Voie de pose pour les nanodispositifs à ADN de type viral qui diagnostiquent les maladies et fabriquent des médicaments

La nanotechnologie est un domaine relativement nouveau mais en pleine expansion, où de minuscules appareils et des outils à l'échelle moléculaire offrent des possibilités intéressantes pour la manipulation des cellules et de leurs composants. Maintenant, les chercheurs, copiant les tactiques utilisées par les virus pour échapper au système immunitaire, ont créé les premiers nanodispositifs qui survivent aux défenses immunitaires de l'organisme. La réalisation fournit une pièce manquante au puzzle de l'utilisation des nanodispositifs au niveau cellulaire.

Des scientifiques de l’Institut Wyss d’Ingénierie Biologique d’Harvard à Boston, MA, ont déclaré que leur appareil de nanodispositif d’ADN avait réussi sa première mission pilote.

Écrire dans ACS Nano, ils concluent que la réalisation fournit "une plate-forme pour l'ingénierie de nanodispositifs d'ADN sophistiqués et prêts pour la traduction".

De tels "nanorobots intelligents d'ADN" pourraient utiliser la logique pour diagnostiquer des maladies comme le cancer plus tôt que les approches actuelles. Ils pourraient également cibler les médicaments directement sur les tumeurs choisies, voire les fabriquer sur place.

Imiter les virus pour cibler des cellules spécifiques

L'auteur principal, William Shih, professeur agrégé de chimie biologique et de pharmacologie moléculaire à la Harvard Medical School, déclare:

"Nous imitons la fonctionnalité de virus pour éventuellement créer des traitements ciblant spécifiquement les cellules."

Les chercheurs pensent que la même méthode de dissimulation pourrait être utilisée pour fabriquer des récipients artificiels ou «protocellules» capables de détecter des toxines dans l'eau potable ou des agents pathogènes dans les aliments.

L'ADN est surtout connu pour son rôle de transporteur d'informations génétiques. Mais les chercheurs derrière cette dernière étude l'examinent différemment - ils considèrent l'ADN comme un matériau de construction 3D. Ils prennent des brins d'ADN et les programment à se plier en formes, rappelant l'art du pliage de papier japonais de l'origami.

Plus précisément, ils utilisent leurs compétences en origami à l'échelle nanométrique pour créer des dispositifs à ADN de forme de plus en plus complexe et proches de la complexité des mécanismes moléculaires présents dans les cellules.

L'équipe construit efficacement de petits robots à partir d'ADN. Ces nanorobots d'ADN ont plusieurs fonctions: ils peuvent détecter leur environnement, déterminer comment réagir, puis faire quelque chose d'utile comme déclencher une réaction chimique, effectuer un mouvement ou générer une force mécanique.

De tels dispositifs ne sont pas nouveaux. Par exemple, en 2012, des chercheurs de l'Institut Wyss ont rapporté comment ils ont conçu des nanorobots d'ADN d'origami ciblant les cellules cancéreuses et fournissant des instructions leur permettant de se suicider.

Cette même année, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology ont révélé comment ils ont mis au point des nano-usines capables de fabriquer des médicaments sur des sites de tumeurs. Leurs nanoparticules produisent des protéines lorsque la lumière ultraviolette les éclaire.

Comment rendre les nanorobots d'ADN invisibles pour le système immunitaire?

Cependant, ce qui manque, c'est un moyen pour les nanorobots d'échapper au système immunitaire - ou du moins de le cacher assez longtemps pour pouvoir faire leur travail. Lorsque le professeur Shih et ses collègues ont injecté des nanorobots dans la circulation sanguine des souris, leur système immunitaire les a rapidement détectés et digérés.

Le professeur Shih, qui est également professeur agrégé de biologie du cancer au Dana-Farber Cancer Institute, affirme que cela les a amenés à se demander: "Comment pourrions-nous protéger nos particules contre la mastication?"

Ils ont trouvé la réponse dans la nature. Un virus se cache dans le système immunitaire de l’hôte à l’aide d’un dispositif de dissimulation. Le virus protège son génome à l'intérieur d'une couche protéique solide recouverte d'une protéine huileuse - une double couche de phospholipide - identique à celle contenue dans les membranes entourant les cellules vivantes de l'hôte.

Le professeur Shih dit qu'ils se demandent si l'inclusion de leur nanodispositif dans une telle enveloppe aurait un effet similaire.

Pour arriver à une telle solution, ils ont d'abord plié l'ADN en un octaèdre de la taille d'un virus, puis construit des poignées sur lesquelles accrocher les lipides, qui ont ensuite dirigé la membrane à double couche pour l'assembler autour de l'octaèdre.

Nanodevice enduit de bicouche lipidique ressemblait à un virus enveloppé

Le nanodisque revêtu ressemblait à un virus enveloppé lorsqu'il était vu au microscope électronique.

L'étape suivante consistait à montrer que le dispositif enveloppé pouvait échapper au système immunitaire et survivre dans le corps. Pour ce faire, les appareils ont d'abord été chargés de colorant, puis injectés dans des souris. En utilisant l'imagerie du corps entier, les chercheurs ont pu suivre les nanodispositifs en voyant quelles parties des souris brillaient.

Ils ont également teint et injecté des dispositifs non enduits dans un autre groupe de souris. Ceux-ci ne brillaient que dans la région de la vessie, montrant que leur système immunitaire les avait brisés rapidement et que leurs corps étaient prêts à excréter leurs restes.

Mais les souris auxquelles on a injecté des nanodispositifs enveloppés ont raconté une histoire différente. Leurs corps entiers ont brillé pendant des heures, montrant que les nanodispositifs restaient dans le sang pendant à peu près le même temps que les médicaments efficaces.

Pour montrer que les appareils enveloppés avaient également échappé au système immunitaire, les chercheurs ont mesuré les niveaux de deux molécules activant le système immunitaire. Les niveaux étaient 100 fois plus élevés chez les souris ayant reçu des nanodispositifs non enrobés que ceux ayant reçu des nanoparticules enrobées.

Les chercheurs prévoient que les nanorobots masqués agissent, par exemple, en activant le système immunitaire pour lutter contre le cancer ou en le supprimant pour l'empêcher de rejeter les tissus transplantés. Ils disent que l'essentiel est de pouvoir contrôler le système immunitaire.

Les instituts nationaux de la santé, le bureau de recherche de l'armée du laboratoire de recherche de l'armée américaine et l'institut Wyss de l'université de Harvard ont contribué à cette étude.

En février 2014, Nouvelles médicales aujourd'hui ont rapporté une étude utilisant des nanoparticules pour cibler des cellules immunitaires à l'origine de l'inflammation. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago ont mis au point un système permettant de cibler avec précision des cellules immunitaires incontrôlées sans interférer avec le bon fonctionnement des cellules immunitaires.

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