L'imagerie super-résolution et la RMN révèlent les effets des médicaments aux niveaux cellulaire et atomique

Des chercheurs ont utilisé la microscopie super-résolution pour suivre le médicament anticancéreux sunitinib à l'intérieur de cellules vivantes et ont découvert qu'il déclenche une perturbation coordonnée des mitochondries, des lysosomes et du réticulum endoplasmique, selon une étude publiée dans Biophotonics Discovery. Par ailleurs, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide est utilisée pour déterminer les structures au niveau atomique de médicaments formulés, répondant ainsi à un défi persistant dans la conception des formulations pharmaceutiques.

Le sunitinib est utilisé pour traiter plusieurs cancers, dont le cancer du rein. Son activité thérapeutique a traditionnellement été liée à sa capacité à inhiber les enzymes qui favorisent la croissance tumorale. Des chercheurs de l'Université de Cincinnati ont combiné des tests de viabilité cellulaire avec la microscopie à illumination structurée (SIM), une technique d'imagerie super-résolution capable de révéler des structures trop petites pour être clairement visibles avec les microscopes optiques conventionnels. Comme le sunitinib est naturellement fluorescent, l'équipe a pu suivre son déplacement à l'intérieur des cellules vivantes sans le modifier chimiquement. Plutôt que de se concentrer uniquement sur la survie des cellules après le traitement, les chercheurs ont examiné comment le médicament affectait trois systèmes cellulaires interconnectés : les lysosomes, qui recyclent les matériaux cellulaires ; les mitochondries, qui génèrent de l'énergie ; et le réticulum endoplasmique (RE), qui contribue à la production de protéines et à la régulation de la signalisation cellulaire.

L'équipe a d'abord confirmé que le sunitinib réduisait la viabilité cellulaire de manière dose-dépendante, des concentrations plus élevées entraînant une mort cellulaire progressivement plus importante. L'imagerie SIM a montré que le médicament se concentrait principalement dans les lysosomes, et l'analyse quantitative a confirmé une association beaucoup plus forte avec les lysosomes qu'avec les mitochondries. Après le traitement, les réseaux mitochondriaux sains sont devenus de plus en plus fragmentés, les structures allongées se brisant en segments plus courts et isolés. Le nombre de lysosomes a diminué tandis que les structures restantes devenaient plus grandes et de forme plus irrégulière, indiquant un stress croissant au sein du système lysosomal à mesure que les concentrations du médicament augmentaient. Le réseau du RE, qui dans les cellules non traitées formait un réseau continu s'étendant dans toute la cellule, s'est progressivement désagrégé en fragments déconnectés. Les analyses topologiques de la connectivité du RE ont montré une perte claire et dose-dépendante de l'organisation du RE.

Ces résultats suggèrent que les effets du sunitinib vont au-delà de l'inhibition enzymatique. Le médicament semble déclencher une perturbation coordonnée de plusieurs systèmes cellulaires, contribuant finalement à la perte de fonction et de survie des cellules. Plutôt que de s'appuyer uniquement sur des mesures biochimiques, les chercheurs ont directement visualisé comment une molécule thérapeutique se déplaçait dans une cellule vivante et comment les structures cellulaires réagissaient au fil du temps. Cette approche combine l'ingénierie optique, l'analyse d'images et la biologie cellulaire pour produire des mesures quantitatives de l'architecture et de la connectivité des organites, et démontre comment l'imagerie super-résolution moderne peut transformer l'étude du comportement des médicaments en révélant des interactions invisibles en microscopie conventionnelle. Ces travaux offrent une vue détaillée du comportement des médicaments au niveau microscopique et soulignent le rôle croissant de l'imagerie optique dans le développement de médicaments et l'ingénierie cellulaire.

Dans une autre ligne de recherche, les méthodes de spectroscopie RMN à l'état solide développées à l'Iowa State University et au Ames National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis aident à résoudre « un défi persistant dans l'industrie pharmaceutique » : la conception réussie de formulations pour l'administration de principes actifs pharmaceutiques. Dans une expérience, un minuscule échantillon solide d'un médicament, contenant à la fois des ingrédients actifs et inactifs, a été mis en rotation à 50 000 tours par seconde tout en étant incliné selon « l'angle magique » de près de 55 degrés par rapport à un champ magnétique intense au National Magnetic Resonance Facility de l'Université du Wisconsin-Madison. La position des pics dans les spectres résultants a fourni des indices sur la structure du médicament solide, aidant à localiser la position des atomes d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. La spectroscopie RMN à l'état solide peut être appliquée pour déterminer la structure au niveau atomique de matériaux tels que les catalyseurs hétérogènes, les semi-conducteurs de nouvelle génération et les médicaments solides formulés.

Les instruments de RMN utilisent des aimants supraconducteurs refroidis par de l'azote liquide et de l'hélium liquide pour soumettre les échantillons à des champs magnétiques intenses. L'aimant du laboratoire de l'Iowa State est évalué à 9,4 teslas, tandis que le National High Magnetic Field Laboratory de Tallahassee, en Floride, dispose d'un instrument de 18,7 millions de dollars évalué à 35 teslas. Le champ magnétique de l'instrument de RMN aligne les noyaux ; des impulsions radio les font ensuite sortir de l'alignement, et l'instrument enregistre ces différences. Les outils de RMN sont « une pierre angulaire de la recherche moderne dans la conception de médicaments, les matériaux pour l'énergie durable et les systèmes quantiques », selon un résumé d'une table ronde lors de la réunion annuelle de l'American Association for the Advancement of Science.

Une nouvelle étude de trois ans, dotée de 492 000 $, portant sur les structures des principes actifs pharmaceutiques et des médicaments commerciaux, soutenue par la National Science Foundation des États-Unis, développe de nouvelles méthodes pour améliorer la sensibilité et la résolution des données de RMN. Des étudiants de cycles supérieurs et des étudiants de premier cycle feront partie du projet, apprenant à préparer des échantillons de médicaments, à réaliser des expériences de RMN et à modéliser informatiquement les structures atomiques. Un rapport de 2024 des National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine a conclu que les États-Unis doivent rétablir un niveau de soutien à la recherche de pointe en RMN qui permettra aux laboratoires américains de retrouver une position de leader dans les domaines de recherche basés sur la RMN, ce qui implique davantage d'instruments produisant des champs magnétiques ultra-intenses qui affinent la résolution et améliorent les données collectées.