Des ingénieurs du MIT et de la faculté de médecine de l’Université du Massachusetts ont conçu un nouveau type de nanoparticule qui peut être administrée dans les poumons, où elle peut délivrer de l’ARN messager codant pour des protéines utiles.
Avec un développement ultérieur, ces particules pourraient offrir un traitement inhalable pour la fibrose kystique et d’autres maladies pulmonaires, selon les chercheurs.
Il s’agit de la première démonstration d’une délivrance très efficace d’ARN dans les poumons chez la souris. Nous espérons qu’il pourra être utilisé pour traiter ou réparer une gamme de maladies génétiques, y compris la fibrose kystique. »
Daniel Anderson, professeur au département de génie chimique du MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research and Institute for Medical Engineering and Science (IMES) du MIT
Dans une étude sur des souris, Anderson et ses collègues ont utilisé les particules pour délivrer de l’ARNm codant pour la machinerie nécessaire à l’édition de gènes CRISPR/Cas9. Cela pourrait ouvrir la porte à la conception de nanoparticules thérapeutiques capables de supprimer et de remplacer les gènes responsables de maladies.
Les principaux auteurs de l’étude, qui paraît aujourd’hui dans Biotechnologie naturelle, sont Anderson ; Robert Langer, professeur à l’Institut David H. Koch au MIT ; et Wen Xue, professeur agrégé à l’Institut thérapeutique ARN de l’UMass Medical School. Bowen Li, un ancien postdoctorant du MIT qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de Toronto; Rajith Singh Manan, postdoctorant au MIT ; et Shun-Qing Liang, post-doctorant à l’UMass Medical School, sont les principaux auteurs de l’article.
Cibler les poumons
L’ARN messager a un grand potentiel en tant que thérapeutique pour le traitement de diverses maladies causées par des gènes défectueux. Un obstacle à son déploiement jusqu’à présent a été la difficulté à le délivrer à la bonne partie du corps, sans effets hors cible. Les nanoparticules injectées s’accumulent souvent dans le foie, de sorte que plusieurs essais cliniques évaluant les traitements potentiels de l’ARNm pour les maladies du foie sont actuellement en cours. Les vaccins Covid-19 à base d’ARN, qui sont injectés directement dans les tissus musculaires, se sont également révélés efficaces. Dans bon nombre de ces cas, l’ARNm est encapsulé dans une nanoparticule lipidique – ; une sphère grasse qui protège l’ARNm d’une dégradation prématurée et l’aide à pénétrer dans les cellules cibles.
Il y a plusieurs années, le laboratoire d’Anderson a entrepris de concevoir des particules qui seraient mieux à même de transfecter les cellules épithéliales qui composent la majeure partie de la muqueuse des poumons. En 2019, son laboratoire a créé des nanoparticules capables de délivrer de l’ARNm codant une protéine bioluminescente aux cellules pulmonaires. Ces particules étaient fabriquées à partir de polymères au lieu de lipides, ce qui les rendait plus faciles à aérosoliser pour être inhalées dans les poumons. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires sur ces particules pour augmenter leur puissance et maximiser leur utilité.
Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont entrepris de développer des nanoparticules lipidiques qui pourraient cibler les poumons. Les particules sont constituées de molécules qui contiennent deux parties : un groupe de tête chargé positivement et une longue queue lipidique. La charge positive du groupe de tête aide les particules à interagir avec l’ARNm chargé négativement, et aide également l’ARNm à s’échapper des structures cellulaires qui engloutissent les particules une fois qu’elles pénètrent dans les cellules.
La structure de la queue lipidique, quant à elle, aide les particules à traverser la membrane cellulaire. Les chercheurs ont proposé 10 structures chimiques différentes pour les queues lipidiques, ainsi que 72 groupes de tête différents. En criblant différentes combinaisons de ces structures chez la souris, les chercheurs ont pu identifier celles qui étaient les plus susceptibles d’atteindre les poumons.
Livraison efficace
Dans d’autres tests sur des souris, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser les particules pour délivrer de l’ARNm codant pour les composants CRISPR/Cas9 conçus pour couper un signal d’arrêt génétiquement codé dans les cellules pulmonaires des animaux. Lorsque ce signal d’arrêt est supprimé, un gène pour une protéine fluorescente s’allume. La mesure de ce signal fluorescent permet aux chercheurs de déterminer quel pourcentage de cellules a exprimé avec succès l’ARNm.
Après une dose d’ARNm, environ 40% des cellules épithéliales pulmonaires ont été transfectées, ont découvert les chercheurs. Deux doses ont amené le niveau à plus de 50 % et trois doses jusqu’à 60 %. Les cibles les plus importantes pour le traitement des maladies pulmonaires sont deux types de cellules épithéliales appelées cellules massues et cellules ciliées, et chacune d’entre elles a été transfectée à environ 15 %.
« Cela signifie que les cellules que nous avons pu éditer sont vraiment les cellules d’intérêt pour les maladies pulmonaires », explique Li. « Ce lipide peut nous permettre de livrer l’ARNm au poumon beaucoup plus efficacement que tout autre système de livraison qui a été rapporté jusqu’à présent. »
Les nouvelles particules se décomposent également rapidement, ce qui leur permet d’être éliminées des poumons en quelques jours et réduit le risque d’inflammation. Les particules pourraient également être délivrées plusieurs fois au même patient si des doses répétées sont nécessaires. Cela leur donne un avantage sur une autre approche de délivrance d’ARNm, qui utilise une version modifiée d’adénovirus inoffensifs. Ces virus sont très efficaces pour délivrer de l’ARN mais ne peuvent pas être administrés de manière répétée car ils induisent une réponse immunitaire chez l’hôte.
Pour administrer les particules dans cette étude, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée instillation intratrachéale, qui est souvent utilisée comme moyen de modéliser l’administration de médicaments aux poumons. Ils travaillent maintenant à rendre leurs nanoparticules plus stables, afin qu’elles puissent être aérosolisées et inhalées à l’aide d’un nébuliseur.
Les chercheurs prévoient également de tester les particules pour délivrer de l’ARNm qui pourrait corriger la mutation génétique trouvée dans le gène responsable de la fibrose kystique, dans un modèle murin de la maladie. Ils espèrent également développer des traitements pour d’autres maladies pulmonaires, telles que la fibrose pulmonaire idiopathique, ainsi que des vaccins à ARNm qui pourraient être administrés directement dans les poumons.
La recherche a été financée par Translate Bio, les National Institutes of Health, le fonds de démarrage de la faculté de pharmacie Leslie Dan, une bourse postdoctorale PRiME de l’Université de Toronto, l’American Cancer Society et la Cystic Fibrosis Foundation.
