Une thérapie révolutionnaire guérit les lésions de la moelle épinière

En novembre 2021, des chercheurs de l’Université Northwestern ont dévoilé une nouvelle thérapie injectable qui utilise des « molécules dansantes » à déplacement rapide pour réparer les tissus et inverser la paralysie après de graves lésions de la moelle épinière.

Aujourd’hui, le même groupe de recherche a appliqué la stratégie thérapeutique aux cellules cartilagineuses humaines endommagées. Dans la nouvelle étude, le traitement a activé l’expression des gènes nécessaires à la régénération du cartilage en seulement quatre heures. Et après seulement trois jours, les cellules humaines ont produit des composants protéiques nécessaires à la régénération du cartilage.

Les chercheurs ont également découvert qu’à mesure que le mouvement moléculaire augmentait, l’efficacité du traitement augmentait également. En d’autres termes, les mouvements « dansants » des molécules étaient cruciaux pour déclencher le processus de croissance du cartilage.

L’étude a été publiée le 26 juillet 2024 Journal de l’American Chemical Society.

Lorsque nous avons observé pour la première fois les effets thérapeutiques des molécules dansantes, nous ne voyions aucune raison pour laquelle elles devraient être appliquées uniquement à la moelle épinière. Nous observons maintenant les effets dans deux types de cellules complètement distincts l’un de l’autre – ; Cellules cartilagineuses de nos articulations et neurones de notre cerveau et de notre moelle épinière. Cela me rend plus convaincu que nous avons peut-être découvert un phénomène universel. Cela pourrait s’appliquer à de nombreux autres tissus.

Samuel I. Stupp, chercheur principal et professeur, Northwestern University

Expert en nanomédecine régénérative, Stupp est professeur administrateur de science et d’ingénierie des matériaux, de chimie, de médecine et de génie biomédical à l’Université Northwestern, où il est directeur fondateur du Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology et de son centre affilié, le Center for Regenerative Nanomedicine. . Stupp a des nominations à la McCormick School of Engineering, au Weinberg College of Arts and Sciences et à la Feinberg School of Medicine. Shelby Yuan, étudiante diplômée du laboratoire Stupp, était l’auteur principal de l’étude.

Gros problème, peu de solutions

Selon l’Organisation mondiale de la santé, près de 530 millions de personnes dans le monde souffraient d’arthrose en 2019. L’arthrose est une maladie dégénérative dans laquelle les tissus des articulations se décomposent avec le temps. Il s’agit d’un problème de santé courant et de la principale cause d’invalidité.

Chez les patients souffrant d’arthrose sévère, le cartilage peut devenir si fin que les articulations se transforment essentiellement en os sur os – ; sans oreiller entre les deux. Non seulement cela est incroyablement douloureux, mais les articulations des patients ne peuvent plus fonctionner correctement. À l’heure actuelle, le seul traitement efficace est la chirurgie de remplacement articulaire, qui est coûteuse et invasive.

“Les traitements actuels visent à ralentir la progression de la maladie ou à retarder l’inévitable arthroplastie”, a déclaré Stupp. “Il n’existe aucune option de régénération car les humains n’ont pas la capacité innée de régénérer le cartilage à l’âge adulte.”

Que sont les « molécules dansantes » ?

Stupp et son équipe ont postulé que des « molécules dansantes » pourraient stimuler la régénération des tissus tenaces. Les molécules dansantes, précédemment inventées dans le laboratoire de Stupp, sont des assemblages qui forment des nanofibres synthétiques comprenant des dizaines à des centaines de milliers de molécules émettant de puissants signaux vers les cellules. En coordonnant leurs mouvements collectifs avec leur structure chimique, Stupp a découvert que les molécules en mouvement peuvent rapidement trouver et interagir correctement avec les récepteurs cellulaires, qui sont également en mouvement constant et extrêmement densément emballés sur les membranes cellulaires.

Dans l’organisme, les nanofibres imitent la matrice extracellulaire des tissus environnants. En ajustant la structure de la matrice, en imitant le mouvement des molécules biologiques et en intégrant des signaux bioactifs pour les récepteurs, les matériaux synthétiques sont capables de communiquer avec les cellules.

