De nombreuses maladies peuvent être traitées avec succès dans l’environnement simple d’une boîte de culture cellulaire, mais pour traiter avec succès de vraies personnes, l’agent médicamenteux doit parcourir l’environnement infiniment plus complexe de notre corps et arriver, intact, à l’intérieur des cellules affectées. Ce processus, appelé administration de médicaments, est l’un des obstacles les plus importants en médecine.
Une collaboration entre Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et Genentech, membre du groupe Roche, s’efforce de surmonter certains des goulots d’étranglement de l’administration de médicaments en concevant les nanoparticules lipidiques (LNP) les plus efficaces – de minuscules poches sphériques constituées de molécules grasses qui encapsulent les agents thérapeutiques jusqu’à ce qu’ils s’arriment aux membranes cellulaires et libèrent leur contenu. Le premier médicament à utiliser des LNP a été approuvé en 2018, mais la méthode d’administration a pris une importance mondiale avec les vaccins Pfizer et Moderna ARNm Covid.
C’est un système assez intelligent, car si vous ne faites que livrer l’ARN lui-même au corps humain, l’ARN est dégradé par les nucléases et ne peut pas facilement traverser la membrane cellulaire en raison de sa taille et de sa charge, mais les LNP le livrent en toute sécurité dans la cellule.
Chun-Wan Yen, co-auteur principal, scientifique principal principal du groupe des sciences pharmaceutiques des petites molécules de Genentech
Les LNP sont maintenant largement explorés en tant que système d’administration de vaccins contre d’autres maladies infectieuses ou de vaccins thérapeutiques contre le cancer. La viabilité de ces nouvelles applications dépendra de la façon dont les enveloppes lipidiques fusionnent avec les cellules cibles, de la stabilité des formulations de médicament-LNP en stockage (afin qu’elles aient une longue durée de conservation) et de leur stabilité dans le corps. (afin qu’ils puissent conférer une activité médicamenteuse prolongée).
Toutes ces propriétés sont contrôlées par le mélange de molécules utilisées pour créer le LNP et la structure 3D résultante de la particule. L’équipe dirigée par Yen et ses co-directeurs Greg Hura et Michal Hammel, tous deux biophysiciens du laboratoire de Berkeley, étudie depuis plusieurs années comment ajuster la structure des TNL pour les propriétés souhaitées.
Leur dernier article, publié récemment dans ACS Nano, documente comment un flux de travail à haut débit leur permet de produire et de caractériser des TNL à une vitesse record. L’étude comprend également la toute première démonstration de la corrélation entre la structure de la LNP et l’activité de son contenu, qui pour cette enquête était un oligonucléotide anti-sens (ASO). Les ASO sont de petits extraits de paires de bases d’ARN ou d’ADN qui bloquent l’expression des gènes en se liant à des brins d’ARNm et en les empêchant d’être traduits en protéines. Les ASO sont un excellent moyen de traiter les maladies causées par des protéines défectueuses ou la surabondance d’une protéine. Mais, comme l’ARNm, ils sont sensibles aux nucléases itinérantes – des enzymes qui dégradent l’ARN et l’ADN – et les cellules ne les absorbent pas facilement.
Les scientifiques ont découvert que les LNP porteurs d’ASO avec des structures internes soigneusement ordonnées et étroitement emballées conduisaient à un meilleur silençage d’un gène défectueux dans les neurones humains qui est associé à une maladie dégénérative, par rapport aux LNP qui avaient une structure plus désordonnée. Les résultats proviennent d’études cellulaires, et non d’études animales, il reste donc encore du travail à faire, mais l’équipe est ravie de s’appuyer sur ces connaissances en utilisant les outils complémentaires de chaque institution.
« Nous générons les TNL à haut débit et l’équipe de Greg et Michal peut offrir l’analyse à haut débit », a déclaré Yen. « Si vous vérifiez la publication de nos jours, ils ne font généralement qu’une ou deux formulations, mais pour nous, c’est différent. Nous pouvons générer de grands ensembles de données, et je pense que c’est la raison pour laquelle nous pouvons avoir cette découverte très unique et cool. »
« Ce document définit vraiment la méthode que nous allons appliquer aux milliers d’autres formulations que nous avons l’intention de caractériser », a ajouté Hura, qui fait partie de la zone des biosciences de Berkeley Lab. « Nous espérons que ce sera une méthode générale permettant aux gens d’optimiser leurs nanoparticules lipidiques. Qu’il s’agisse de vaccins, et encore une fois, les vaccins ont reçu la plus grande attention jusqu’à présent, mais ce type de thérapie a une application très large au-delà de cela. »
Comment construire une nanoparticule lipidique
Les structures des TNL sont affectées par la façon dont vous les mélangez, ce que vous mélangez et dans quel ordre. Les LNP ont quatre ingrédients – lipides ionisables, phospholipides auxiliaires, cholestérol et polyéthylène glycol-lipides (PEG-lipides) – et chaque ingrédient a des formes différentes. De plus, ils peuvent être combinés dans différents rapports, conduisant à un nombre exponentiel de formules possibles. Pour compliquer davantage les choses, les TNL changent avec le temps. Une formulation qui commence comme une sphère nette et compacte se transformera éventuellement en une structure plus désordonnée.
Les scientifiques de Genentech ont développé un flux de travail robotisé qui peut générer des centaines de formulations de LNP en quelques heures seulement. Des échantillons de chaque formulation sont ensuite amenés au laboratoire de Berkeley pour effectuer une diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) à l’Advanced Light Source, un accélérateur de particules circulaire qui crée des faisceaux de rayons X de différentes énergies.
La ligne de lumière biologique SAXS peut traiter rapidement de nombreux échantillons, et contrairement à d’autres formes de diffraction des rayons X sur des matériaux biologiques, les échantillons n’ont pas besoin d’être congelés ou cristallisés – ce qui pourrait modifier la structure des LNP et empêcher les scientifiques de découvrir ce que le Les TNL ressembleraient aux températures physiologiques du corps humain. SAXS leur permet également de prendre des instantanés des TNL à des moments précis pour déterminer leur longévité structurelle.
De plus, l’équipe de Genentech utilise un processus accéléré pour étudier comment les LNP affectent l’expression des gènes dans leurs cellules cibles. En combinant toutes ces techniques accélérées, l’ensemble de la collaboration est en mesure de filtrer les TNL potentiels à un rythme sans précédent.
Yen prévoit de continuer à utiliser la ligne de lumière SAXS pour étudier de petits détails, comme la façon dont un changement de 1% de la concentration d’ingrédients ou l’utilisation d’une nouvelle machine pendant la production peut affecter l’activité cellulaire du LNP, ainsi que de grandes questions, telles que si les LNP se comportent différemment s’ils sont transporter d’autres types de fret et comment ils interagissent avec différentes cellules cibles.
« Nous savons que les LNP d’ARNm fonctionnent, mais il existe encore un énorme manque de connaissances », a déclaré Yen. « C’est pourquoi j’ai l’impression que notre article est un pionnier dans ce domaine et j’espère que nous pourrons également générer plus de données et de compréhension pour les futures applications. »
Les autres auteurs qui ont contribué à ce travail sont : Yuchen Fan, Apoorva Sarode, Amy E. Byrnes, Nanzhi Zang, Ponien Kou, Karthik Nagapudi, Dennis Leung, Casper C. Hoogenraad et Tao Chen.
L’ALS est une installation utilisateur du Department of Energy Office of Science. La ligne de lumière SIBYLS où le SAXS a été réalisé est soutenue en partie par le Bureau de la recherche biologique et environnementale du DOE Office of Science.
