Dans le monde de la médecine moderne, peu de technologies suscitent autant d'espoir et ouvrent autant de possibilités que CRISPR, l'outil révolutionnaire d'édition génétique. La capacité d'« écrire » et d'« effacer » précisément le code génétique offre le potentiel d'éradiquer les maladies héréditaires, de lutter contre le cancer et de traiter des affections considérées jusqu'à récemment comme incurables. Cependant, malgré cette immense promesse, l'application complète de cette technologie se heurte à un obstacle fondamental : la livraison sûre et efficace du mécanisme CRISPR aux cellules cibles dans le corps humain. Aujourd'hui, une équipe de chimistes de l'Université Northwestern a mis au point une nanostructure innovante qui pourrait être la clé pour libérer tout le potentiel thérapeutique de CRISPR.

L'obstacle qui freine la révolution médicale

Pour que le système CRISPR puisse accomplir sa tâche – qu'il s'agisse de désactiver un gène défectueux, de réparer une mutation ou d'insérer un nouveau matériel génétique – ses composants clés doivent arriver intacts au bon endroit. Ces composants comprennent l'enzyme Cas9, qui fonctionne comme des ciseaux moléculaires, un ARN guide (ARNg) qui dirige ces ciseaux vers l'emplacement exact dans le génome, et souvent une matrice d'ADN de réparation que la cellule utilise comme modèle pour la correction. Le problème est que cette cargaison moléculaire complexe ne peut pas pénétrer seule la membrane cellulaire. Elle a besoin d'un véhicule de livraison.

Actuellement, deux méthodes de livraison sont les plus couramment utilisées dans la recherche et les essais cliniques. La première est celle des vecteurs viraux modifiés. Les virus, de par leur nature, sont extrêmement habiles pour insérer leur matériel génétique dans les cellules, ce qui en fait des « coursiers » très efficaces. Cependant, leur utilisation comporte des risques importants. Ils peuvent déclencher une forte réponse immunitaire de l'organisme, ce qui peut entraîner de dangereuses réactions inflammatoires. Il y a aussi la crainte d'une intégration non intentionnelle de l'ADN viral dans le génome du patient, ce qui pourrait avoir des conséquences imprévisibles à long terme.

La seconde alternative, plus sûre, est celle des nanoparticules lipidiques (NPL). Ce sont de minuscules bulles de graisse qui peuvent envelopper et protéger les composants de CRISPR. C'est précisément cette technologie qui est devenue mondialement connue car elle est utilisée pour livrer l'ARNm dans les vaccins contre la COVID-19. Bien qu'elles soient considérablement plus sûres que les virus, les particules NPL sont assez inefficaces. Une grande partie d'entre elles n'atteignent jamais les cellules cibles, et celles qui y parviennent restent souvent piégées à l'intérieur de compartiments cellulaires appelés endosomes. Il est difficile pour la cargaison de se libérer de ces « prisons cellulaires », ce qui signifie que seul un faible pourcentage du mécanisme CRISPR atteint finalement le noyau cellulaire où il doit faire son travail.

Une solution révolutionnaire : les acides nucléiques sphériques enrobés de lipides

Pour surmonter ces inconvénients, une équipe dirigée par le pionnier des nanomatériaux Chad A. Mirkin de l'Université Northwestern a développé un tout nouveau type de nanostructure. Ils l'ont appelée nanoparticule lipidique d'acide nucléique sphérique, ou LNP-SNA en abrégé. Ces structures représentent un hybride qui combine le meilleur des deux mondes : la sécurité des NPL et les capacités avancées des acides nucléiques sphériques (ANS), une technologie précédemment inventée et développée par le laboratoire de Mirkin.

La base du LNP-SNA est un noyau de nanoparticule lipidique, à l'intérieur duquel est emballé en toute sécurité l'ensemble complet des outils CRISPR – les enzymes Cas9, l'ARN guide et la matrice d'ADN. L'innovation clé réside dans ce qui se trouve à la surface. Le noyau est densément recouvert de brins d'ADN courts et spécialement conçus, qui forment une structure sphérique tridimensionnelle. Cette enveloppe d'ADN a un rôle multiple et crucial. Premièrement, elle agit comme un bouclier qui protège la précieuse cargaison de la dégradation dans la circulation sanguine. Deuxièmement, et plus important encore, cette enveloppe communique activement avec les cellules. Les cellules ont à leur surface des récepteurs qui reconnaissent l'ADN, c'est pourquoi elles « aspirent » beaucoup plus facilement et activement les particules LNP-SNA à l'intérieur. De plus, les séquences d'ADN de l'enveloppe peuvent être précisément adaptées pour cibler des types spécifiques de cellules ou de tissus, rendant la livraison plus sélective et réduisant les effets potentiels sur les cellules saines.

