Du foie aux reins en passant par les poumons, le corps humain est équipé de nombreux niveaux de filtres qui protègent le corps des matières extérieures nocives. Mais ce système a aussi ses inconvénients. Les médicaments d’importance critique tels que la chimiothérapie ou les traitements de la sclérose en plaques sont également des corps étrangers, de sorte que le corps filtre une grande partie de ces médicaments – jusqu’à 90 %, dans certains cas.
Les scientifiques et les médecins compensent cela en donnant aux patients des quantités substantielles d’un médicament. De cette façon, même si une grande partie de la drogue est filtrée, une quantité suffisante passe pour faire le travail. Mais des niveaux de dosage plus élevés signifient également plus d’effets secondaires indésirables. Pour éviter des doses aussi élevées, une autre stratégie consiste à concevoir le véhicule transportant le médicament pour cibler une destination spécifique.
« De nombreux véhicules d’administration de médicaments n’atteignent pas le bon endroit dans le corps, et la raison principale est que notre corps a ce très bon système de filtrage. Beaucoup d’entre eux se retrouvent dans le foie, les reins ou la rate », a déclaré Minkyu Kim. , professeur adjoint en science et génie des matériaux(link is external) et en génie biomédical(link is external). « Si nous pouvons surmonter cela en développant de nouveaux véhicules d’administration de médicaments, ce sera une avancée significative. »
Kim se propose de faire exactement cela avec un prix CAREER de 600 000 $, le prix le plus prestigieux de la National Science Foundation pour soutenir les professeurs en début de carrière qui ont le potentiel de servir de modèles universitaires dans la recherche et l’éducation. Son plan est de combiner la science des matériaux, la biologie synthétique et la mécanique multi-échelles pour développer une nouvelle forme de microparticule de délivrance de médicaments conçue pour contourner les systèmes de filtration du corps.
« Nous sommes extrêmement fiers que Minkyu représente MSE dans les rangs des lauréats NSF CAREER », a déclaré Sammy Tin, premier titulaire de la chaire Patrick R. Taylor en science et ingénierie des matériaux. « Le travail de Minkyu à l’intersection de la MSE et du génie biomédical est un excellent exemple de la façon dont les scientifiques des matériaux peuvent directement améliorer la vie humaine. »
Mêmes médicaments, nouveau véhicule
Comment contourner un système conçu pour refuser l’entrée aux étrangers ? Vous vous faites passer pour un initié. Kim crée un véhicule de microparticules qui imite les propriétés d’un globule rouge. Ces cellules sont constituées d’une enveloppe à base de protéines et de lipides transportant l’hémoglobine, la protéine qui transporte l’oxygène dans tout le corps. Au lieu d’être un véhicule pour l’hémoglobine, les microparticules conçues par Kim seront un véhicule pour les particules de médicament.
Il utilisera d’abord un procédé bien établi pour contenir un médicament dans un noyau de microsphère. Ensuite, il ajoutera une couche de protéines artificielles qu’il développe, suivie d’une bicouche lipidique. Pris ensemble, ces composants imitent un globule rouge et permettent même une libération contrôlée du médicament. Il peut transporter ces médicaments à travers une série de filtres biologiques jusqu’à la partie du corps où les médicaments sont nécessaires.
C’est comme si vous deviez assister à un événement qui n’admettait que les personnes conduisant des voitures rouges, alors vous avez emprunté une voiture rouge à un ami. Vous arriviez là où vous deviez aller, car vous utilisiez un véhicule autorisé. Bien sûr, construire une structure protéique qui imite les qualités d’un globule rouge est beaucoup plus compliqué que d’emprunter une voiture. Les globules rouges ont quelques propriétés clés qu’il est très important d’imiter. D’une part, ils peuvent se faufiler dans de très petits espaces et reprendre leur forme d’origine, encore et encore.
Un globule rouge mesure environ 7 micromètres de diamètre et traverse des microcapillaires, qui sont beaucoup plus petits que cela. Le cytosquelette d’un globule rouge est constitué d’une structure bien ordonnée de protéines. Lorsqu’il doit se déplacer dans un petit espace, cette structure peut être étendue par le déploiement des protéines, mais une fois les contraintes supprimées, la structure d’origine revient. Un globule rouge peut faire cela mille fois et continuer à montrer le même comportement mécanique. »
Minkyu Kim, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux et de génie biomédical, College of Engineering, Université de l’Arizona
Les globules rouges peuvent également rester dans le corps beaucoup plus longtemps que les véhicules d’administration de médicaments typiques.
« À l’heure actuelle, le sort des véhicules de livraison de médicaments est de quatre semaines maximum », a déclaré Kim. « Mon objectif est que ces microparticules atteignent la durée de vie d’un globule rouge, qui est d’environ quatre mois. Et éventuellement, je l’espère, encore plus longtemps. »
Parce que les globules rouges sont si efficaces pour se déplacer dans le corps, certains chercheurs ont étudié la possibilité d’utiliser de vrais globules rouges comme véhicules de médicaments. Mais cela nécessite des dons de sang humain, des méthodes de stockage particulières et une comptabilité minutieuse du groupe sanguin. Ce véhicule que Kim envisage de créer pourrait être adapté pour transporter une grande variété de médicaments et être utilisé chez des patients de tout groupe sanguin.
« L’objectif est de développer une plate-forme universelle avec laquelle tout le monde peut commencer, pour concevoir ce qu’il veut », a déclaré Kim. « Vous pouvez concevoir l’extérieur. Vous pouvez concevoir l’intérieur. »
Kim travaille avec Tech Launch Arizona(link is external), la branche de commercialisation de l’université, pour concéder sous licence la technologie à une entreprise qui pourra la commercialiser. En plus de ses propres efforts de recherche, Kim envisage également de développer un programme de recherche interdisciplinaire pour les étudiants, fondé sur son expérience en tant que membre du corps professoral dans deux départements. Il créera de nouveaux modules pour les étudiants de premier cycle axés sur les biopolymères et jumellera chaque étudiant de premier cycle de son laboratoire avec un mentor étudiant diplômé.
Il poursuivra également ses efforts continus pour travailler avec et recruter des étudiants sous-représentés, via ses collaborations avec le programme Keep Engaging Youth in STEM (KEYS) de l’Université de l’Arizona, le Undergraduate Research Opportunities Consortium (UROC) et le programme Maximizing Access to Programme des carrières en recherche (MARC). Jocelyne Rivera, ancienne stagiaire du MARC et diplômée de 2021 qui a mené des recherches dans le laboratoire de Kim, a été la première femme hispanique acceptée au programme de bourses des National Institutes of Health Oxford-Cambridge.
« Le prix NSF CAREER est décerné à de jeunes ingénieurs et scientifiques dont les travaux de recherche sont très prometteurs pour obtenir un impact élevé », a déclaré Art Gmitro, chef du département de génie biomédical. « Le travail du Dr Kim intègre la recherche de pointe en science des matériaux avec une application clinique importante dans l’amélioration de l’administration de médicaments thérapeutiques. »
