Amélioration de la délivrance de gènes au cancer du sein grâce à un chargement efficace de siRNA et des vésicules extracellulaires petites sensibles au pH

Contexte académique

Ces dernières années, les vésicules extracellulaires petites (small extracellular vesicles, sEVs) sont devenues un sujet de recherche populaire dans le domaine de la délivrance de médicaments en raison de leur origine naturelle et de leurs propriétés de ciblage intrinsèques. Les sEVs sont des nanoparticules lipidiques sécrétées par la plupart des cellules eucaryotes, d’un diamètre généralement compris entre 50 et 150 nanomètres. Elles transportent diverses biomolécules et peuvent transmettre des informations via la communication intercellulaire, tout en présentant une excellente stabilité structurelle et physiologique in vivo. Ces caractéristiques confèrent aux sEVs un potentiel énorme dans le traitement de diverses maladies, en particulier dans le domaine de la délivrance de médicaments.

Cependant, malgré les perspectives prometteuses des sEVs dans la délivrance de médicaments, leur application clinique reste confrontée à de nombreux défis. Tout d’abord, les techniques de production à grande échelle et de purification efficace des sEVs ne sont pas encore matures, limitant leur utilisation clinique généralisée. Ensuite, l’hétérogénéité des sEVs rend difficile la prédiction de leurs effets in vivo. De plus, les méthodes traditionnelles de chargement de médicaments sont inefficaces et difficiles à adapter pour une délivrance cellulaire précise. En particulier, pour les grandes biomolécules (comme l’ARN), l’efficacité de chargement des sEVs est particulièrement faible. Ces problèmes entravent sérieusement l’application des sEVs en thérapie génique.

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont développé un nouveau système de délivrance de gènes, en intégrant des points quantiques de graphène chiraux (chiral graphene quantum dots, GQDs) et des peptides sensibles au pH, améliorant ainsi de manière significative l’efficacité de chargement du siRNA et la capacité de ciblage des sEVs. Cette recherche fournit non seulement de nouvelles idées pour l’application des sEVs en thérapie génique, mais offre également une solution potentielle pour surmonter la résistance à la chimiothérapie dans le cancer du sein.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Gaeun Kim, Runyao Zhu, Sihan Yu, Bowen Fan, Hyunsu Jeon, Jennifer Leon, Matthew J. Webber et Yichun Wang, tous membres du département de génie chimique et biomoléculaire de l’University of Notre Dame. L’article a été publié le 23 décembre 2024 dans la revue ACS Biomaterials Science & Engineering, sous le titre Enhancing Gene Delivery to Breast Cancer with Highly Efficient siRNA Loading and pH-Responsive Small Extracellular Vesicles.

Processus et résultats de la recherche

1. Isolation et caractérisation des sEVs

L’étude a d’abord isolé des sEVs à partir de cellules de cancer du sein humain MCF-7, puis les a caractérisées en détail. L’observation par microscopie électronique à transmission (TEM) a confirmé la structure sphérique et l’intégrité des sEVs. L’analyse de suivi de nanoparticules (NTA) a montré que la distribution de taille des sEVs était de 127,9 ± 47,0 nanomètres, avec une charge de surface de -12,93 ± 0,85 millivolts, indiquant une excellente stabilité colloïdale. De plus, l’analyse par Western blot a confirmé la présence de marqueurs des sEVs (CD9, CD63, CD81 et HSP70), validant ainsi la pureté des sEVs.

2. Synthèse et caractérisation des points quantiques de graphène chiraux (GQDs)

Pour améliorer la capacité de chargement du siRNA dans les sEVs, les chercheurs ont développé des points quantiques de graphène chiraux (GQDs). En utilisant une méthode modifiée de Hummers, les chercheurs ont synthétisé des GQDs et les ont fonctionnalisés avec de la D-cystéine pour leur conférer une chiralité. L’analyse par TEM a montré que la taille moyenne des GQDs était de 6,88 ± 2,16 nanomètres. La spectroscopie de dichroïsme circulaire (CD) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ont confirmé la fonctionnalisation chirale des GQDs. Ces GQDs chiraux permettent un chargement efficace du siRNA dans les sEVs grâce à des interactions chirales à l’échelle nanométrique, tout en préservant l’intégrité structurelle des sEVs.

