Les ingénieurs de Penn ont modifié les nanoparticules lipidiques (LNP) – ; la technologie révolutionnaire derrière les vaccins à ARNm contre la COVID-19 – ; non seulement traverser la barrière hémato-encéphalique (BBB), mais également cibler des types spécifiques de cellules, y compris les neurones. Cette percée marque une étape importante vers des traitements potentiels de nouvelle génération pour les maladies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson.
Dans un nouvel article en Lettres nanoles chercheurs démontrent comment les peptides – ; courtes chaînes d'acides aminés – ; peuvent servir de molécules de ciblage précises, permettant aux LNP de délivrer de l'ARNm spécifiquement aux cellules endothéliales qui tapissent les vaisseaux sanguins du cerveau, ainsi qu'aux neurones.
Cela représente une avancée importante dans la fourniture d’ARNm aux types de cellules qui seraient essentiels au traitement des maladies neurodégénératives ; de tels traitements devront garantir que l’ARNm arrive au bon endroit. Des travaux antérieurs menés par les mêmes chercheurs ont prouvé que les LNP peuvent traverser la BHE et délivrer de l'ARNm au cerveau, mais n'ont pas tenté de contrôler les cellules ciblées par les LNP.
Notre premier article était une preuve de concept de nanoparticules lipidiques. C'était comme montrer que nous pouvions envoyer un colis de Pennsylvanie en Californie, mais nous n'avions aucune idée de l'endroit où il aboutirait en Californie. Désormais, grâce aux peptides, nous pouvons adresser le colis à des destinations spécifiques avec des fonctionnalités partagées, comme chaque maison avec une boîte aux lettres rouge. »
Michael J. Mitchell, professeur agrégé en bio-ingénierie (BE) et auteur principal de l'article
Sommaire
Le défi de l’accès au cerveau
Traverser la BHE est difficile car la structure a évolué pour empêcher l'entrée de pratiquement toutes les molécules dangereuses ou étrangères, y compris la plupart des médicaments ; Les molécules d’ARNm sont trop grosses pour pénétrer la barrière, comme le sont la plupart des produits pharmaceutiques. Le BBB expulse également activement les matériaux qu’il juge dangereux.
« Vous pouvez injecter un traitement directement dans le cerveau ou la colonne vertébrale, mais ce sont des procédures hautement invasives », explique Emily Han, doctorante au Mitchell Lab et première auteure de l'article.
Parce que le BBB laisse passer les molécules liposolubles (comme l’alcool et le THC, raison pour laquelle ces substances affectent le cerveau), certaines formulations de LNP, qui sont en partie constituées de la même famille de composés gras que l’on trouve dans les huiles de tous les jours, peuvent se faufiler dans le cerveau.
Peptides vs anticorps
Jusqu’à présent, la plupart des recherches sur le ciblage d’organes spécifiques avec des LNP se sont concentrées sur leur combinaison avec des anticorps, de grosses protéines qui fonctionnent comme des étiquettes biologiques. « Lorsque vous placez des anticorps sur des LNP, ils peuvent devenir instables et plus gros, ce qui rend très difficile le passage à travers la barrière », explique Han.
Contrairement aux anticorps, qui peuvent avoir une longueur de plusieurs centaines d’acides aminés, les peptides ne comptent que quelques dizaines d’acides aminés. Leur plus petite taille signifie qu'ils sont non seulement plus faciles à placer en grand nombre sur les LNP, mais aussi moins chers à fabriquer. Les peptides sont également beaucoup moins susceptibles que les anticorps de s'agréger lors de la formulation du LNP ou de provoquer des réponses immunitaires involontaires.
Le choix d’utiliser des peptides a commencé avec une rencontre inattendue entre Han et une chauve-souris qui s’est envolée dans sa chambre, l’exposant potentiellement à la rage. En recherchant les vaccins qu'elle a reçus contre la maladie, Han a appris que l'un des moyens par lesquels le virus de la rage traverse la BHE passe par la glycoprotéine du virus de la rage. « Je suis ensuite tombé sur l'un de nos peptides de ciblage les plus prometteurs », explique Han, une molécule connue sous le nom de RVG29, un segment de 29 acides aminés de cette protéine.
Tester le concept
Pour confirmer que les peptides fonctionnaient comme prévu, les chercheurs devaient d’abord vérifier qu’ils adhéraient aux LNP. « Nos LNP sont un mélange complexe d'acides nucléiques, de lipides et de peptides », explique Han. « Nous avons dû optimiser les méthodes de quantification pour distinguer les peptides de tous ces autres signaux. »
Une fois qu’ils ont su que les peptides avaient adhéré aux LNP, les chercheurs ont ensuite dû déterminer si les LNP fonctionnalisées par les peptides (pLNP) atteignaient réellement les cibles prévues dans les modèles animaux. « C'est vraiment difficile à mettre en place », explique Han, « car dans le cerveau, il y a tellement de types de cellules différents et beaucoup de graisse qui peuvent interférer avec les mesures. » Pendant plus de six mois, Han a minutieusement développé un protocole pour démonter soigneusement les tissus cérébraux, presque comme un mécanicien démontait un moteur.
Orientations futures
Ensuite, l’équipe vise à déterminer quelle fraction de neurones doit être traitée avec des pLNP pour soulager de manière significative les symptômes ou potentiellement guérir des maladies neurologiques. « En revenant à la même analogie, devons-nous les envoyer à chaque maison avec une boîte aux lettres rouge, ou seulement 10 % d'entre elles ? Est-ce que 10 % de neurones suffiraient ? » demande Mitchell.
Répondre à cette question guidera le développement de stratégies d'administration encore plus efficaces, rapprochant ainsi de la réalité la promesse des traitements à base d'ARNm pour la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et d'autres maladies cérébrales.
Cette étude a été menée à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Pennsylvanie et soutenue par les National Institutes of Health des États-Unis (DP2 TR002776), le Burroughs Wellcome Fund, la National Science Foundation des États-Unis (CBET-2145491) et l'American Cancer Society. (RSG-22-122-01-ET).
Les co-auteurs supplémentaires incluent Sophia Tang, Dongyoon Kim, Amanda M. Murray, Kelsey L. Swingle, Alex G. Hamilton, Kaitlin Mrksich, Marshall S. Padilla et Jacqueline Li de Penn Engineering, et Rohan Palanki de Penn Engineering et de l'hôpital pour enfants. de Philadelphie.
