Vectoriser les médicaments pour traiter le cerveau

Publié le 26 avril 2016 (révisé le 24 août 2017)

Note : ce texte est un résumé simple de mon stage post­doc­to­ral au labo­ra­toire du Dr Frédéric Calon à l’Université Laval.

Le cerveau, un organe bien protégé

N’entre pas qui veut au cer­veau ! C’est le cons­tat auquel se butent les cher­cheurs après des décen­nies de recher­che pour trou­ver des trai­te­ments aux mala­dies du cer­veau. C’est main­te­nant bien docu­menté, le cer­veau est un organe qui vit un peu à l’écart du reste de l’orga­nisme, il a besoin de son propre envi­ron­ne­ment pour fonc­tion­ner adé­qua­te­ment. Tous les vais­seaux san­guins qui mènent au cer­veau sont dotés de pro­prié­tés uni­ques qui leur confè­rent une très grande imper­méa­bi­lité aux molé­cu­les du sang, elles ne peu­vent pas péné­trer au cer­veau. Ce n’est que les peti­tes molé­cu­les pos­sé­dant une fra­gile com­pa­ti­bi­lité à la fois avec l’eau et les lipi­des qui peu­vent faire libre­ment leur chemin du sang jusqu’aux cel­lu­les du cer­veau comme les neu­ro­nes. Même la prin­ci­pale source d’énergie du cer­veau, le glu­cose, ne peut pas péné­trer sans l’aide de trans­por­teurs qui en contrô­lent fine­ment le débit. Cette bar­rière entre le sang et le cer­veau, nommée la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que, est aussi la bête noire des cher­cheurs vou­lant trai­ter les mala­dies du cer­veau.

Les cher­cheurs, ils le savent depuis long­temps, les médi­ca­ments qu’ils conçoi­vent dans le but de trai­ter les mala­dies du cer­veau ne peu­vent pas s’y rendre à des concen­tra­tions thé­ra­peu­ti­ques. Le pas­sage des médi­ca­ments au cer­veau est donc l’un des défis actuels des cher­cheurs. Une telle décou­verte pave­rait la voie au trai­te­ment de nom­breu­ses mala­dies du cer­veau dont l’Alzheimer, le Parkinson, le trem­ble­ment essen­tiel et le cancer pour les­quels il n’y a actuel­le­ment pas de solu­tion effi­cace.

Se servir des transporteurs pour déjouer la barrière

Le cer­veau a bien besoin d’énergie et de nutri­ments pour fonc­tion­ner, c’est pour­quoi les molé­cu­les essen­tiel­les peu­vent s’y rendre, mais par le biais de trans­por­teurs spé­ci­fi­ques. Actuellement, pra­ti­que­ment cha­cune des molé­cu­les trans­por­tées au cer­veau pos­sède un trans­por­teur qui lui est dédié, il n’y a peu ou pas de place pour le covoi­tu­rage sur le chemin menant au cer­veau. Évidemment, consi­dé­rant le grand nombre de molé­cu­les dif­fé­ren­tes essen­tiel­les pour le fonc­tion­ne­ment du cer­veau, il devrait y avoir également pres­que autant de trans­por­teurs. Bien que cer­tains de ces trans­por­teurs ont déjà été iden­ti­fiés, plu­sieurs res­tent à encore à décou­vrir.

Puisque le sys­tème de trans­por­teurs est un méca­nisme clé pour la péné­tra­tion des molé­cu­les au cer­veau, pour­quoi ne pas tenter de déjouer l’un de ces trans­por­teurs pour avoir accès au cer­veau ? C’est exac­te­ment le défi que se sont donné des cher­cheurs à tra­vers le monde, dont l’équipe du Dr Frédéric Calon de l’Université Laval. Évidemment, le défi est grand, il existe plu­sieurs stra­té­gies à explo­rer.

L’anticorps monoclonal, un outil idéal de vectorisation

Un anti­corps est la molé­cule de choix uti­li­sée par notre sys­tème immu­ni­taire pour se défen­dre des patho­gè­nes. Ils ont la capa­cité de reconnaî­tre avec une très grande fia­bi­lité qu’un seul patho­gène et rien d’autre, même à une faible concen­tra­tion. En terme phar­ma­co­lo­gi­que, ils ont une haute spé­ci­fi­cité et une grande affi­nité, res­pec­ti­ve­ment.

