Depuis le succès du vaccin COVID-19, les thérapies par ARN font l’objet d’un intérêt croissant dans le monde des biotechnologies. Ces thérapies agissent avec votre corps pour cibler la racine génétique des maladies et des infections, une méthode de traitement alternative prometteuse à celle des médicaments pharmaceutiques traditionnels.
Les nanoparticules lipidiques (LNP) sont utilisées avec succès dans l’administration de médicaments depuis des décennies. Les thérapies approuvées par la FDA les utilisent comme véhicules pour délivrer de l’ARN messager (ARNm), qui incite la cellule à fabriquer de nouvelles protéines, et de petits ARN interférents (siARN), qui ordonnent à la cellule de faire taire ou d’inhiber l’expression de certaines protéines.
Le plus grand défi dans le développement d’une thérapie ARN réussie est sa délivrance ciblée. La recherche est maintenant confrontée aux limites actuelles des LNP, qui ont laissé de nombreuses maladies sans thérapie ARN efficace.
La fibrose hépatique survient lorsque le foie est endommagé à plusieurs reprises et que le processus de guérison entraîne l’accumulation de tissu cicatriciel, ce qui entrave le bon fonctionnement du foie. Il s’agit d’une maladie chronique caractérisée par l’accumulation excessive de matrice extracellulaire riche en collagène (ECM). La fibrose hépatique est restée difficile à traiter à l’aide de thérapies à base d’ARN en raison d’un manque de systèmes d’administration pour cibler les fibroblastes activés résidant dans le foie. La structure solide des fibroblastes et le manque de spécificité ou d’affinité pour cibler ces fibroblastes ont empêché les LNP actuels d’entrer dans les fibroblastes activés résidant dans le foie, et ils sont donc incapables de délivrer des thérapies à base d’ARN.
Pour s’attaquer à ce problème et aider à fournir un traitement aux millions de personnes qui souffrent de cette maladie chronique, Michael Mitchell, J. Peter et Geri Skirkanich, professeur adjoint d’innovation au Département de bio-ingénierie, et les boursiers postdoctoraux Xuexiang Han et Ningqiang Gong, ont trouvé une nouvelle façon de synthétiser des LNP attachés à un ligand, augmentant leur sélectivité et leur permettant de cibler les fibroblastes hépatiques.
Lulu Xue, Margaret Billingsley, Rakan El-Mayta, Sarah J. Shepherd, Mohamad-Gabriel Alameh et Drew Weissman, professeur de la famille Roberts en recherche sur les vaccins et directeur du Penn Institute for RNA Innovation à la Perelman School of Medicine, ont également contribué à cette travail.
Leur étude, publiée dans Communication Naturemontre comment un ligand à petite molécule incorporé dans la synthèse du lipide ionisable, un composant clé du LNP, crée une affinité avec les fibroblastes activés notoirement difficiles à cibler dans le foie responsables de l’accumulation de collagène.
L’accumulation de collagène s’accompagne d’une expression accrue de la protéine de choc thermique 47 (HSP47), la protéine qui pilote la biogenèse et la sécrétion du collagène. La surexpression de HSP47 et l’augmentation de la biogenèse du collagène évoluent finalement vers la fibrose.
Une fois que leurs LNP arrivent et pénètrent dans la cellule cible, l’ARNsi est libéré, ce qui réduit au silence l’expression de HSP47, inhibe la production de collagène et arrête la fibrose dans son élan. Le traitement, qui s’est avéré efficace chez la souris, est un traitement prometteur pour la fibrose hépatique chez l’homme.
Cette nouvelle approche de la synthèse des lipides ionisables est la clé pour ouvrir de nombreuses autres portes à la thérapie par ARN pour traiter diverses maladies.
