Dans une découverte qui pourrait élargir l'accès aux médicaments et vaccins biologiques de nouvelle génération, les chercheurs de l'École d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago Pritzker (UCHicago PME) ont des nanoparticules à base de polymère conçues qui se forment avec un simple changement de température – des produits rigoureux, pas d'équipement spécialisé et aucun traitement nécessaire.
Les nouvelles nanoparticules, décrites dans Génie biomédical de la naturel'auto-assemblage à température ambiante dans l'eau et, en raison de ces conditions douces, peut fournir des protéines, qui sont instables dans de nombreuses formulations de nanoparticules existantes.
Ce qui m'excite dans cette plate-forme, c'est sa simplicité et sa polyvalence. En réchauffant simplement un échantillon de la température du réfrigérateur à la température ambiante, nous pouvons fabriquer de manière fiable des nanoparticules prêtes à livrer une grande variété de médicaments biologiques. «
Stuart Rowan, auteur co-ennior, le professeur Barry L. MacLean pour l'innovation et l'entreprise d'ingénierie moléculaire à Uchicago Pritzker Engineering et scientifique du personnel Argonne National Laboratory
Du problème à la plate-forme
Les nanoparticules sont essentielles pour protéger les médicaments délicats comme l'ARN et les protéines de la dégradation dans le corps avant d'atteindre les cellules bonnes. Les nanoparticules lipidiques (LNP), en molécules grasses, ont permis les vaccins d'ARNm Covid-19, par exemple. Mais les LNP s'appuient sur des solvants à base d'alcool et les étapes de fabrication sensibles les rendant mal adaptés à la livraison des protéines et à l'échelle difficile.
« Nous voulions fabriquer un système de livraison qui pourrait fonctionner pour les thérapies ARN et les thérapies à l'heure actuelle, la plupart des plateformes sont spécialisées pour une seule », a déclaré le premier auteur Samir Hossainy, un étudiant diplômé d'UCHicago PME. « Nous voulions également le rendre évolutif, sans avoir besoin de solvants toxiques ou de microfluidiques complexes. »
Hossainy a émis l'hypothèse que les nanoparticules à base de polymère pourraient offrir une alternative plus robuste et personnalisable. Il a décrit les caractéristiques requises; Le système immunitaire ne répondra qu'aux particules avec certaines tailles, formes et charges. Ensuite, il a utilisé des outils chimiques pour commencer à concevoir de nouvelles nanoparticules à partir de zéro.
Après avoir essayé et affiné, plus d'une douzaine de matériaux différents, il en a trouvé un qui a fonctionné. Dans l'eau froide, le polymère – et tout ce qui est réalisé par protéine souhaité s'est dissous. Mais lorsqu'elle est chauffée à température ambiante, le polymère s'est auto-assemblé en nanoparticules de taille uniforme (ou «polymères») entourant les molécules de protéines.
« Notre taille de particules et notre morphologie ne sont dictées que par la chimie des polymères que j'ai conçues de bas en haut », a expliqué Hossainy. « Nous n'avons pas à nous soucier de la formation de différentes particules, ce qui est un défi avec beaucoup de nanoparticules d'aujourd'hui. »
Transport de cargaison polyvalente
Pour tester les nouveaux polymères, Hossainy a travaillé avec des collègues du laboratoire de Rowan ainsi qu'avec l'ancien PME d'UCHicago, le professeur Jeffrey Hubbell, maintenant à l'Université de New York. Premièrement, ils ont montré que les particules peuvent encapsuler plus de 75% des protéines et près de 100% de la cargo ARN interférences courtes (siRNA) plus élevé que la plupart des systèmes actuels et qu'ils peuvent être séchés et stockés sans réfrigération jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires.
Dans le contexte de la vaccination, Hossainy et ses collaborateurs ont constaté que les polymères pouvaient efficacement transporter une protéine et, lorsqu'ils sont injectés chez les souris, conduire les systèmes immunitaires des animaux à générer des anticorps durables contre cette protéine. Une autre expérience a montré que les nanoparticules pouvaient également transporter des protéines conçues pour empêcher une réponse immunitaire dans le contexte de l'asthme allergique. Et un tiers a montré que l'injection de polymères dans les tumeurs pouvait bloquer les gènes liés au cancer et supprimer la croissance tumorale chez la souris.
« Ce qui est passionnant, c'est que nous n'avions pas besoin d'adapter un système différent pour chaque cas d'utilisation », a déclaré Hossainy. « Cette formulation a fonctionné pour tout ce que nous avons essayé les protéines, l'ARN, l'activation immunitaire, la suppression immunitaire et le ciblage direct des tumeurs. »
Une solution évolutive pour les vaccins mondiaux
L'un des plus grands avantages des nouveaux polymères par rapport aux LNP actuels est le potentiel de production décentralisée de faible technologie. Hossainy dit qu'il imagine être capable d'expédier des formulations lyophilisées des nanoparticules à partout dans le monde. Lorsqu'ils doivent être utilisés, ils peuvent être mélangés dans de l'eau froide, réchauffés et seront prêts à livrer aux patients.
« La possibilité de stocker ces secs améliore considérablement la stabilité de l'ARN ou de la protéine », a déclaré Hossainy.
Le groupe continue de travailler sur le tournage fin des particules pour transporter plus de types de fret, y compris l'ARN messager comme celui utilisé dans les vaccins Covid-19 (généralement beaucoup plus grand que l'ARNsi utilisé dans l'essai actuel). Ils prévoient également de collaborer sur des essais précliniques pour appliquer les polymères aux défis du vaccin ou de l'administration de médicaments réels.
