Schéma de nanocristaux de cellulose capturant des médicaments chimiothérapeutiques grâce à leurs extensions chargées et velues. Crédit : Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale.
Des scientifiques développent des “nanocristaux poilus” à base de plantes pour éliminer les médicaments de chimiothérapie en excès dans le sang.
Des millions de personnes dans le monde sont touchées par le cancer chaque année ; plus de 39 % des hommes et des femmes reçoivent un diagnostic de cancer au cours de leur vie. La chimiothérapie est le traitement standard du cancer le plus couramment utilisé et l’administration ciblée de ces médicaments sur le site de la tumeur augmente leur efficacité. Toutefois, l’excès de médicaments peut encore circuler dans le reste de l’organisme et provoquer de multiples effets secondaires, notamment l’anémie, des infections chroniques, la perte de cheveux, la jaunisse et la fièvre.
Un certain nombre de méthodes ont été proposées pour éliminer du sang les médicaments chimiothérapeutiques indésirables, en particulier la doxorubicine (DOX), un médicament largement utilisé. Mais ces méthodes ont abouti à des niveaux insuffisamment bas d’élimination de la DOX. D’autres stratégies qui utilisent des nanoparticules chargées électriquement pour fixer la DOX perdent de leur efficacité lorsqu’elles sont exposées aux molécules et protéines chargées présentes dans le sang, malgré l’ajout de matériaux destinés à protéger la capacité de fixation.
Une équipe collaborative, comprenant des scientifiques de l’Université d’État de Pennsylvanie et de l’Institut Terasaki pour l’innovation biomédicale (TIBI), a conçu une méthode permettant de relever ces défis.
La méthode, décrite dans Materials Today Chemistryest basée sur des nanocristaux de cellulose chevelue – des nanoparticules développées à partir du principal composant des parois cellulaires des plantes et conçues pour avoir un très grand nombre de “poils” de chaîne polymère s’étendant à partir de chaque extrémité. Ces poils augmentent la capacité potentielle de capture des médicaments des nanocristaux de manière significative au-delà de celle des nanoparticules conventionnelles et d’autres matériaux.
Pour produire les nanocristaux de cellulose chevelus capables de capturer les médicaments chimiothérapeutiques, les chercheurs ont traité chimiquement des fibres de cellulose présentes dans la pâte de bois de résineux et ont conféré une charge négative aux cheveux, les rendant stables face aux molécules chargées présentes dans le sang. Cela corrige les problèmes rencontrés avec les nanoparticules classiques, dont la charge peut être rendue inerte ou réduite lorsqu’elles sont exposées au sang, ce qui limite le nombre de molécules médicamenteuses chargées positivement auxquelles elles peuvent se lier en nombre insignifiant.
L’efficacité de la liaison des nanocristaux a été testée dans du sérum humain, la partie liquide du sang riche en protéines. Pour chaque gramme de nanocristaux de cellulose velue, plus de 6 000 milligrammes de DOX ont été efficacement éliminés du sérum. Cela représente une augmentation de la capture de la DOX de deux à trois ordres de grandeur par rapport aux autres méthodes actuellement disponibles.
De plus, la capture de la DOX s’est produite immédiatement après l’ajout des nanocristaux et les nanocristaux n’ont eu aucun effet toxique ou nocif sur les globules rouges du sang total ou sur la croissance cellulaire des cellules ombilicales humaines.
Un moyen aussi puissant de capturer des médicaments dans l’organisme peut avoir un impact important sur les régimes de traitement du cancer, car les doses peuvent être augmentées à des niveaux plus efficaces sans crainte d’effets secondaires néfastes.
Le chercheur principal, Amir Sheikhi, professeur adjoint de génie chimique et de génie biomédical à Penn State, a donné un exemple d’une telle application. “Pour certains organes, comme le foie, la chimiothérapie peut être administrée localement par des cathéters. Si nous pouvions placer un dispositif basé sur les nanocristaux pour capturer l’excès de médicaments sortant de la veine cave inférieure du foie, un vaisseau sanguin important, les cliniciens pourraient potentiellement administrer des doses plus élevées de chimiothérapie pour tuer le cancer plus rapidement sans craindre d’endommager les cellules saines. Une fois le traitement terminé, le dispositif pourrait être retiré.”
Outre l’élimination des médicaments chimiothérapeutiques en excès dans l’organisme, les nanocristaux de cellulose velue pourraient également cibler d’autres substances indésirables, telles que les toxines et les drogues addictives, pour les éliminer du corps. Des expériences ont également démontré l’efficacité des nanocristaux dans d’autres applications de séparation, telles que la récupération d’éléments précieux dans les déchets électroniques.
“Ce qui était au départ un concept relativement simple est devenu un moyen très efficace de séparation des matériaux”, a déclaré Ali Khademhosseini, directeur et PDG du Terasaki Institute for Biomedical Innovation. “Cela crée un potentiel pour des applications biomédicales et de science des matériaux vastes et impactantes.”
Référence : “Engineering hairy cellulose nanocrystals for chemotherapy drug capture” par Sarah A.E. Young, Joy Muthami, Mica Pitcher, Petar Antovski, Patricia Wamea, Robert Denis Murphy, Reihaneh Haghniaz, Andrew Schmidt, Samuel Clark, Ali Khademhosseini et Amir Sheikhi, 30 décembre 2021, Materials Today Chimie.
DOI: 10.1016/j.mtchem.2021.100711
Les auteurs supplémentaires sont Sarah A.E. Young, Joy Muthami, Mica Pitcher, Petar Antovski, Patricia Wamea, Robert Denis Murphy, Reihaneh Haghniaz, Andrew Schmidt et Samuel Clark.
Ce travail a été soutenu par le National Institutes of Health (1R01EB024403-01).
