Les ingénieurs de l’Université Rice ont développé une nouvelle stratégie pour contrôler la façon dont les peptides thérapeutiques sont libérés à partir de matériaux à base de gélatine, une étape qui pourrait rendre ces molécules petites mais puissantes plus utiles dans l’ingénierie tissulaire et l’administration de médicaments.
Les peptides peuvent être conçus pour favoriser des processus biologiques tels que la formation osseuse, la croissance des vaisseaux sanguins et la réparation des tissus. Comparées aux protéines plus grosses, elles sont souvent plus stables et plus faciles à fabriquer. Leur petite taille crée cependant un défi majeur en termes de distribution : lorsqu’ils sont placés dans des matériaux riches en eau tels que les hydrogels, les peptides peuvent se diffuser rapidement plutôt que de rester sur le site de traitement pendant les jours ou les semaines nécessaires à la guérison.
Dans une nouvelle étude publiée dans Biomatériaux cellulairesLes ingénieurs de Rice, dirigés par Antonios Mikos, professeur Louis Calder de bio-ingénierie et de génie chimique et biomoléculaire, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Kyoto, ont résolu ce problème en ajustant la charge électrique d’un peptide modèle favorisant la promotion des os et des microparticules de gélatine utilisées pour le transporter. Ils ont découvert que l’attraction électrostatique entre le peptide et la gélatine – similaire à l’attraction entre les pôles opposés des aimants – pouvait ralentir la libération du peptide pendant deux à trois semaines.
Les peptides thérapeutiques sont prometteurs car ils peuvent être conçus pour remplir des fonctions biologiques très spécifiques, mais leur petite taille rend difficile leur maintien en place et leur libération dans le temps. En modifiant la charge du peptide, nous avons pu renforcer son interaction avec le support de gélatine et prolonger considérablement sa libération. »
Antonios Mikos, professeur Louis Calder de bio-ingénierie et de génie chimique et biomoléculaire
L’étude s’est concentrée sur le peptide de croissance ostéogénique, ou OGP, une petite molécule associée à la formation osseuse. Les chercheurs ont ajouté de courtes séquences d’acides aminés chargés au peptide, créant ainsi des versions chargées positivement, négativement et électriquement équilibrées. Ils ont ensuite chargé les peptides modifiés dans des microparticules de gélatine. La gélatine a été sélectionnée car elle est biocompatible, couramment utilisée en médecine régénérative et porte naturellement une charge électrique qui peut varier en fonction de la manière dont elle est traitée ; cette polyvalence a permis à l’équipe d’étudier systématiquement comment la charge du peptide et du support affectait le chargement et la libération.
Les chercheurs ont également attaché des séquences peptidiques chargées directement à certaines particules de gélatine pour déterminer si l’ajout de sites de charge plus concentrés au support fournirait un contrôle supplémentaire. Ils ont mesuré la quantité de peptide que les particules pouvaient contenir, la rapidité avec laquelle le peptide était libéré et si les modifications modifiaient le gonflement ou la dégradation des particules.
Les résultats ont montré que la charge électrique ajoutée au peptide thérapeutique lui-même jouait le rôle le plus important dans la détermination de son comportement. Les modifications peptidiques chargées positivement augmentent généralement la rétention dans les particules de gélatine et réduisent la « libération en rafale » initiale qui se produit souvent lorsqu’un matériau d’administration de médicament est d’abord placé dans un environnement liquide.
La charge du support de gélatine a également influencé la délivrance, mais l’ajout de séquences chargées supplémentaires directement à la gélatine a eu un effet plus limité et n’a pas modifié de manière significative le gonflement ou la dégradation globale des particules.
Notamment, une version chargée positivement du peptide a été libérée progressivement pendant 14 à 21 jours dans des conditions contenant des enzymes conçues pour imiter les aspects d’un environnement tissulaire en voie de guérison. Les approches précédentes basées sur l’hydrogel avaient souvent du mal à délivrer de petits peptides solubles pendant plusieurs jours sans les lier chimiquement au support.
« Cette étude démontre que des modifications de charge relativement simples peuvent constituer un moyen puissant d’ajuster l’administration de peptides », a déclaré Emily Jiang, première auteure de l’étude et doctorante dans le laboratoire de Mikos. « Comme le peptide est retenu par des interactions non covalentes plutôt que attaché de manière permanente au support, il peut toujours être libéré sous sa forme soluble et potentiellement rester disponible pour interagir avec les cellules et les tissus environnants. »
Cette approche pourrait aider les chercheurs à adapter la durée pendant laquelle un peptide thérapeutique reste actif dans l’organisme, ce qui pourrait potentiellement permettre la conception d’un système d’administration qui libère des traitements à des rythmes différents. Bien que l’équipe ait évalué un peptide lié à la croissance osseuse dans cette étude, la même stratégie pourrait potentiellement être adaptée à d’autres peptides qui soutiennent la formation de vaisseaux sanguins ou la régénération des tissus.
« Cette plate-forme nous donne plusieurs variables qui peuvent être ajustées pour créer le profil de version souhaité », a déclaré Mikos. « L’objectif plus large est de développer des systèmes d’administration adaptables capables de fournir des peptides thérapeutiques au bon endroit et sur la bonne période pour une application régénérative particulière. »
Cette recherche a été soutenue par le programme de bourses de recherche supérieures de la National Scientific Foundation ainsi que par les boursiers de la Rice Academy et le programme postdoctoral translationnel interdisciplinaire des National Institutes of Health.
