Dans cette interview réalisée à Pittcon 2023 à Philadelphie, en Pennsylvanie, nous avons parlé au Dr Chad Mirkin, directeur de l’Institut international de nanotechnologie, de son travail dans le domaine des nanomatériaux.
Sommaire
Pourriez-vous vous présenter et me parler un peu de vos activités de recherche ?
Je m’appelle Chad Mirkin et je suis professeur de chimie et directeur de l’Institut international de nanotechnologie de la Northwestern University. J’y suis depuis plus de 30 ans, me concentrant sur le développement de nanomatériaux et de dispositifs qui peuvent faire progresser les capacités analytiques allant des outils de diagnostic moléculaire aux moyens de manipuler l’expression des gènes et, finalement, de développer de nouvelles modalités thérapeutiques.
Comment avez-vous commencé à vous impliquer dans l’Institut international de nanotechnologie ?
Nous avons créé l’Institut international de nanotechnologie il y a environ 25 ans. À l’époque, c’était le premier institut du genre. Nous avons saisi une opportunité alors que ce domaine prenait son essor et nous avons commencé à construire un épicentre incroyable pour ce type de recherche qui a attiré des gens du monde entier, y compris des professeurs fantastiques, des post-doctorants et des étudiants qui contribuent tous au développement de ces outils basés sur les nanotechnologies.
Quels sont les principaux défis limitant le développement d’outils diagnostiques et thérapeutiques de nouvelle génération ?
Les défis sont nombreux. Cela dépend s’il s’agit de diagnostic ou de thérapeutique. Sur le plan du diagnostic, il s’agit de ce que vous pouvez détecter, du peu que vous pouvez détecter et de l’endroit où vous pouvez le détecter. La nanotechnologie joue un rôle crucial dans cet aspect, car les nanostructures permettent la création de matériaux multifonctionnels capables de naviguer dans divers environnements, de se lier à des cibles de manière très spécifique et de signaler de manière unique. Ces propriétés se traduisent par des capacités de diagnostic innovantes. Les nanosciences et la technologie peuvent être appliquées aux diagnostics in vitro, intracellulaires ou même in vivo. Sur le plan thérapeutique, tout dépend de la manière dont vous apportez les modalités médicamenteuses au point ou à la zone où elles sont nécessaires. Cela implique souvent de naviguer dans un milieu très complexe de tissus, de cellules et de compartiments à l’intérieur des cellules. La multifonctionnalité des nanostructures vous permet de le faire de manière unique.
Crédit d’image : Maltsev Semion/Shutterstock.com
Quels sont certains des domaines communs dans le domaine médical où les nanomatériaux sont actuellement utilisés ?
Des outils de diagnostic sont utilisés partout qui sont basés sur la nanotechnologie. Un exemple est le système Verigene, qui a été développé par Nanosphere, une entreprise que nous avons lancée il y a environ 20 ans. La société qui a d’abord commercialisé le système Verigene a été rachetée par Luminex, que DiaSorin a ensuite rachetée. Cet outil est utilisé dans plus de la moitié des meilleurs hôpitaux du monde pour suivre les marqueurs génétiques associés à la maladie.
Il existe des constructions appelées nano-fusées qui ont été utilisées partout dans le monde pour mesurer la teneur en ARN intracellulaire. Aujourd’hui, toute une série d’outils sont en cours de développement, qui deviendront des outils commerciaux qui vous permettront d’améliorer ces capacités, mais aussi d’aller dans des domaines inexplorés, notamment in vivo imagerie.
Y a-t-il des nanomatériaux qui ont été particulièrement importants dans ce domaine, et pourquoi ?
Un exemple de matériau important est ce qu’on appelle un acide nucléique sphérique, que nous avons inventé il y a 25 ans. Ce sont des constructions qui sont fabriquées en prenant de petits extraits d’ADN ou d’ARN et en les fonctionnalisant chimiquement afin qu’ils puissent être placés sur les surfaces de particules sphériques – de minuscules nanoparticules. En haute densité, les brins d’ADN ou d’ARN sont obligés de se tenir debout et d’adopter la forme du noyau de la particule, d’où le terme d’acide nucléique sphérique. Ces constructions sont à la base des sondes commerciales utilisées dans le système Verigene, par exemple.