3. Fonctionnalisation par un peptide sensible au pH (GALA)

Pour améliorer la capacité des sEVs à échapper aux lysosomes, les chercheurs ont conçu un peptide sensible au pH (GALA) et l’ont ancré dans la bicouche lipidique des sEVs via du cholestérol. Le peptide GALA subit un changement de conformation en milieu acide, passant d’une structure aléatoire à une hélice α, favorisant ainsi la fusion des sEVs avec la membrane lysosomale et permettant la libération du siRNA dans le cytoplasme. Des expériences de marquage fluorescent ont confirmé l’insertion réussie du peptide GALA dans la membrane des sEVs et ont montré un changement de charge significatif en milieu acide.

4. Chargement et délivrance du siRNA

Les chercheurs ont utilisé des GQDs chiraux pour charger le siRNA dans les sEVs et ont réalisé une échappée lysosomale efficace grâce à la fonctionnalisation par le peptide GALA. Les résultats expérimentaux ont montré que l’efficacité de pénétration du siRNA par la méthode de chargement avec des GQDs chiraux était de 63,46 ± 4,07 %, soit 8,82 fois plus élevée que celle de la méthode traditionnelle de chargement par ultrasons. De plus, les sEVs chargées de siRNA ont montré une excellente stabilité dans le sérum, maintenant l’intégrité du siRNA pendant 6 heures.

5. Capture cellulaire et échappée lysosomale

En utilisant la microscopie confocale à balayage laser (CLSM), les chercheurs ont observé que les sEVs fonctionnalisées avec GALA présentaient une capacité significative de délivrance cytoplasmique dans les cellules de cancer du sein. Par rapport aux sEVs non fonctionnalisées, les sEVs-GALA ont augmenté l’efficacité de délivrance cytoplasmique de 1,74 fois. De plus, les sEVs-GALA ont pu échapper efficacement aux lysosomes en milieu acide, libérant le siRNA dans le cytoplasme et permettant ainsi un silence génique efficace.

6. Silencing du gène TGF-β et sensibilisation à la chimiothérapie

Les chercheurs ont utilisé des sEVs chargées de siRNA pour silencer efficacement le gène TGF-β dans les cellules de cancer du sein, réduisant ainsi significativement la rigidité de la matrice extracellulaire (ECM) et augmentant la sensibilité des cellules cancéreuses à la doxorubicine (Doxorubicin, Dox). Les résultats expérimentaux ont montré qu’après le silencing du gène TGF-β, la capacité de migration des cellules cancéreuses était significativement réduite, et un effet synergique notable a été observé lors du traitement combiné avec la Dox.

Conclusion et signification

Cette étude a développé une plateforme efficace de délivrance de gènes basée sur les sEVs, en intégrant des GQDs chiraux et des peptides sensibles au pH, améliorant ainsi de manière significative l’efficacité de chargement et de ciblage du siRNA. Cette plateforme conserve les avantages biologiques naturels des sEVs tout en permettant une échappée lysosomale améliorée pour un silence génique efficace. Les résultats de l’étude montrent que ce système a un potentiel énorme pour surmonter la résistance à la chimiothérapie dans le cancer du sein, offrant de nouvelles perspectives pour le traitement du cancer.

Points forts de la recherche

1. Chargement efficace de siRNA : L’utilisation de GQDs chiraux a permis un chargement efficace du siRNA dans les sEVs, avec une efficacité 8,82 fois supérieure à celle des méthodes traditionnelles.
2. Échappée lysosomale sensible au pH : La fonctionnalisation par le peptide GALA a significativement amélioré la capacité des sEVs à échapper aux lysosomes, augmentant ainsi l’efficacité de délivrance cytoplasmique du siRNA.
3. Synergie avec la chimiothérapie : Le silencing du gène TGF-β a réduit la rigidité de l’ECM des cellules cancéreuses, augmentant ainsi l’efficacité de la Dox.

Cette recherche fournit non seulement de nouveaux outils technologiques pour l’application des sEVs en thérapie génique, mais propose également une solution potentielle pour surmonter la résistance à la chimiothérapie dans le cancer du sein, avec une valeur scientifique et appliquée importante.