“Les récepteurs cellulaires bougent constamment”, a déclaré Stupp. “En faisant bouger, “danser” ou même temporairement sortir nos molécules de ces structures, appelées polymères supramoléculaires, nous pouvons leur permettre de se connecter plus efficacement aux récepteurs.”

Le mouvement est important

Dans la nouvelle étude, Stupp et son équipe ont examiné les récepteurs d’une protéine spécifique essentielle à la formation et au maintien du cartilage. Pour cibler ce récepteur, l’équipe a développé un nouveau peptide circulaire qui imite le signal bioactif de la protéine, appelé facteur de croissance transformant bêta-1 (TGFb-1).

Les chercheurs ont ensuite incorporé ce peptide dans deux molécules différentes qui interagissent pour former des polymères supramoléculaires dans l’eau, chacune ayant la même capacité à imiter le TGFb-1. Les chercheurs ont conçu un polymère supramoléculaire doté d’une structure spéciale permettant à ses molécules de se déplacer plus librement au sein des grands assemblages. Cependant, l’autre polymère supramoléculaire limitait le mouvement moléculaire.

“Nous voulions modifier la structure pour comparer deux systèmes qui diffèrent par la mesure dans laquelle ils se déplacent”, a déclaré Stupp. “L’intensité du mouvement supramoléculaire dans l’un est bien supérieure à celle de l’autre.”

Bien que les deux polymères imitent le signal d’activation du récepteur TGFb-1, le polymère s’avère beaucoup plus efficace avec les molécules à déplacement rapide. À certains égards, ils étaient encore plus efficaces que la protéine qui active naturellement le récepteur TGFb-1.

“Après trois jours, les cellules humaines exposées à de longues accumulations de molécules plus mobiles ont produit de plus grandes quantités de composants protéiques nécessaires à la régénération du cartilage”, a déclaré Stupp. “Pour la production de l’un des composants de la matrice cartilagineuse, connu sous le nom de collagène II, les molécules dansantes contenant le peptide cyclique qui active le récepteur TGF-beta1 se sont révélées encore plus efficaces que la protéine naturelle qui remplit cette fonction dans les systèmes biologiques”.

Et après?

L’équipe de Stupp teste actuellement ces systèmes dans le cadre d’expérimentations animales et ajoute des signaux supplémentaires pour développer des thérapies hautement bioactives.

“Compte tenu du succès de l’étude sur les cellules cartilagineuses humaines, nous espérons que la régénération du cartilage sera considérablement améliorée grâce à son utilisation dans des modèles précliniques hautement translationnels”, a déclaré Stupp. «Il devrait devenir un nouveau matériau bioactif pour la régénération du tissu cartilagineux des articulations.»

Le laboratoire de Stupp vérifie également la capacité des molécules dansantes à régénérer les os – ; et dispose déjà de premiers résultats prometteurs qui devraient être publiés plus tard cette année. Parallèlement, il teste les molécules des organoïdes humains pour accélérer le processus de découverte et d’optimisation des matériaux thérapeutiques.

L’équipe de Stupp continue de développer son dossier auprès de la Food and Drug Administration pour obtenir l’approbation des essais cliniques visant à tester la thérapie pour la réparation de la moelle épinière.

“Nous commençons à voir l’énorme gamme de conditions auxquelles cette découverte fondamentale sur les “molécules dansantes” pourrait être applicable”, a déclaré Stupp. “Le contrôle du mouvement supramoléculaire grâce à la conception chimique semble être un outil puissant pour améliorer efficacité pour une gamme de thérapies régénératives.

L’étude, « Le mouvement supramoléculaire permet la bioactivité chondrogénique d’un peptide cyclique mimétique du facteur de croissance transformant β1 », a été soutenue par un don de Mike et Mary Sue Shannon à l’Université Northwestern pour la recherche sur la régénération musculo-squelettique au Centre de nanomédecine régénérative de Simpson Querrey. Institut de bionanotechnologie.