Un LNP est situé sur un long tubule endosomal (vert), avec un signal d’ARNm dispersé perpendiculairement (cyan), et représente probablement une instance d’échappement d’ARNm (violet). Crédit : Marino Zerial / MPI-CBG
Les chercheurs ont découvert où et comment l’ARNm arrive dans une cellule pour modifier ou fournir des informations génétiques, un processus crucial pour le développement de nouvelles thérapies.
ADN (désoxyribonucléique acide) contient les informations génétiques nécessaires au développement et au maintien de la vie. Cette information est communiquée par l’acide ribonucléique messager (ARNm) pour fabriquer des protéines. Les thérapies à base d’ARNm ont le potentiel de répondre aux besoins non satisfaits d’une grande variété de maladies, notamment le cancer et les maladies cardiovasculaires. L’ARNm peut être délivré aux cellules pour déclencher la production, la dégradation ou la modification d’une protéine cible, ce qui est impossible avec d’autres approches.
Un défi clé avec cette modalité est de pouvoir délivrer l’ARNm à l’intérieur de la cellule afin qu’il puisse être traduit pour fabriquer une protéine. L’ARNm peut être emballé dans des nanoparticules lipidiques (LNP) – de petites bulles de graisse – qui protègent l’ARNm et le transportent dans les cellules. Cependant, ce processus n’est pas simple, car l’ARNm doit traverser la membrane avant de pouvoir atteindre son site d’action à l’intérieur de la cellule, le cytoplasme.
Les chercheurs de l’équipe du directeur du MPI-CBG, Marino Zerial, sont des experts dans la visualisation des voies d’entrée cellulaire des molécules dans la cellule, telles que l’ARNm avec des microscopes à haute résolution. Ils se sont associés à des scientifiques d’AstraZeneca qui ont fourni aux chercheurs des prototypes de nanoparticules lipidiques qu’ils avaient développés pour des approches thérapeutiques permettant de suivre l’ARNm à l’intérieur de la cellule. L’étude est publiée dans le Journal de biologie cellulaire.
« Pour être délivré, l’ARNm doit faire un long voyage. Enfermé dans la bulle grasse de LNP, il doit d’abord pénétrer dans la cellule », explique Marino Zerial. « Les LNP arrivent à la surface cellulaire où ils se lient aux récepteurs. Ils sont ensuite absorbés dans des compartiments membranaires spécialisés appelés endosomes. À ce stade, l’ARNm est à l’intérieur des cellules mais entouré de deux barrières, la bulle graisseuse et la paroi de l’endosome ou plus exactement la membrane. Le défi pour l’ARNm est d’échapper aux deux barrières pour atteindre le cytoplasme où il sert de matrice pour fabriquer des protéines. Nous savons que seule une infime fraction de ARN les molécules sont capables de s’échapper dans le cytoplasme.
Les molécules cargo internalisées, comme les LNP, sont d’abord transportées vers les endosomes « précoces ». Ce sont des centres logistiques qui distribuent des molécules cargo vers diverses destinations dans la cellule. Ils recyclent les molécules à la surface cellulaire ou les dégradent dans les endosomes et les lysosomes tardifs. Jusqu’à présent, les gens pensaient que l’ARNm s’échappait des endosomes tardifs en exploitant leur contenu très acide.
«Avec des techniques de microscopie à molécule unique», explique Prasath Paramasivam, le premier auteur de l’étude, «nous avons pu visualiser pour la première fois l’ARNm dans le LNP à l’intérieur des endosomes des cellules. Nous avons également capturé la fuite réelle de l’ARNm, qui s’est produite dans les tubules des endosomes de recyclage, qui ne sont que légèrement acides. Nos résultats impliquent que l’envoi de l’ARNm LNP aux endosomes tardifs est contre-productif pour la livraison et ne fait qu’augmenter la toxicité cellulaire », explique Zerial. Ces découvertes aident à comprendre plus en détail le mécanisme d’échappement de l’ARNm des endosomes.
Marino Zerial résume : « Le système d’administration de LNP pour l’ARNm nécessite des doses élevées en raison de la faible efficacité d’échappement endosomique. Savoir où va l’ARNm et comment il peut s’échapper des endosomes nous permet de développer de meilleurs véhicules pour une livraison plus efficace, à un dosage plus faible. Nous pouvons améliorer le système de livraison d’ARNm afin qu’il puisse être utilisé pour des applications thérapeutiques, par exemple, le traitement du cancer. »
Référence : « Evasion endosomale de l’ARNm délivré des tubules de recyclage endosomaux visualisés à l’échelle nanométrique » par Prasath Paramasivam, Christian Franke, Martin Stöter, Andreas Höijer, Stefano Bartesaghi, Alan Sabirsh, Lennart Lindfors, Marianna Yanez Arteta, Anders Dahlén, Annette Bak, Shalini Andersson, Yannis Kalaidzidis, Marc Bickle et Marino Zerial, 9 décembre 2021, Journal de biologie cellulaire.
DOI : 10.1083/jcb.202110137
