Hydrogel crosslinking mechanisms influence the release and functional delivery of lipid nanoparticles

Les vaccins ont longtemps été notre bouclier le plus puissant contre les maladies infectieuses, apprenant au système immunitaire à reconnaître et à vaincre les envahisseurs avant qu'ils ne causent des dommages. Pendant des décennies, cet entraînement reposait sur l'injection d'un morceau du germe lui-même, ou d'une version inoffensive de celui-ci, pour déclencher une réponse. Ces dernières années, une technologie plus récente et plus flexible est apparue : les vaccins à ARN messager. Au lieu de livrer un morceau du virus, ces vaccins délivrent un ensemble d'instructions génétiques qui ordonnent à nos propres cellules de construire une protéine spécifique, entraînant le système immunitaire de manière tout aussi efficace. Pour faire pénétrer ces instructions fragiles à l'intérieur de nos cellules, les scientifiques les enveloppent dans de minuscules bulles microscopiques composées de graisse, appelées nanoparticules lipidiques. Ces bulles protègent la cargaison génétique et l'aident à se glisser à travers la paroi externe de la cellule. Cependant, un défi demeure : une fois injectées, ces instructions sont souvent utilisées rapidement, et le signal d'entraînement s'estompe. La nature, en revanche, présente souvent des menaces sur des jours ou des semaines, laissant au système immunitaire le temps de construire une défense plus forte et plus durable. Les scientifiques se demandent depuis longtemps s'ils pourraient créer un système de délivrance qui libère ces instructions lentement, maintenant le signal d'entraînement actif plus longtemps, à l'instar d'une capsule à libération prolongée pour les médicaments.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre ce problème en testant si un matériau mou et gélatineux appelé hydrogel pouvait servir de casier de retenue pour ces bulles de graisse. Les hydrogels sont des réseaux de molécules qui piègent l'eau, formant une structure qui est principalement liquide mais qui garde sa forme, semblable à un dessert très mou de type gelée. Les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient mélanger les bulles de vaccin dans cette gelée et les laisser s'échapper lentement au fil du temps. Mais ils savaient que toutes les gelées ne sont pas identiques. Certaines sont maintenues par des liaisons chimiques fortes, d'autres par des attractions électriques, et certaines par la façon dont les protéines s'enchevêtrent naturellement. L'équipe soupçonnait que la manière spécifique dont la gelée était construite changerait la façon dont les bulles se déplaceraient, la durée pendant laquelle elles resteraient en sécurité, et si elles pourraient toujours accomplir leur tâche une fois sorties. Pour trouver la réponse, ils ont créé quatre types différents d'hydrogels, chacun possédant une manière unique de maintenir sa forme, et les ont chargés avec les bulles de vaccin.

Les scientifiques ont d'abord vérifié si les bulles pouvaient survivre à l'intérieur de ces gelées. Ils ont utilisé deux types de bulles : l'une remplie d'un colorant brillant pour suivre leur mouvement, et l'autre remplie des instructions génétiques réelles pour fabriquer une protéine fluorescente. Ils ont placé ces bulles dans les quatre systèmes d'hydrogel et ont observé ce qui se passait sur plusieurs jours. Ils ont découvert que les quatre types de gelée finissaient par laisser sortir les bulles, mais que la vitesse et la quantité qui sortaient variaient considérablement selon la recette de la gelée. Les liaisons chimiques qui maintenaient le premier type de gelée permettaient le meilleur contrôle ; en modifiant la quantité de matériau utilisée, les chercheurs pouvaient faire sortir les bulles rapidement ou lentement. Cependant, même dans ce meilleur scénario, une partie du colorant brillant s'est échappée des bulles avant qu'elles ne soient pleinement récupérées, suggérant que les bulles étaient légèrement stressées. Dans un autre type de gelée, maintenu par des charges électriques, les bulles sont sorties, mais elles sont devenues plus dispersées et moins uniformes en taille. Un troisième type, composé d'un matériau thermosensible qui se transforme en gel lorsqu'il est chauffé, a libéré les bulles très rapidement, mais la gelée elle-même s'est dissoute si vite qu'il était difficile de séparer les bulles du reste du matériau. Le quatrième type, composé de protéines naturelles présentes dans le corps, était le plus complexe. Bien qu'il ait été difficile de mesurer exactement combien de bulles étaient sorties parce que la gelée ne se dissolvait pas complètement, celles qui ont émergé étaient en excellente forme.

Les chercheurs ont ensuite examiné les bulles elles-mêmes pour voir si le voyage à travers la gelée les avait modifiées. Ils ont utilisé un microscope puissant capable de voir des particules individuelles figées dans une fine couche de glace. Ils ont découvert que les bulles paraissaient différentes selon la température à laquelle elles étaient conservées. Les bulles conservées dans un environnement frais paraissaient quelque peu lâches et irrégulières. Mais les bulles qui avaient été conservées à la température du corps, qu'elles soient restées dans un tube à essai ou qu'elles viennent de sortir d'un hydrogel, paraissaient plus compactes et denses. Ce changement se produisait même sans la gelée, simplement à cause de la chaleur, suggérant que les bulles se resserrent naturellement lorsqu'elles se réchauffent. De manière cruciale, les chercheurs ont constaté que les hydrogels n'avaient pas brisé les bulles ni détruit leur structure ; les particules restaient intactes et prêtes à fonctionner.

Le test le plus important était de savoir si les bulles pouvaient toujours délivrer leur message après avoir échappé à la gelée. L'équipe a placé les hydrogels au-dessus d'une couche de cellules humaines dans une boîte de Pétri et a attendu que les bulles dérivent vers le bas et entrent dans les cellules. Ils ont constaté que les cellules absorbaient avec succès les bulles provenant de chaque type d'hydrogel. Lorsqu'ils ont vérifié si les cellules avaient reçu les instructions et commençaient à produire la protéine, les résultats étaient clairs. Les bulles qui avaient voyagé à travers la gelée protéique étaient tout aussi efficaces que celles qui n'avaient jamais été dans une gelée, produisant des niveaux élevés de la protéine cible. Les bulles de la gelée à liaisons chimiques fonctionnaient également bien, bien que leur performance ait légèrement chuté à mesure que la gelée devenait plus dense. Les bulles de la gelée à charge électrique et de la gelée thermosensible présentaient une performance réduite, cette dernière peinant à transmettre efficacement le message, même si les bulles elles-mêmes avaient survécu au voyage.

Ces résultats révèlent que le matériau utilisé pour contenir le vaccin est tout aussi important que le vaccin lui-même. Bien que tous les hydrogels testés aient été capables de libérer les bulles, la manière spécifique dont la gelée était construite déterminait la capacité des bulles à conserver leur forme et à délivrer leur cargaison. La gelée à base de protéines, qui imite l'environnement naturel du corps, s'est avérée la plus prometteuse, préservant toute la puissance des instructions du vaccin. L'étude montre qu'il est possible de créer un système de libération lente pour ces vaccins avancés, mais que cela nécessite une sélection minutieuse du matériau de délivrance. En choisissant le bon type de gelée, les scientifiques peuvent potentiellement prolonger le temps pendant lequel le système immunitaire perçoit le vaccin, menant à une protection plus forte et plus durable contre la maladie. Ce travail offre une voie claire pour concevoir de meilleurs systèmes de délivrance de vaccins qui maintiennent le signal d'entraînement du corps actif aussi longtemps que nécessaire.