Les nanoparticules lipidiques (LNP) sont les vecteurs de la médecine moderne, transportant des médicaments contre le cancer, des thérapies géniques et des vaccins dans les cellules. Jusqu’à récemment, de nombreux scientifiques pensaient que tous les PNL suivaient plus ou moins le même modèle, comme une flotte de camions construits à partir du même modèle.
Maintenant, dans Biotechnologie naturelledes chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, du Brookhaven National Laboratory et de Waters Corporation ont caractérisé la forme et la structure des LNP avec des détails sans précédent, révélant que les particules se présentent dans une variété surprenante de configurations. Cette variété n’est pas seulement esthétique : comme les chercheurs l’ont découvert, la forme et la structure internes d’une particule sont en corrélation avec la façon dont elle transporte une cargaison thérapeutique vers une destination particulière.
Traiter les LNP comme un seul modèle de voiture a fonctionné, comme en témoignent les millions de personnes que ces particules ont aidées, mais les LNP ne sont pas universelles pour chaque thérapie à ARN. Tout comme les camionnettes, les camionnettes de livraison et les camions de fret conviennent le mieux à différents trajets, nous pouvons désormais commencer à adapter les conceptions LNP à des thérapies et à des tissus particuliers, rendant ces particules encore plus efficaces. »
Michael J. Mitchell, professeur agrégé de bio-ingénierie, Penn Engineering et co-auteur principal de l'article
« Ces résultats fournissent une compréhension plus fondamentale de la manière dont la composition et la forme de ces particules thérapeutiques sont liées à leur biologie », ajoute Kushol Gupta, professeur adjoint de recherche en biochimie et biophysique à la Perelman School of Medicine de Penn et autre co-auteur principal de l'article. « Ces particules ont déjà fait leurs preuves en clinique, et ces connaissances les rendront encore plus puissantes en nous aidant à adapter plus rapidement leur administration à des maladies spécifiques. »
Sommaire
Illuminer la boîte noire
Ces dernières années, le Mitchell Lab, entre autres, a découvert que différentes formulations de LNP avaient des effets biologiques variables. L’ajout de groupes phénols, par exemple, réduit l’inflammation, tandis que les lipides ionisables ramifiés améliorent l’administration.
« C'est presque comme développer une recette », explique Marshall Padilla, chercheur postdoctoral en bio-ingénierie et premier auteur du nouvel article. « Nous savons que différents ingrédients et techniques modifient les résultats. »
Mais comprendre pourquoi certaines modifications chimiques conduisent à des effets biologiques particuliers s’avère difficile. « Ces particules sont en quelque sorte une » boîte noire « », ajoute Padilla. « Nous avons dû développer de nouvelles formulations principalement par essais et erreurs. »
Mettre l’accent sur les TNL
Pour visualiser les particules, les chercheurs ont utilisé plusieurs techniques. En revanche, les études antérieures reposaient généralement sur une seule méthode, comme la congélation des particules sur place.
En raison de la taille des particules – il faudrait des milliers de LNP pour encercler un cheveu humain – des travaux antérieurs étiquetaient également fréquemment les particules avec des matériaux fluorescents et faisaient des mesures moyennes, au risque de modifier la forme des particules et d'obscurcir les variations.
« Nous devions combiner plusieurs techniques fondamentalement différentes qui laissaient les particules intactes en solution », explique Gupta. « De cette façon, nous pouvions être sûrs que l'accord entre les méthodes nous montrait à quoi ressemblaient réellement les particules. »
Trois techniques, une étude
Les chercheurs ont examiné quatre formulations LNP « de référence », y compris celles utilisées dans les vaccins COVID-19 et Onpattro, un traitement approuvé par la FDA pour une maladie génétique rare.
Une technique de visualisation, l’ultracentrifugation analytique à vitesse de sédimentation (SV-AUC), impliquait de faire tourner les LNP à grande vitesse pour les séparer par densité.
Un autre fractionnement par flux de champ couplé à la diffusion de la lumière multi-angle (FFF-MALS) a séparé doucement les LNP par taille et a mesuré la façon dont l'acide nucléique était distribué entre les différentes particules.
Une troisième chromatographie d'exclusion de taille en ligne avec la diffusion synchrotron des rayons X aux petits angles (SEC-SAXS), a permis aux chercheurs d'étudier la structure interne des LNP en les frappant avec de puissants faisceaux de rayons X au National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie (DOE) au laboratoire national de Brookhaven du DOE.
