Les biomédicaments sont produits par des cellules vivantes et sont utilisés entre autres pour traiter le cancer et les maladies auto-immunes. L’un des défis est que les médicaments sont très coûteux à produire, ce qui limite l’accès mondial. Aujourd’hui, des chercheurs de Chalmers ont inventé un matériau qui utilise des signaux électriques pour capturer et libérer des biomolécules. Cette méthode nouvelle et efficace pourrait avoir un impact majeur sur le développement de biomédicaments et ouvrir la voie au développement de pilules électroniques et d’implants médicamenteux.
Le nouveau matériau est une surface polymère qui, lors d’une impulsion électrique, change d’état pour passer de la capture à la libération de biomolécules. Cela a plusieurs applications possibles, y compris l’utilisation comme outil pour la séparation efficace d’un médicament des autres biomolécules que les cellules créent dans la production de médicaments biologiques. Les résultats de l’étude ont été récemment publiés dans la revue scientifique Angewandte Chemie.
Les biomédicaments sont très coûteux à produire en raison de l’absence d’une technique de séparation efficace, et de nouvelles techniques avec un rendement de médicament plus élevé sont nécessaires pour réduire les coûts de production et, en fin de compte, le coût de traitement des patients.
« Nos surfaces polymères offrent une nouvelle façon de séparer les protéines en utilisant des signaux électriques pour contrôler la façon dont elles sont liées à une surface et libérées d’une surface, sans affecter la structure de la protéine », déclare Gustav Ferrand-Drake del Castillo, qui a publiquement défendu son thèse de doctorat en chimie à Chalmers et est l’auteur principal de l’étude.
La technique de séparation conventionnelle – la chromatographie – lie étroitement les biomolécules à la surface et des produits chimiques puissants sont nécessaires pour les faire libérer, ce qui entraîne des pertes et un faible rendement. De nombreux nouveaux médicaments se sont avérés très sensibles aux produits chimiques puissants, ce qui crée un problème de production majeur pour la prochaine génération de biomédicaments. La faible consommation de produits chimiques se traduit par un avantage pour l’environnement, tandis que le fait que les surfaces du nouveau matériau peuvent également être réutilisées sur plusieurs cycles est une propriété clé. Le processus peut être répété des centaines de fois sans affecter la surface.
Fonctions dans les fluides biologiques
Le matériau fonctionne également dans des fluides biologiques ayant un pouvoir tampon, c’est-à-dire des fluides capables de contrecarrer les variations de la valeur du pH. Cette propriété est remarquable car elle ouvre la voie à la création d’une nouvelle technique d’implants et de « pilules » électroniques qui libèrent le médicament dans l’organisme par activation électronique.
« Vous pouvez imaginer un médecin, ou un programme informatique, mesurant le besoin d’une nouvelle dose de médicament chez un patient, et un signal télécommandé activant la libération du médicament de l’implant situé dans le tissu ou l’organe même où il est nécessaire « , déclare Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
La libération locale et activée de médicaments est aujourd’hui disponible sous la forme de matériaux qui changent d’état en cas de modification de l’environnement chimique environnant. Par exemple, des comprimés de matériau sensible au pH sont produits lorsque vous souhaitez contrôler la libération d’un médicament dans le tractus gastro-intestinal, qui est un environnement avec des variations naturelles de la valeur du pH. Mais dans la plupart des tissus de l’organisme, il n’y a pas de changements dans la valeur du pH ou d’autres paramètres chimiques.
« Être capable de contrôler la libération et l’absorption de protéines dans le corps avec des interventions chirurgicales minimales et sans injections d’aiguilles est, selon nous, une propriété unique et utile. Le développement d’implants électroniques n’est qu’une des nombreuses applications concevables depuis de nombreuses années. La recherche qui nous aide à relier l’électronique à la biologie au niveau moléculaire est une pièce importante du puzzle dans une telle direction », déclare Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
Un autre avantage de la nouvelle méthode est qu’elle ne nécessite pas de grandes quantités d’énergie. La faible consommation d’énergie est due au fait que la profondeur du polymère à la surface de l’électrode est très fine, à l’échelle du nanomètre, ce qui signifie que la surface réagit immédiatement aux petits signaux électrochimiques.
« L’électronique dans les environnements biologiques est souvent limitée par la taille de la batterie et des pièces mécaniques mobiles. L’activation au niveau moléculaire réduit à la fois les besoins en énergie et le besoin de pièces mobiles », explique Gustav Ferrand-Drake del Castillo.
La percée a commencé comme une thèse de doctorat
La recherche derrière la technique a été menée pendant la période où Ferrand-Drake del Castillo était doctorant dans l’équipe de recherche du professeur Chalmers Andreas Dahlin dans la Division de chimie appliquée des surfaces. Le projet impliquait des surfaces polymères qui changent d’état entre neutre et chargé en fonction de la valeur du pH de la solution environnante. Les chercheurs ont ensuite réussi à créer un matériau suffisamment solide pour rester à la surface lorsqu’il est soumis à des signaux électriques répétés, tout en étant suffisamment fin pour modifier réellement la valeur du pH en raison de l’électrochimie à la surface.
« Peu de temps après, nous avons découvert que nous pouvions utiliser les signaux électriques pour contrôler la liaison et la libération de protéines et de biomolécules, et que le matériau d’électrode fonctionne dans des solutions biologiques telles que le sérum et le sang centrifugé. Nous croyons et espérons que nos découvertes seront d’une grande utilité. avantage dans le développement de nouveaux médicaments », déclare Andreas Dahlin.
Gustav Ferrand‐Drake Castillo et al, Brosses polymères commutables électriquement pour la capture et la libération de protéines dans des environnements biologiques**, Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI : 10.1002/anie.202115745