Notre labo­ra­toire a choisi d’uti­li­ser des anti­corps mono­clo­naux pour cibler spé­ci­fi­que­ment des trans­por­teurs de la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que. Cette appro­che pré­sente plu­sieurs avan­ta­ges : les anti­corps sont bio­com­pa­ti­bles, ils peu­vent être pro­duits et puri­fiés en grande quan­tité et il en faut qu’une faible concen­tra­tion pour être effi­cace. Avec les anti­corps, il est pos­si­ble de cibler exclu­si­ve­ment des trans­por­teurs uni­ques à la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que. Ceci per­met­trait, entre autres, de mini­mi­ser le risque d’effets secondai­res dans le reste de l’orga­nisme. Le fait de diri­ger un médi­ca­ment vers une cible spé­ci­fi­que à l’aide d’une molé­cule comme un anti­corps se nomme la vec­to­ri­sa­tion.

Les nanoparticules en tant que contenant de médicaments


Déjouer la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que avec des anti­corps mono­clo­naux est un bel objec­tif, mais com­ment trans­por­ter suf­fi­sam­ment de médi­ca­ments pour avoir une concen­tra­tion thé­ra­peu­ti­que ? Évidemment, si chaque anti­corps traîne une seule molé­cule de médi­ca­ment, il y a peu de chance que le trai­te­ment soit effi­cace. Il faut arri­ver à le concen­trer dans un conte­nant assez volu­mi­neux pour trans­por­ter un grand nombre de molé­cu­les, mais suf­fi­sam­ment petit pour ne pas affec­ter le fonc­tion­ne­ment des anti­corps lors de la péné­tra­tion de la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que. Ces conte­nants doi­vent avoir une taille d’au moins 20 nm et d’au plus 100 nm de dia­mè­tre, ce qui repré­sente de deux à cinq fois la taille d’un anti­corps, mais entre 100 et 1000 fois plus petit que la lar­geur d’une cel­lule. Des par­ti­cu­les de cette gamme de tailles se nom­ment des nano­par­ti­cu­les.

Il existe dif­fé­rents types de nano­par­ti­cu­les, dont les lipo­so­mes et les nano­par­ti­cu­les de silice méso­po­reuse que nous uti­li­sons au labo­ra­toire. Les lipo­so­mes sont une sorte de bulle de lipi­des dans laquelle les médi­ca­ments peu­vent être encap­su­lés dans un milieu aqueux. Quant à elles, les nano­par­ti­cu­les de silice méso­po­reuse sont de peti­tes boules avec un réseau de pores de 5 à 10 nm dans les­quels les médi­ca­ments peu­vent être encap­su­lés par le biais d’une inte­rac­tion chi­mi­que. La syn­thèse des nano­par­ti­cu­les de silice de taille infé­rieure à 50 nm est rela­ti­ve­ment nou­velle com­pa­ra­ti­ve­ment aux lipo­so­mes qui sont uti­li­sés depuis bien plus que 10 ans. La silice est très stable et il est donc pos­si­ble d’y effec­tuer dif­fé­rents types de modi­fi­ca­tions sans détruire la struc­ture des nano­par­ti­cu­les.

Les nanoparticules fonctionnalisées et vectorisées : un outil exceptionnel

L’avan­tage des nano­par­ti­cu­les de silice méso­po­reuse est qu’il est rela­ti­ve­ment simple de leur donner de nou­vel­les fonc­tions en leur gref­fant des com­po­sés fonc­tion­nels, une fois que la méthode est au point. Évidemment, dans le cas qui nous inté­resse, nous pen­sons ins­tinc­ti­ve­ment à leur vec­to­ri­sa­tion et à l’ajout d’un anti­corps qui cible spé­ci­fi­que­ment la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que. Or, les pos­si­bi­li­tés sont beau­coup plus gran­des puisqu’il est aussi pos­si­ble d’y ajou­ter des molé­cu­les avec d’autres fonc­tions qui peu­vent amé­lio­rer leurs pro­prié­tés ou encore per­met­tre de les carac­té­ri­ser avec rigueur. Par exem­ple, si l’on veut suivre la bio­dis­tri­bu­tion des nano­par­ti­cu­les dans l’orga­nisme, il est pos­si­ble d’ajou­ter un agent de contraste pour les loca­li­ser en ima­ge­rie par réso­nance magné­ti­que. Un autre exem­ple est l’ajout d’un fluo­ro­phore pour effec­tuer des ana­ly­ses de dis­tri­bu­tion sub­cel­lu­laire en micro­sco­pie à fluo­res­cence, notam­ment par recons­truc­tion 3D, ou encore effec­tuer des cri­bla­ges. Évidemment, les pos­si­bi­li­tés sont mul­ti­ples et nous ouvrent la porte vers de nou­vel­les appli­ca­tions, par­ti­cu­liè­re­ment en ce qui a trait aux appro­ches thé­ra­peu­ti­ques inno­va­tri­ces et de vali­da­tion de l’effi­ca­cité de celles-ci.