Nanomédecine structurelle : la forme est plus importante que les ingrédients

Cette percée illustre parfaitement les principes de la nanomédecine structurelle, un domaine scientifique en pleine croissance dont le professeur Mirkin est le pionnier. L'idée de base de ce domaine est que l'activité biologique et l'efficacité d'un nanomatériau ne dépendent pas seulement de sa composition chimique, mais de manière cruciale de son architecture et de sa forme tridimensionnelles. En d'autres termes, la manière dont les molécules sont disposées dans l'espace peut changer radicalement la façon dont le nanomatériau interagit avec les systèmes biologiques.

Dans le cas des LNP-SNA, le simple passage d'une surface linéaire et désorganisée des NPL standard à une structure sphérique et dense de brins d'ADN sur l'ANS améliore considérablement la façon dont les cellules reconnaissent et internalisent la particule. « De simples changements dans la structure de la particule peuvent changer radicalement la façon dont une cellule l'accepte », explique Mirkin. « L'architecture ANS est reconnue par presque tous les types de cellules, de sorte que les cellules absorbent activement les ANS et les internalisent rapidement. » Ce principe ouvre la voie à la conception de nanomédicaments plus intelligents et plus efficaces pour un large éventail d'applications.

Des résultats impressionnants qui promettent une nouvelle ère

Pour tester leur nouvelle plateforme, les chercheurs ont mené une série d'expériences sur différents types de cellules humaines et animales en culture. Les tests ont inclus des cellules de la peau, des globules blancs, des cellules souches de la moelle osseuse humaine et des cellules rénales humaines. Les résultats, publiés dans la prestigieuse revue Proceedings of the National Academy of Sciences, ont été extraordinaires à tous égards.

Il a été démontré que les structures LNP-SNA pénétraient dans les cellules jusqu'à trois fois plus efficacement que les systèmes NPL standard utilisés, par exemple, dans les vaccins. Fait tout aussi important, elles ont causé une toxicité cellulaire nettement moindre, ce qui est un facteur clé pour la sécurité de toute thérapie future. Le plus impressionnant a été l'augmentation de l'efficacité de l'édition génétique elle-même. Le nouveau système a triplé l'efficacité de CRISPR. De plus, lorsque l'objectif n'était pas seulement de « découper » un gène, mais d'effectuer une réparation précise de la séquence génétique à l'aide d'une matrice d'ADN, la plateforme LNP-SNA a amélioré le taux de réussite de plus de 60 % par rapport aux méthodes existantes. Cet aspect est d'une importance vitale pour le traitement des maladies causées par des mutations spécifiques, où il est nécessaire de corriger, et non simplement de supprimer, le gène.

Du laboratoire au patient : la voie vers l'application clinique

Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à des médicaments génétiques plus sûrs et plus fiables. La prochaine étape pour l'équipe de Mirkin est de valider davantage le système dans de multiples modèles de maladies in vivo chez l'animal, afin de confirmer son efficacité et sa sécurité dans l'environnement complexe d'un organisme vivant. Comme la plateforme est modulaire, les chercheurs peuvent facilement l'adapter à différentes cibles et applications thérapeutiques, simplement en changeant les outils CRISPR à l'intérieur du noyau ou les séquences d'ADN de ciblage à la surface.

Le potentiel de cette technologie a également été reconnu en dehors des cercles universitaires. La société de biotechnologie Flashpoint Therapeutics, issue de la recherche à l'Université Northwestern, travaille déjà à la commercialisation de cette technologie dans le but de la faire passer le plus rapidement possible à la phase d'essais cliniques sur l'homme. En fusionnant deux biotechnologies extrêmement puissantes – CRISPR et les acides nucléiques sphériques – une stratégie a été créée qui a le potentiel de libérer enfin toute la puissance de l'édition génétique et de faire entrer la médecine dans une nouvelle ère de traitements personnalisés et curatifs.