MinJun Kim, expert en nanotechnologie de SMU, et son équipe ont développé un moyen plus rapide et plus précis de détecter les propriétés et les interactions de protéines individuelles, essentielles à la surveillance rapide, précise et en temps réel des interactions virus-cellules. Cela pourrait ouvrir la voie à des thérapies et à des progrès médicaux innovants grâce à la thérapie génique, une technique qui utilise des virus inoffensifs pour modifier les gènes d’une personne afin de traiter ou de guérir une maladie.
Au-delà de cela, cette recherche pourrait également être utilisée pour détecter et caractériser d’autres types d’interactions protéine-protéine, conduisant potentiellement au développement de traitements capables de réguler les interactions provoquant des effets indésirables dans le corps, a déclaré Kim, titulaire de la chaire Robert C. Womack du Lyle School of Engineering de SMU et chercheur principal du BAST Lab.
Une étude publié dans la revue À l’échelle nanométrique montre que ce petit dispositif créé par l’équipe de Kim détermine avec précision et en temps réel le moment où deux protéines jouant un rôle dans la thérapie génique ciblée, connues sous le nom de facteur de croissance des fibroblastes (FGF-1) et d’héparine, se sont liées l’une à l’autre.
Et contrairement aux méthodes actuelles de détection des interactions protéine-protéine, cet appareil n’a besoin que d’un petit échantillon pour étudier les propriétés de protéines individuelles et leurs interactions complexes, ce qui permet d’économiser du temps et des coûts pour l’analyse.
Les protéines sont les bêtes de somme qui facilitent la plupart des processus biologiques dans une cellule. Souvent, il est nécessaire que deux ou plusieurs protéines se lient les unes aux autres, c’est-à-dire qu’elles se sont connectées les unes aux autres à la suite d’événements biochimiques, pour remplir certaines fonctions.
C’est le cas des protéines FGF-1 et de l’héparine.
Ensemble, il a été démontré que ces protéines aident un virus inoffensif appelé virus adéno-associés (AAV) – qui est le véhicule privilégié de la thérapie génique – à se fixer sur les bons récepteurs cellulaires du corps humain.
La thérapie génique virale utilise des virus comme les AAV pour transmettre une copie saine d’un gène à une personne afin de remplacer ou de modifier celui qui cause la maladie. Mais le problème est que les AAV ont plusieurs types ou sérotypes différents, et chacun a une préférence naturelle pour infecter et prospérer dans des types de tissus spécifiques, tels que ceux servant au cœur ou aux reins. Cela signifie que pour que la thérapie génique réussisse à décharger la cargaison du virus vers sa cible prévue, le bon sérotype d’AAV doit se lier aux bons récepteurs cellulaires.
Pourtant, on n’en sait pas suffisamment sur la façon dont fonctionne ce processus appelé tropisme pour garantir cela.
« Ainsi, une meilleure compréhension des interactions entre l’héparine et le FGF-1 nous aidera à comprendre le tropisme de la thérapie génique AAV », ce qui, à son tour, pourrait permettre de cibler de nouvelles thérapies géniques pour des maladies spécifiques, a déclaré Kim.
L’équipe de Kim a créé et testé un dispositif connu sous le nom de nanopore à l’état solide, capable de déterminer avec précision quand l’héparine et le FGF-1 se sont liés.
Comment fonctionne l’appareil
Les nanoparticules sont trop petites pour être visibles à l’œil nu et mesurent entre 1 et 100 nanomètres (un milliardième de mètre). Les nanomatériaux peuvent être présents naturellement et peuvent également être modifiés pour remplir des fonctions spécifiques, telles que l’administration de médicaments contre diverses formes de cancer.
Chaque nanopore de cette étude était constitué de nitrure de silicium (Si) de 12 nanomètres d’épaisseur.XNoui), percées d’un trou d’environ 17 nanomètres de diamètre.
Ces soi-disant nanopores à l’état solide étaient capables de déterminer le moment où l’héparine s’est liée au FGF-1, car Kim et son équipe ont calculé les courants électriques de trois scénarios différents : lorsque seule l’héparine est présente dans l’échantillon ; lorsque seul FGF-1 est présent ; et quand il y a un rapport égal des deux protéines.
Comment l’appareil sait-il quel est le courant électrique ?
Fondamentalement, une molécule de l’échantillon passe à travers un petit trou dans l’appareil qui sépare deux chambres contenant des solutions électrolytiques. Cela entraîne des fluctuations du courant électrique, qui peuvent être décodées pour détecter la liaison héparine-FGF-1.
Kim a déclaré : « les résultats de cette recherche représentent une expérience préliminaire jetant les bases de projets futurs ».
Son objectif ultime est de pouvoir utiliser des nanopores à l’état solide sur deux autres protéines également connues pour être importantes pour la thérapie génique ciblée : la liaison réelle des AAV avec les récepteurs de la surface cellulaire.
Les AAV ont une enveloppe protéique appelée capside qui entoure leur information génétique, qui est modifiée par les thérapeutes géniques pour introduire un nouveau gène sain chez une personne. Ce n’est que lorsque les capsides se lient aux récepteurs cellulaires – une autre protéine présente à la surface des cellules – que le virus et la cellule sont connectés et que la cargaison du virus peut être libérée.
« L’efficacité de la thérapie génique ciblée dépend de l’affinité entre la capside du virus et les récepteurs de la surface cellulaire », a expliqué Kim.
Kim souhaite pouvoir utiliser des nanopores à l’état solide pour mesurer cela, ce qui indiquera plus clairement quand un virus a réussi à transmettre sa cargaison à une personne. En effet, l’un des principaux obstacles à l’utilisation de la thérapie génique virale est que la quantité de matériel génétique transmis par l’AAV ne peut pas être mesurée, ce qui peut conduire à un surdosage ou un sous-dosage.
En plus de réaliser des percées dans la thérapie génique, l’auteur principal de l’étude, Navod Thyashan, assistant de recherche diplômé au BAST de SMU, a noté que ces nanopores pourraient également ouvrir la voie au développement d’autres nouveaux traitements médicaux. Il peut être utilisé avec d’autres protéines connues pour avoir une grande affinité de liaison les unes avec les autres, permettant ainsi aux traitements de réguler potentiellement ces interactions à l’origine de maladies.
« Les nanopores à l’état solide (SSN) peuvent être fabriqués dans des tailles allant de quelques nanomètres de diamètre à des centaines », a-t-il déclaré. « Ainsi, les SSN peuvent être utilisés dans la plupart des applications de détection de biomolécules, à condition que nous choisissions le diamètre de nanopore correct pour les protéines que nous traitons. »
Madhav L. Ghimire, chercheur postdoctoral du doyen à la Moody School of Graduate and Advanced Studies de SMU, a aidé Thyashan et Kim à créer l’appareil ; et Sangyoup Lee, du Centre de recherche bionique de l’Institut coréen des sciences et technologies.
Plus d’information:
Navod Thyashan et al, Exploration des interactions monomoléculaires : héparine et protéines FGF-1 à travers des nanopores à l’état solide, À l’échelle nanométrique (2024). DOI : 10.1039/D4NR00274A