Un vaccin synthétique complexe basé sur des molécules d'ADN a été créé

À la recherche de moyens de créer des vaccins plus sûrs et plus efficaces, les scientifiques du Biodesign Institute de l'Université d'État de l'Arizona se sont tournés vers un domaine prometteur appelé nanotechnologie de l'ADN pour créer un tout nouveau type de vaccin synthétique.

Dans une étude publiée récemment dans la revue Nano Letters, l'immunologiste Yung Chang de l'Institut de bio-ingénierie s'est associé à des collègues, dont le célèbre nanotechnologue de l'ADN Hao Yan, pour synthétiser le premier complexe vaccinal au monde qui peut être délivré de manière sûre et efficace aux sites cibles en étant placé sur des nanostructures d'ADN tridimensionnelles auto-assemblées.

« Lorsque Hao a suggéré de considérer l'ADN non pas comme du matériel génétique, mais comme une plateforme de travail, j'ai eu l'idée d'appliquer cette approche à l'immunologie », explique Chang, professeur associé à l'École des sciences de la vie et chercheur au Centre des maladies infectieuses et des vaccins de l'Institut de bio-ingénierie. « Cela nous offrirait une excellente opportunité d'utiliser des vecteurs d'ADN pour créer un vaccin synthétique. »

La grande question était: est-ce sûr? Nous souhaitions créer un groupe de molécules capables de déclencher une réponse immunitaire sûre et puissante dans l’organisme. L’équipe de Hao concevant diverses nanostructures d’ADN depuis plusieurs années, nous avons commencé à collaborer pour trouver des applications médicales potentielles à ces structures.

La particularité de la méthode proposée par les scientifiques de l’Arizona est que le porteur de l’antigène est une molécule d’ADN.

L'équipe de recherche multidisciplinaire comprenait également Xiaowei Liu, étudiant diplômé en biochimie de l'Université d'Arizona et premier auteur de l'article, le professeur Yang Xu, le professeur de biochimie Yan Liu, l'étudiant de l'École des biosciences Craig Clifford et Tao Yu, étudiant diplômé de l'Université du Sichuan en Chine.

Chang souligne que l'adoption généralisée de la vaccination a conduit à l'un des plus grands succès de santé publique. La création de vaccins repose sur le génie génétique, qui permet de fabriquer des particules pseudo-virales à partir de protéines stimulant le système immunitaire. Ces particules ont une structure similaire à celle des vrais virus, mais ne contiennent pas de composants génétiques dangereux pouvant provoquer des maladies.

Un avantage important de la nanotechnologie de l’ADN, qui permet de donner à une biomolécule une forme bidimensionnelle ou tridimensionnelle, est la possibilité de créer des molécules à l’aide de méthodes très précises qui peuvent exécuter des fonctions typiques des molécules naturelles du corps.

« Nous avons expérimenté différentes tailles et formes de nanostructures d'ADN et y avons ajouté des biomolécules pour observer la réaction de l'organisme », explique Yang, directeur du département de chimie et de biochimie et chercheur au Centre de biophysique des molécules uniques de l'Institut de bio-ingénierie. Grâce à une approche que les scientifiques appellent « biomimétisme », les complexes vaccinaux testés se rapprochent de la taille et de la forme des particules virales naturelles.

Pour démontrer la viabilité de leur concept, les chercheurs ont associé la streptavidine (STV), une protéine immunostimulante, et l'oligodésoxynucléotide CpG, un médicament immunostimulant, à des structures d'ADN ramifiées pyramidales distinctes, ce qui leur permettrait éventuellement d'obtenir un complexe vaccinal synthétique.

L'équipe a d'abord dû prouver que les cellules cibles pouvaient absorber les nanostructures. En fixant une molécule émettrice de lumière à la nanostructure, les scientifiques ont pu vérifier que celle-ci trouvait sa place dans la cellule et restait stable pendant plusieurs heures, suffisamment longtemps pour déclencher une réponse immunitaire.

Ensuite, lors d'expériences sur des souris, les scientifiques ont travaillé à administrer la « charge » vaccinale aux cellules qui constituent les premiers maillons de la chaîne de réponse immunitaire de l'organisme, coordonnant les interactions entre différents composants tels que les cellules présentatrices d'antigènes, notamment les macrophages, les cellules dendritiques et les lymphocytes B. Une fois les nanostructures pénétrées dans la cellule, elles sont « analysées » et « affichées » à la surface cellulaire afin d'être reconnues par les lymphocytes T, les globules blancs qui jouent un rôle central dans le déclenchement de la réponse immunitaire de l'organisme. Les lymphocytes T, à leur tour, aident les lymphocytes B à produire des anticorps contre les antigènes étrangers.

Pour tester de manière fiable toutes les variantes, les chercheurs ont injecté des cellules avec le complexe vaccinal complet et l’antigène STV seul, ainsi que l’antigène STV mélangé à un activateur CpG.

Après 70 jours, les scientifiques ont constaté que les souris immunisées avec le complexe vaccinal complet présentaient une réponse immunitaire neuf fois plus forte que celle induite par le mélange CpG/STV. La réaction la plus notable était initiée par la structure tétraédrique (pyramidale). Cependant, la réponse immunitaire au complexe vaccinal était reconnue non seulement comme spécifique (c'est-à-dire la réaction de l'organisme à un antigène spécifique utilisé par les expérimentateurs) et efficace, mais aussi comme sûre, ce que confirme l'absence de réaction immunitaire à l'ADN « vide » (ne portant pas de biomolécules) introduit dans les cellules.

« Nous étions très satisfaits », déclare Chang. « C'était formidable de voir les résultats que nous avions anticipés. Cela n'arrive pas souvent en biologie. »

L’avenir de l’industrie pharmaceutique réside dans les médicaments ciblés

L'équipe étudie désormais le potentiel d'une nouvelle méthode permettant de stimuler des cellules immunitaires spécifiques afin de déclencher une réponse immunitaire grâce à une plateforme ADN. Cette nouvelle technologie pourrait servir à créer des vaccins composés de plusieurs principes actifs, ainsi qu'à modifier les cibles afin de réguler la réponse immunitaire.

En outre, la nouvelle technologie a le potentiel de développer de nouvelles méthodes de thérapie ciblée, en particulier la production de médicaments « ciblés » qui sont délivrés dans des zones strictement désignées du corps et ne produisent donc pas d’effets secondaires dangereux.

Enfin, bien que le domaine de l’ADN en soit encore à ses balbutiements, les travaux scientifiques des chercheurs de l’Arizona ont des implications pratiques importantes pour la médecine, l’électronique et d’autres domaines.

Chang et Yang reconnaissent qu'il reste encore beaucoup à apprendre et à optimiser concernant leur méthode vaccinale, mais la valeur de leur découverte est indéniable. « Grâce à la preuve de concept en main, nous pouvons désormais produire des vaccins synthétiques contenant un nombre illimité d'antigènes », conclut Chang.

Le soutien financier de cette recherche a été fourni par le ministère américain de la Défense et les National Institutes of Health.

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