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La thérapie génique – la modification de notre ADN pour traiter une maladie – est une réalité clinique de nos jours, mais seulement dans une poignée de pays riches. Les scientifiques de Fred Hutch pensent que leur nouveau système d’édition CRISPR qui pourrait aider à créer une thérapie génique à des patients du monde entier.

Une nouvelle façon d’utiliser le système CRISPR utilisant de l’or

Un nouvel article publié dans Nature Materials décrit comment les scientifiques ont chargé CRISPR sur des nanoparticules d’or sphériques. Ces minuscules navettes ont ensuite déposé l’outil de modification des gènes dans des cellules souches sanguines données par des individus en bonne santé et isolées dans des éprouvettes, où CRISPR a modifié les gènes liés au VIH et à certains troubles sanguins.
C’est la première fois que des nanoparticules ont transféré avec succès CRISPR dans des cellules souches sanguines afin de modifier de l’ADN, ont indiqué les chercheurs. Et c’est une étape prometteuse pour résoudre les problèmes de livraison de CRISPR.
Le premier de ces problèmes a vexé le domaine depuis la découverte de cette technique d’édition des gènes. Les scientifiques doivent livrer CRISPR au bon endroit dans une cellule. Cela s’avère assez difficile. L’ADN représente le coeur des cellules humaines, et la CRISPR doit se faufiler devant toutes sortes de systèmes de sécurité pour y accéder.
Les chercheurs pensent que leurs nanoparticules d’or peuvent résoudre plusieurs problèmes. En tant que courriers efficaces, ils pourraient réduire le besoin de virus sophistiqués et des centres de recherche spécialisés. Et cela pourrait aider à rendre ces traitements émergents accessibles et abordables, a déclaré la scientifique senior Dr. Adair Jennifer Adair.
«La thérapie génique a beaucoup de potentiel pour de nombreuses maladies, mais le processus actuel n’est pas réalisable partout dans le monde», a déclaré Adair. «Nous voulons proposer une thérapie génique qui fonctionnerait directement dans une seringue. Cette nanoparticule d’or représente la première possibilité pour rendre la thérapie d’édition efficace dans le sang des patients. »

CRISPR-Cpf1 agi comme des ciseaux moléculaires

Le système CRISPR de l’équipe comprend plusieurs composants. Le premier est un GPS génétique appelé ARN guide. C’est une molécule qui est à la base d’une partie spécifique de l’ADN. La prochaine étape est une protéine coupant l’ADN appelée CRISPR-Cpf1. Il agit comme une paire de ciseaux moléculaires, coupant à l’endroit précis où l’ARN guide le prend. Enfin, il existe une matrice d’ADN qui effectue les modifications nécessaires dans le code de l’ADN sur le site extrait.
Pour ce qui est de délivrer CRISPR dans les cellules, la recherche à été longue, a déclaré le Dr Reza Shahbazi, chercheur post-doctoral et responsable de cette étude. « Cela a été un problème difficile pour nous. »
Effectivement. Les scientifiques utilisent généralement deux stratégies principales pour mener CRISPR dans une cellule. Ils peuvent utiliser un choc électrique pour ouvrir brièvement une porte dans la membrane d’une cellule. Mais sans surprise, les cellules n’aiment pas être zappées et le processus peut leur être nocif.
Les chercheurs peuvent également transformer en virus. Mais ce processus est coûteux et lent. Le coût approximatif de l’ingénierie virale pour traiter une douzaine de patients est d’un demi-million de dollars et 12 mois de dur labeur.
Alors Shahbazi s’est alors intéressé à l’or. Plus précisément, les ions d’or en suspension dans l’eau. « L’or possède de nombreuses caractéristiques spéciales dont nous pouvons tirer profit », a déclaré Shahbazi. par exemple, les scientifiques peuvent facilement jouer avec la taille des particules. C’est important car différentes tailles sont utilisées pour cibler différentes parties du corps, a-t-il expliqué.

