Systèmes de livraison de l’ARN messager
Par ailleurs, le développement de cette nouvelle génération de vaccins nécessite évidemment d’avoir recours à des technologies visant à amener la molécule d’ARN à bon port, à savoir dans le cytoplasme de la cellule.
La première difficulté est donc de faire en sorte que l’ARN messager pénètre dans les cellules du tissu (peau, muscle) dans lequel on l’injecte. Il faut donc que la molécule d’ARN franchisse la membrane cellulaire afin de se retrouver dans le cytoplasme. C’est en effet dans ce compartiment de la cellule qu’elle sera traduite en protéine et servira d’antigène vaccinal.
Or la membrane de la cellule, constituée d’une double couche de lipides chargés négativement, constitue un obstacle physique majeur à l’entrée d’une molécule dans le milieu intracellulaire. De plus, plusieurs pompes et canaux ioniques créent un potentiel négatif (-40 à -80 mV) de part et d’autre de la membrane et maintiennent une charge électrique négative dans le cytoplasme. Ce potentiel négatif crée une barrière au passage des molécules d’ARN elles-mêmes chargées négativement.
Par ailleurs, l’ARN est constamment menacé d’être dégradé par des enzymes, des ribonucléases extracellulaires [1], abondamment présentes dans la peau et dans le sang. Cela impose donc de protéger l’ARN messager, menacé d’être détruit par ces enzymes ubiquitaires, tout en facilitant sa pénétration dans la cellule.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Représentation schématique de multiples formulations de nanoparticules lipidiques servant de système de livraison de l’ARN messager : lipides ionisables, lipides cationiques, co-lipides (lipides helper), polymères, etc. Zhong Z, et al. Nanotoday. 2018 Dec;23:16-39.Un moyen efficace pour protéger l’ARN consiste à l’encapsuler dans de très petites particules, en l’occurrence des nanoparticules lipidiques. Celles-ci sont typiquement composées de quatre éléments différents. Tout d’abord de lipides capables de s’auto-agencer en particules sphériques (de 70–100 nanomètres) pour encapsuler l’ARN messager, soit ionisables (capables d’acquérir des charges positives en fonction du pH) ou cationiques (chargés positivement). Ensuite de phospholipides ressemblant à ceux de la membrane cellulaire. Mais aussi de cholestérol qui stabilise la double couche lipidique de la nanoparticule lipidique. Enfin d’un lipide-PEG (polyéthylène glycol) qui apporte une couche hydratée aux nanoparticules et permet à ces formulations de gagner en stabilité.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Les nanoparticules lipidiques encapsulant l’ARN messager pénètrent dans la cellule par endocytose. La membrane externe enveloppe et absorbe la vésicule lipidique, la faisant entrer dans le cytoplasme. L’ARN messager gagne un endosome. Il s’en échappe pour ensuite être lu au niveau des ribosomes et traduit en protéine. Gómez-Aguado I, et al. Nanomaterials (Basel). 2020 Feb 20;10(2):364.
Une fois dans le cytoplasme, les nanoparticules lipidiques sont acheminées vers des endosomes et lysosomes, de petites structures sphériques en forme de vésicules dans lesquelles une partie de l’ARN messager est dégradée. Une partie parvient cependant à s’en échapper et évite la dégradation par des mécanismes complexes non encore parfaitement élucidés.
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir cette image]Représentation schématique de l’injection intracellulaire d’un ARN messager (ARNm) encapsulé dans une nanoparticule lipidique composée de lipides ionisables, de lipides helper (co-lipides) et de cholestérol. Kowalski PS, et al. Mol Ther. 2019 Apr 10;27(4):710-728.Les matériaux utilisés pour délivrer la molécule d’ARN messager portant le code de fabrication de l’antigène vaccinal dans la cellule ont fait l’objet d’intenses recherches ces dernières années. Elles ont enfin vu l’avènement de technologies très efficaces permettant de grandement améliorer la délivrance de l’ARN messager.
À côté des lipides ionisables, des travaux ont été menés sur des matériaux polymères biodégradables ramifiés, composés d’acides gras branchés ou hyperbranchés. Ces structures aux multiples ramifications permettraient aux nanoparticules lipidiques de gagner en stabilité tout en leur permettant de s’échapper plus facilement des endosomes une fois à l’intérieur de la cellule.
De fait, les lipides complexes et autres excipients qui composent les nanoparticules lipidiques ont fait l’objet d’intenses recherches des dernières années. Des chercheurs américains ont ainsi développé des moyens pour délivrer l’ARN messager dans la cellule par l’intermédiaire de dendrimères, qui sont des structures composées de multiples acides gras ramifiés et dont la forme générale ressemble aux branches d’un arbre. Enfin, d’autres équipes ont créé des peptides qui, greffés à l’ARN messager, facilitent sa captation par la membrane externe de la cellule qui, en se creusant progressivement, lui permet de pénétrer dans le cytoplasme.
L’imagination n’a pas de limite lorsqu’il s’agit de développer le moyen le plus efficace pour faire entrer les précieuses molécules d’ARN messager dans des cellules. Des sociétés de biotechnologie (BioNTech) ont développé leurs propres formulations tandis des groupes pharmaceutiques se les procurent auprès d’autres firmes (Acuitas, Moderna, Precision).
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