucléique) et un noyau hydrophobe (de lipides neutres ionisables) a été fondée sur la compréhension des systèmes liposomaux bicouches et sur l'expérience des formulations liposomales de médicaments anticancéreux. Les recherches sur le polymorphisme et l'asymétrie des lipides ont fourni des informations et des outils cruciaux pour développer des systèmes de distribution de LNP.
L'avènement de procédés évolutifs pour la formulation et le chargement de systèmes liposomaux et l'observation selon laquelle le revêtement en polyéthylène glycol (PEG) confère une longue demi-vie de circulation ont suscité des efforts intenses pour produire des formulations liposomales anticancéreuses destinées à des applications cliniques. Dans les années 1990, des formulations à base de lipides de systèmes d'administration d'acides nucléiques ont été décrites comme présentant les longues demi-vies de circulation nécessaires pour accéder aux sites de la maladie.
Les recherches sur les liposomes pour l'administration de médicaments ont montré que les liposomes sans charge de surface ou avec peu de charge pouvaient avoir de longues demi-vies. Par conséquent, des efforts ont été déployés pour développer des systèmes à base de lipides utilisant de petites quantités de lipides cationiques pour piéger les acides nucléiques ou pour développer de nouveaux protocoles de piégeage, permettant un système d'administration neutre.
Le premier système de ce type a été décrit en 1999, dans lequel l'ADNp était encapsulé dans des particules lipidiques plasmidiques stabilisées (SPLP) via une méthode de dialyse au détergent. Des études ultérieures ont révélé que les SPLP avaient une durée de vie de circulation remarquablement plus longue et une toxicité plus faible que les complexes. Cependant, le processus de dialyse au détergent n'était pas évolutif. De plus, l'encapsulation d'oligonucléotides antisens dans des systèmes à base de lipides a été décrite en 2001.
Ces particules lipidiques antisens stabilisées (SALP) ont montré une longue demi-vie et une toxicité inférieure à celle des complexes. De plus, une étude a montré qu'un petit ARN interférent (siRNA) conçu pour faire taire l'apolipoprotéine B pouvait être encapsulé dans des particules lipidiques d'acide nucléique stabilisées (SNALP), une version de SALP, avec des résultats prometteurs chez les primates non humains et les souris. Cependant, l'indice thérapeutique et la puissance étaient inadéquats pour une application clinique.
En 2010, il a été révélé que la puissance de silençage des formulations LNP d'ARNsi pouvait être améliorée, date à laquelle les SALP, SNALP et SPLP ont été décrits comme faisant partie des LNP. En 2013, des essais cliniques de phase 1 ont révélé que les LNP contenant de l'ARNsi et de l'ester méthylique d'acide 4-(N,N-diméthylamino) butyrique (dilinoléyle) pouvaient rapidement et fortement réguler à la baisse la transthyrétine circulante.
Les essais de phase 3 ont également donné d’excellents résultats pour le traitement de l’amylose induite par la transthyrétine. Tout au long du développement, les ratios de lipides dans les LNP ont changé et la meilleure composition des LNP est toujours controversée. De plus, il a été démontré en 2012 que les LNP utilisés pour l’administration d’ARNsi pouvaient être formulés pour encapsuler l’ARN auto-amplificateur, suivi par des études révélant en 2015 que l’ARNm codant pour l’érythropoïétine pouvait être encapsulé dans les LNP pour transfecter le foie.
Des travaux ultérieurs ont montré que les systèmes d'ARNm LNP pouvaient transfecter divers tissus par différentes voies. En 2017, il a été démontré que l'ARNm LNP codant une protéine virale était hautement protecteur contre le virus Zika. Cela a incité à des efforts collaboratifs pour créer un vaccin contre la grippe basé sur le système d'ARNm LNP. Cependant, en 2020, les efforts ont été détournés vers le développement d'un vaccin contre la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19), ce qui a donné naissance au vaccin à ARNm Comirnaty.
Remarques finales
Le succès des systèmes LNP pour les vaccins et les thérapies à base d'acide nucléique ouvre une nouvelle ère de thérapies géniques. Ces systèmes présentent des avantages considérables par rapport aux systèmes viraux et autres systèmes de livraison en termes de capacité de chargement, d'évolutivité, de fabrication, de coûts et de thérapies personnalisées. L'avenir des thérapies à base de LNP dépendra des avancées dans le développement de LNP sophistiqués avec administration extrahépatique et des progrès en biologie moléculaire, qui permettront une manipulation précise de la cargaison délivrée.
Avec les progrès continus de la technologie LNP, ces systèmes sont prometteurs pour des thérapies géniques de plus en plus sophistiquées, permettant des options de traitement précises et efficaces.