« Nous pensions que les LNP ressemblaient à des billes », explique Gupta, résumant les résultats. « Mais ils ressemblent en réalité davantage à des bonbons à la gelée, irréguliers et variés, même au sein d'une même formulation. »
Le pouvoir de la collaboration
Les résultats auraient été impossibles à obtenir sans la collaboration du monde universitaire, de l’industrie et d’un laboratoire national.
« Nous avons développé des méthodes pour mesurer à la fois la taille des nanoparticules lipidiques et leur teneur en médicaments sans briser les particules », explique Martin Kurnik, scientifique principal de Wyatt Technology chez Waters Corporation, qui a dirigé les expériences FFF-MALS.
« Les capacités du Brookhaven National Lab ont permis une expérience unique combinant les rayons X avec la lumière ultraviolette pour quantifier les caractéristiques géométriques des particules », ajoute James Byrnes, scientifique sur la ligne de lumière au NSLS-II, qui a mené les expériences SEC-SAXS. « Cela ouvre la voie à la caractérisation des formulations de particules à grande échelle et met en évidence le potentiel passionnant d'une collaboration plus approfondie entre les installations synchrotron et les développeurs du LNP. »
« L'ensemble de ce projet témoigne du pouvoir des différentes institutions mettant en commun leurs ressources et leur expertise », déclare Padilla. « Nous n'avons pu visualiser les particules avec autant de détails que parce que chaque partenaire les voyait sous un angle différent. »
Tester les effets
Une fois que les chercheurs ont caractérisé les formulations de LNP, ils ont testé leurs effets sur une gamme de cibles, depuis les cellules T humaines et les cellules cancéreuses jusqu'aux modèles animaux.
Hannah Yamagata, doctorante au Mitchell Lab, a découvert que certaines structures internes des particules correspondaient à de meilleurs résultats, comme davantage de marchandises déchargées ou davantage de livraisons atteignant la cible. « Fait intéressant, cela variait en fonction du contexte », explique Yamagata.
Certaines formulations de LNP ont eu de meilleurs résultats dans les cellules immunitaires, par exemple, tandis que d'autres ont montré une plus grande puissance dans les modèles animaux. « Le bon modèle de TNL dépend de la destination », ajoute Yamagata.
Mélanger le bon lot
Les chercheurs ont également remarqué que, selon la méthode utilisée pour préparer les LNP, les caractéristiques et la puissance des particules variaient.
Les dispositifs microfluidiques, qui poussent les ingrédients dans de petits tubes, ont permis d'obtenir des formes et des tailles plus cohérentes, tandis que le mélange manuel à l'aide de micropipettes a entraîné davantage de variations.
Jusqu'à présent, les chercheurs pensaient que les dispositifs microfluidiques fonctionnaient mieux, mais Yamagata a constaté que le micropipetage produisait de meilleurs résultats dans certains cas.
« C'est un peu comme préparer des biscuits », dit-elle. « Vous pouvez utiliser les mêmes ingrédients, mais si vous les préparez différemment, le produit final aura une structure différente. »
Orientations futures
Les résultats ouvrent la porte à une nouvelle ère de conception rationnelle des TNL, allant au-delà de l’approche actuelle d’essais et d’erreurs.
Plutôt que de supposer une seule « meilleure » formulation, l’étude montre que la taille, la forme, la structure interne et la méthode de préparation des particules doivent être adaptées au contexte thérapeutique. « Il n'existe pas de TNL universelle », déclare Yamagata. « Chaque détail affecte leur forme et leur structure, et la forme et la structure affectent leur fonction. »
Même si certains des outils utilisés dans les expériences, comme un accélérateur de particules, sont difficiles d'accès, de nombreuses étapes peuvent être reproduites avec des équipements plus courants. À mesure que des laboratoires supplémentaires génèrent des données structurelles et fonctionnelles, le domaine pourrait même rassembler les ensembles de données nécessaires à la formation de l'IA pour la conception du LNP.
En fin de compte, les résultats laissent entrevoir un avenir dans lequel les nanoparticules pourront être conçues avec la même précision que les médicaments eux-mêmes. « Cet article fournit une feuille de route pour concevoir des PNL de manière plus rationnelle », explique Mitchell.