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Ils sont également à la base de la technologie nano-flare. Ils sont à la base de la technologie fit-flare et de nombreuses nouvelles modalités de médicaments qui vous permettent de contrôler l’expression des gènes de manière unique et de créer de nouveaux vaccins. Ils peuvent devenir les adjuvants des vaccins et, lorsqu’ils sont modifiés avec des peptides, ils peuvent être utilisés pour entraîner votre système immunitaire à éradiquer de manière sélective des maladies infectieuses, comme le COVID, ou différentes formes de cancer. Ils constituent également la base de nouveaux types de capacités d’édition de gènes CRISPR. Contrairement à l’ADN et à l’ARN normaux, les acides nucléiques sphériques peuvent pénétrer assez librement dans les cellules et les tissus.
Si vous prenez Cas9, la protéine impliquée dans CRISPR, ou l’une des protéines Cas, et que vous la modifiez avec de l’ADN et que vous la chargez avec les composants CRISPR, vous pouvez maintenant l’introduire dans des cellules et des tissus dans lesquels vous ne pourriez normalement pas l’introduire. Vous pouvez affecter l’édition de gènes de manière nouvelle et puissante.
Quels rôles l’analyse toxicologique joue-t-elle dans la mise en place de dispositifs de soins de santé basés sur les nanomètres ?
La toxicité est toujours une préoccupation majeure de tout ce qui sera utilisé in vivo. Mais même pour les choses utilisées in vitro, vous voulez connaître la toxicité de base des différents composants. Savoir où et comment utiliser ces constructions en toute sécurité est une grande partie de tout exercice, comme le développement de sondes ou d’outils thérapeutiques.
Quelle est l’importance d’une approche multidisciplinaire pour les flux de travail qui espèrent intégrer les nanotechnologies dans la conception d’un nouveau système diagnostique ou thérapeutique ?
La nanotechnologie est le domaine interdisciplinaire par excellence dans le sens où il s’agit vraiment de redéfinir l’ensemble de la science, de l’ingénierie et des aspects de la médecine. Lorsque vous prenez un matériau et que vous le réduisez en taille ou en composants moléculaires et que vous les assemblez à l’échelle nanométrique, ces constructions ont toutes de nouvelles propriétés qui sont très différentes de la masse.
Il y a beaucoup de découvertes scientifiques là-bas – comprendre la structure-fonction, les relations – et les applications. Comment puis-je utiliser ces propriétés pour développer de nouveaux outils qui peuvent piloter la biologie, qui peuvent piloter la médecine, qui peuvent piloter l’énergie propre, qui peuvent piloter l’optique ou l’électronique ? En fonction de l’utilisation que nous faisons de ces matériaux, nous faisons appel à différentes disciplines pour résoudre ces problèmes, souvent de manière très axée sur l’équipe. Il est rare de voir quelqu’un vraiment exceller dans ce domaine qui n’a pas un large éventail de compétences ou qui ne s’entoure pas de beaucoup de gens de différents domaines.
Existe-t-il des nanotechnologies particulières qui aident à cibler des maladies dévastatrices comme le cancer ?
Il existe de nombreuses nanotechnologies. C’est l’un des domaines d’avancement les plus excitants. Nous venons de traverser le COVID, et les vaccins développés pour se protéger contre le COVID ont indéniablement été une révolution en médecine. Ces vaccins, des particules lipidiques qui renferment de l’ARNm, peuvent vous permettre de tromper ou d’apprendre efficacement à vos cellules comment produire des antigènes qui déclenchent une réponse immunitaire spécifique. Ce sont des exemples de la façon dont les nanostructures ou les microstructures, dans ce cas particulier, peuvent jouer un rôle important en termes de moteur du développement de la médecine.
Cela s’améliore encore lorsque vous commencez à construire des structures plus petites et à contrôler la présentation des composants afin de pouvoir développer de nouvelles formes puissantes d’immunothérapie qui combattent le cancer de manière unique, par exemple, en étant capable non seulement de réguler la manière dont ces composants pénètrent dans les cellules. , mais aussi comment ils sont traités dans ces cellules afin de maximiser l’efficacité d’un type particulier de médicament ou, dans ce cas, d’un vaccin.
Sur quoi travaillez-vous en ce moment qui vous passionne particulièrement ?
Le concept qui sous-tend la vaccinologie rationnelle est que la structure compte. Si vous pensez au développement pharmaceutique au cours des cinq dernières décennies, il s’est fortement concentré sur le cas des petites molécules et des produits biologiques sur la structure. Parfois, un seul atome peut modifier l’efficacité d’un médicament.