« Pour rendre les LNP suffisamment sélectifs pour cibler les cellules étoilées hépatiques, celles qui entraînent la fibrose, nous avons incorporé un ligand anisamide, une molécule qui a une forte affinité pour le récepteur sur ces cellules étoilées, dans la structure du lipide ionisable », explique Mitchell. « Essentiellement, nous avons créé un mécanisme de verrouillage et de clé pour cibler et déverrouiller la livraison à ces cellules difficiles à atteindre. »
Le processus de synthèse a été développé par Han et ses collègues en tant que processus « en un pot, en deux étapes ». Pour créer une bibliothèque de lipides ionisables, l’équipe a d’abord assemblé un précurseur de ligand anisamide (AA) et différents noyaux aminés. Ils ont ensuite ajouté la queue hydrophobe pour créer des lipides ionisables liés à l’AA. L’anisamide a été choisi comme ligand en raison de sa nature neutre et stable ainsi que de son affinité pour les récepteurs sigma surexprimés sur les cellules étoilées. Une fois la bibliothèque de LNP attachés aux AA créée, l’équipe a analysé leurs capacités à cibler et à administrer une thérapie aux cellules par le biais d’un processus de sélection en deux temps.
« Nous devions trouver un LNP spécifique lié aux AA qui soit à la fois puissant et sélectif », explique Han. « Le premier cycle du processus de sélection a été effectué en examinant dans quelle mesure nos LNP pouvaient éliminer la protéine de fluorescence verte (GFP) dans les fibroblastes pour mesurer la puissance. La GFP fournit une excellente preuve visuelle de la façon dont l’ARN thérapeutique désactive l’expression des gènes en temps réel.
« Au deuxième tour, nous avons testé la capacité sélective du puissant LNP », explique Han. « Nous l’avons fait en bloquant le récepteur sigma pour comprendre à quel point le groupe de ligands AA spécifiques était important dans la capacité des LNP à pénétrer dans les cellules cibles. Sans surprise, nous avons montré que le groupe AA était significatif ; après le blocage du récepteur sigma, nous avons perdu le verrou -et-clé et le LNP attaché à l’AA n’entrerait pas dans la cellule cible. »
L’équipe a identifié AA-T3A-C12 comme un LNP à la fois puissant et sélectif portant des siARN thérapeutiques capables d’obtenir une réduction de 65 % de l’expression de HSP47 chez la souris et d’améliorer la récupération des tissus hépatiques endommagés. Les résultats de l’étude concluent que le LNP AA-T3A-C12 surpasse le LNP MC3, un vecteur non viral utilisé en clinique qui a été approuvé par la FDA pour une utilisation dans la thérapie par ARN cellulaire hépatique ou hépatique.
Ce nouveau LNP attaché à un ligand fournit une forme de traitement de la fibrose hépatique et la méthode de synthèse fournit un moyen d’adapter les LNP à d’autres cellules et tissus auparavant difficiles à cibler dans le corps.
« Le potentiel des TNL est énorme », déclare Han. « Nous rendons les TNL plus intelligents et plus efficaces. »
« Nous sommes ravis d’avoir produit un traitement potentiel qui s’attaque à la racine génétique de cette maladie du foie », a déclaré Mitchell. « Et, parce que ce véhicule de livraison de LNP fonctionne dans les cellules fibrotiques du foie, il peut conduire au développement d’un traitement pour d’autres types de fibrose dans le corps, comme la fibrose qui survient dans les poumons ou dans les tumeurs. »
« Au-delà de ce que nous avons étudié dans le foie, cette méthode de création de LNP peut être utilisée pour débloquer l’administration de thérapies à d’autres types de cellules », ajoute-t-il. « Nous pourrions potentiellement cibler les cellules du cerveau, des poumons ou du cœur en installant des ligands de ciblage spécifiques dans la structure lipidique ionisable. Il existe de nombreuses voies à partir d’ici et nous sommes ravis de continuer à pousser cette recherche dans de nouvelles directions. »
Plus d’information:
Xuexiang Han et al, Nanoparticules lipidiques liées à un ligand pour la délivrance ciblée d’ARN pour traiter la fibrose hépatique, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-022-35637-z