Se donner les outils de criblage pour faire un choix rigoureux

La décou­verte de nou­veaux anti­corps mono­clo­naux ciblant la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que repose gran­de­ment sur les métho­des de cri­blage. Il ne suffit pas seu­le­ment d’iden­ti­fier un anti­corps posi­tif, mais aussi de mesu­rer sa capa­cité à péné­trer dans la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que et de démon­trer qu’il est meilleur que la réfé­rence actuelle. Quelle est la ciné­ti­que de péné­tra­tion ? Quelles sont les concen­tra­tions opti­ma­les ? Pour ces rai­sons, non avons déve­loppé des tests de cri­blage à haut débit sur des cel­lu­les en culture pour com­pa­rer les anti­corps et les for­mu­la­tions vec­to­ri­sées.

Une fois l’ana­lyse com­plé­tée sur des cel­lu­les en culture, il est impé­ra­tif de véri­fier le com­por­te­ment in vivo. Est-ce que les anti­corps et les for­mu­la­tions pénè­trent à l’inté­rieur de la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que ? Dans quels types de cel­lu­les se retrou­vent-ils ? Est-ce que les for­mu­la­tions s’accu­mu­lent également dans d’autres orga­nes ? C’est pour répon­dre à ces ques­tions que la fonc­tion­na­li­sa­tion des nano­par­ti­cu­les pour l’ima­ge­rie devient inté­res­sante, tant en temps réel qu’en haute réso­lu­tion sur des tissus fixés.

Conclusion

Le trai­te­ment des mala­dies du cer­veau est un immense défi pour les cher­cheurs puis­que les médi­ca­ments qu’ils conçoi­vent ne peu­vent pas se rendre faci­le­ment au cer­veau. Puisque la prin­ci­pale porte d’entrée au cer­veau est cons­ti­tuée d’une pano­plie de récep­teurs et trans­por­teurs spé­ci­fi­ques, il est logi­que de vou­loir les exploi­ter. L’uti­li­sa­tion de for­mu­la­tions vec­to­ri­sées per­met­tant de cibler spé­ci­fi­que­ment la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que à l’aide d’anti­corps mono­clo­naux a un poten­tiel de décou­verte inté­res­sant. Toutefois, le succès réside dans notre capa­cité à iden­ti­fier les meilleurs can­di­dats à l’aide de métho­des de cri­blage à haut débit. Au labo­ra­toire, nous avons à la fois la tech­no­lo­gie et l’expé­rience néces­sai­res dans toutes les étapes menant à la décou­verte d’une nou­velle for­mu­la­tion ciblant la bar­rière héma­toen­cé­pha­li­que.

Remerciements

Ces tra­vaux ont mené à la publi­ca­tion d’un arti­cle dont la par­ti­ci­pa­tion des auteurs est men­tion­née. Toutefois, j’aime­rais sou­li­gner la par­ti­ci­pa­tion impor­tante d’autres mem­bres du labo­ra­toire qui ne figu­rent pas sur l’arti­cle en tant qu’auteurs. D’abord, Vincent Émond (pro­fes­sion­nel de recher­che) a passé plu­sieurs années à déve­lop­per ce projet et beau­coup de ses avan­cées ont été uti­li­sées. Il a aussi été une source iné­pui­sa­ble de conseils et d’encou­ra­ge­ments qui nous ont faci­lité la vie. Sarah Paris-Robidas (doc­to­rat) et Aurélie Louit (maî­trise) ont par­ti­cipé aux expé­rien­ces in vivo alors que Keven Vachon (sta­giaire du bac­ca­lau­réat) et Ariane Giguère-Rancourt (maî­trise) ont par­ti­cipé aux expé­rien­ces in vitro pré­li­mi­nai­res. Enfin, j’aime­rais remer­cier Meryem Bouchoucha, coau­teure de l’arti­cle, avec qui j’ai eu beau­coup de plai­sir à créer un lien chi­mi­que !

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