Avec les vaccins, on ne fait pas ça. C’est étonnant. Nous prenons deux composants, un adjuvant et un antigène, les mélangeons, injectons et espérons une réponse immunitaire appropriée. La vaccinologie rationnelle dit que si je prends ces composants dans une nanostructure et que je les présente de différentes manières, je peux obtenir des effets différents et passer d’un accès inefficace à un accès curatif de manière significative.
Avec de nombreux modèles animaux différents, nous avons montré que la vaccinologie rationnelle est réelle et que si vous prenez une série de composants conçus pour créer un vaccin et que vous les structurez de manière appropriée, vous pouvez considérablement maximiser leur efficacité.
Avec les vaccins, on ne fait pas ça. C’est étonnant. Nous prenons deux composants, un adjuvant et un antigène, les mélangeons, injectons et espérons une réponse immunitaire appropriée. La vaccinologie rationnelle dit que si je prends ces composants dans une nanostructure et que je les présente de différentes manières, je peux obtenir des effets différents et passer de l’inefficace à l’accès curatif de manière significative.
Avec de nombreux modèles animaux différents, nous avons montré que la vaccinologie rationnelle est réelle et que si vous prenez une série de composants conçus pour créer un vaccin et que vous les structurez de manière appropriée, vous pouvez considérablement maximiser leur efficacité.
Qu’est-ce qui vous enthousiasme le plus pour Pittcon 2024 l’année prochaine à San Diego ?
J’adore voir tous les nouveaux outils et fonctionnalités qui sont mis en ligne. Les outils dirigent mon domaine. Ils conduisent presque tous les champs. Les outils d’analyse sont vraiment l’épine dorsale de tout ce que nous faisons. De nouvelles capacités conduisent à de nouvelles avancées. De nouvelles avancées mènent à de nouvelles opportunités.
La pandémie de COVID-19 a eu un impact sur des expositions telles que Pittcon. Dans quelle mesure est-il important que les conférenciers et les exposants se rencontrent face à face lors d’événements comme celui-ci ?
Les événements en face à face comme Pittcon sont essentiels. Tant de choses ont été perdues au cours des années de COVID, non seulement en termes de productivité de laboratoire, mais en termes de contacts personnels et d’échange d’informations. La science prospère lorsqu’il y a beaucoup d’interaction entre les scientifiques. Cette interaction est bien meilleure en face à face que via Zoom ou d’autres capacités de type à distance.
À propos du Dr Chad Mirkin
Chad A. Mirkin, PhD, est directeur de l’Institut international de nanotechnologie et professeur Rathmann de chimie, science et génie des matériaux, génie chimique et biologique, génie biomédical et médecine à la Northwestern University. Il est un chimiste et un expert en nanosciences, connu pour son invention des acides nucléiques sphériques, de la nanolithographie à plume plongeante et des méthodologies associées de découverte de matériaux et de nanomotifs sans porte-à-faux, et de l’impression rapide à grande surface ainsi que pour ses contributions à la synthèse de nanoparticules et à la chimie supramoléculaire. Il est l’auteur de plus de 850 articles et de plus de 1 200 brevets dans le monde (> 400 délivrés) et a fondé plus de 10 entreprises. Mirkin a été récompensé par plus de 250 prix. Il a siégé pendant huit ans au Conseil consultatif du président sur la science et la technologie et est l’un des rares scientifiques à avoir été élu aux trois académies nationales américaines ainsi qu’à l’Académie américaine des arts et des sciences. Mirkin a siégé aux comités consultatifs de rédaction de plus de 30 revues savantes, est le rédacteur fondateur de la revue Small, a été rédacteur en chef adjoint de J. Am. Chim. Soc., et est un Proc. Natl. Acad. Sci. Membre du comité de rédaction des États-Unis.
À propos de Pitcon
Pitcon® est une marque déposée de The Pittsburgh Conference on Analytical Chemistry and Applied Spectroscopy, une organisation à but non lucratif de Pennsylvanie. Coparrainé par la Spectroscopy Society of Pittsburgh et la Society for Analytical Chemists of Pittsburgh, Pittcon est la première conférence et exposition annuelle sur les sciences de laboratoire.
Le produit de Pittcon finance l’éducation scientifique et la sensibilisation à tous les niveaux, de la maternelle à l’adulte. Pittcon fait don de plus d’un million de dollars par an pour fournir un soutien financier et administratif à diverses activités de vulgarisation scientifique, notamment des subventions d’équipement scientifique, des subventions de recherche, des bourses et des stages pour les étudiants, des prix aux enseignants et aux professeurs et des subventions aux centres scientifiques publics, bibliothèques et musées .
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