La chimie de l’or fournit un autre avantage

La chimie de surface de l’or fournit un autre avantage. Il permet plusieurs astuces chimiques complexes qui rendent la nanoparticule stable, a déclaré Shahbazi. Il a dû bricoler avec les charges positives et négatives des différents composants, en faisant de petites modifications moléculaires pour empêcher les différentes parties de se repousser les unes les autres.
La charge globale de la nanoparticule d’or aide la livraison à atteindre la membrane cellulaire. Là, la nanoparticule est pliée dans la cellule et enveloppée dans une poche appelée endosome. Cela fait partie d’un processus naturel qu’une cellule utilise lorsqu’elle veut examiner ce qu’il y a dans des molécules étrangères.
À la toute fin du processus de livraison. La cellule inonde essentiellement la poche de l’endosome avec de l’acide pour décomposer ce qui se trouve à l’intérieur. Mais le véhicule de livraison de Shahbazi interagit avec cet acide de manière à ce qu’il se libère de sa poche. Il est maintenant placé à l’intérieur du noyau, puis l’ADN est prêt à décharger CRISPR.
Après que CRISPR ait effectué sa coupe, une cellule contient quelques pièces standard dans son livre de jeu pour réparer l’ADN endommagé. Les équipes de maintenance cellulaire sont appelées et tentent de réparer le désordre. Les résultats sont des insertions ou des suppressions aléatoires des «lettres» d’ADN, également appelées indels.
Les indels cassent essentiellement un gène, ce qui peut aider à traiter certaines maladies. Mais de nombreuses thérapies visent à réécrire avec précision le code de l’ADN, ce qui nécessite que l’ADN de base se déplace avec le système CRISPR. Le défi: faire en sorte que la cellule corrige exactement ce nouvel ADN.
Les recherches ont démontré que les ciseaux moléculaires qu’ils utilisaient, le Cpf1, coupaient l’ADN de manière spécifique, ce qui permettait une édition plus précise que l’enzyme Cas9. Ce type de coupe indique à la cellule de broder le nouveau code d’ADN dans l’espace où la coupe a été faite. «Nous avons très peu d’indels avec notre système», a déclaré Adair. « C’est un gros problème car nous pouvons maintenant être très précis dans la façon dont nous modifions le génome. »

Une thérapie en voie de mondialisation

À l’avenir, Adair et Shahbazi s’emploieront à améliorer les performances d’édition de leur technique. Leur système CRISPR a modifié entre 10% et 20% des cellules ciblées. Bien que cela ne soit pas encore comparable à la délivrance par choc électrique, toutes les cellules ont survécu et ont donné de meilleurs résultats que les cellules souches sanguines non traitées, ce qui représente une amélioration significative, a déclaré Adair.
Une meilleure compréhension de la biologie des cellules souches du sang les aidera à peaufiner leur approche. Les cellules souches sanguines sont prometteuses pour un traitement de thérapie génique unique en son genre, a expliqué Adair. Ces cellules spéciales produisent chaque globule blanc et rouge dans le corps, des milliards chaque jour. En théorie, les gènes modifiés dans les cellules souches du sang seraient transmis à leur progéniture pendant toute la vie d’un patient.
Dans cette étude, l’équipe a ciblé deux gènes dans l’ADN de ces cellules souches. Les deux cibles sont liées à des maladies qui touchent des millions de personnes dans le monde. La plupart d’entre elles ne vivent pas à proximité des installations de recherche sophistiquées qui génèrent actuellement des virus pour le traitement par CRISPR.
Les premières expériences visaient à perturber le gène CCR5, ce qui a été proposé comme stratégie pour rendre les cellules résistantes à l’infection par le VIH. La seconde visait à créer une mutation naturelle dans l’interrupteur marche/arrêt de l’hémoglobine gamma. Alors que la gamma globine est généralement désactivée, son activation peut protéger les cellules contre des troubles sanguins héréditaires tels que la drépanocytose.

Une technique ayant un grand potentiel 

Les cellules humaines éditées ont été transplantées dans des souris et étaient encore présentes environ quatre mois après leur perfusion. Étonnamment, les cellules traitées à l’or ont obtenu de meilleurs résultats que les cellules non traitées. Ces premiers résultats suggèrent que le progiciel d’édition de gènes tout-en-un des chercheurs a le potentiel de traiter les patients en clinique – et sans la nécessité d’utiliser ces virus coûteux et fortement manipulés.
Adair travaille depuis des années pour simplifier le processus CRISPR. En 2016, elle a publié une recherche sur la « thérapie génique dans une boîte ». Ce système mobile a prouvé le concept selon lequel la thérapie génique pouvait être pratiquée n’importe où, même dans les pays les plus pauvres. Ses travaux sur les nanoparticules synthétiques s’appuient sur cette recherche.
«La facilité d’utilisation de l’édition de génome basé sur CRISPR a joué un rôle important dans l’avancement rapide de cette plate-forme vers la clinique, et l’approche de nanoformulation développée par Adair et ses collègues est prometteuse pour l’accélérer davantage», explique-t-il.
Source : Fred Hutchinson Cancer Research Center
Crédit photo : Pixabay