Des ingénieurs conçoivent un nanotransporteur de médicament similaire pour échapper aux lignes de défense des poumons

Une molécule porteuse de médicaments conçue pour guérir les maladies en contournant les défenses naturelles des poumons offre un nouvel espoir aux personnes atteintes de maladies respiratoires chroniques ou mortelles, affirment ses créateurs, chercheurs du Soft Biomatter Lab du professeur adjoint Liheng Cai à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie.

Cai et son équipe, composée notamment de Baiqiang Huang, doctorant en science et ingénierie des matériaux, et de Zhi-Jian He, doctorant en ingénierie biomédicale, ont réussi à démontrer l’efficacité du nanotransporteur en utilisant les « voies respiratoires micro-humaines » du laboratoire. L’appareil capture les caractéristiques géométriques et biologiques des voies respiratoires humaines.

Ils décrivent leurs découvertes dans un article publié dans la revue ACS Nano.

Se faufiler au-delà de nos défenses

Nos poumons sont dotés de couches de protection qui piègent et transportent les agents pathogènes ou les particules inhalées hors du système respiratoire pour nous empêcher de tomber malade. Chaque fois que vous vous mouchez, le système fonctionne.

« Malheureusement, ces mêmes barrières empêchent également les médicaments d’atteindre les cellules ciblées, ce qui rend difficile le traitement de maladies telles que l’asthme, la bronchopneumopathie chronique obstructive et la fibrose pulmonaire », a déclaré Huang.

Le nouveau polymère est appelé polyéthylène glycol pour goupillon, ou PEG-BB. Il se déplace rapidement dans les parois des voies respiratoires en imitant les mucines, une glycoprotéine naturelle responsable des propriétés du mucus, qui a la même forme que le goupillon, c’est-à-dire une colonne vertébrale centrale avec un épais amas de poils s’étendant vers l’extérieur.

« Nous avons pensé que la flexibilité et la géométrie en forme de ver du support de goupillon lui permettraient de se faufiler à travers le maillage serré de mucus et de gels entourant les cils pour être internalisé par les cellules épithéliales, où les médicaments sont nécessaires pour agir », a déclaré Huang.

Les cils sont des structures ressemblant à des poils situées à la surface des cellules. Ils se déplacent en conjonction avec le mucus pour repousser et expulser les corps étrangers.

Pour tester leur hypothèse, l’équipe a cultivé des cellules épithéliales des voies respiratoires humaines dans leur dispositif. Ils ont introduit des molécules PEG-BB fluorescentes dans les cellules depuis deux directions.

Ils ont ensuite utilisé un colorant pour pénétrer le mucus et les couches périciliaires, ce dernier étant le gel englobant les cils. Ils n’ont pas coloré les parois des cellules épithéliales, ce qui a permis de marquer les limites de l’épithélium.

À l’aide d’un microscope spécialisé et d’une pièce sombre pour affiner les images, ils ont pu voir à quel point les molécules lumineuses en forme de goupillon s’étaient déplacées à travers les cellules.

Une série de succès récents

« Les voies respiratoires micro-humaines sont en fait un lieu équivalent pour la croissance des cellules », a déclaré Huang.

« Ses similitudes biologiques nous permettent d’étudier la défense pulmonaire humaine, sans nuire aux êtres vivants », a ajouté Cai, dont le laboratoire est spécialisé dans le développement de nouveaux polymères en forme de goupillon pour une gamme d’utilisations, dont beaucoup repoussent les limites de la médecine de précision.

Par exemple, son programme de bio-impression a récemment produit ce qui pourrait être le premier élément de base 3D pour l’impression d’organes à la demande.

Les résultats du PEG-BB représentent un nouveau succès dans la série de succès du laboratoire.

« Nous pensons que cette innovation promet non seulement de meilleurs traitements des maladies pulmonaires avec des effets secondaires réduits, mais ouvre également des possibilités pour traiter les affections affectant les surfaces muqueuses de tout le corps », a déclaré Cai.

La prochaine étape du laboratoire consiste à tester la capacité du PEG-BB à transporter des molécules médicamenteuses à travers une barrière muqueuse. L’équipe expérimente des modèles in vitro et in vivo sur des souris.