De nouvelles méthodes d’administration portent l’efficacité de l’édition génétique CRISPR jusqu’à 90 %

Des scientifiques ont dévoilé deux stratégies révolutionnaires distinctes capables d’améliorer de façon spectaculaire l’efficacité de l’édition génétique et des thérapies à ARNm, répondant à un défi persistant qui a freiné la transposition des succès obtenus en laboratoire vers des applications cliniques.

Des chercheurs de Biohub ont découvert que la co-administration de trois acides aminés — méthionine, arginine et sérine — peut amplifier jusqu’à 20 fois l’administration de la charge utile thérapeutique et faire passer l’efficacité de l’édition génétique CRISPR d’un modeste 25 % à près de 90 % in vivo. Cette découverte marque un tournant pour la médecine moléculaire, alors que les nanoparticules lipidiques se heurtent depuis longtemps à des difficultés pour traduire leurs performances spectaculaires en laboratoire en un succès équivalent chez les organismes vivants.

L’équipe de Biohub, dirigée par le Dr Daniel Zongjie Wang et le Dr Shana O. Kelley, a reformulé le problème en regardant au-delà des nanoparticules elles-mêmes et en se concentrant plutôt sur l’environnement cellulaire et l’état métabolique qui régulent les interactions membranaires. Lorsque les chercheurs ont modélisé un environnement physiologique plus authentique à l’aide d’un milieu de culture proche du plasma humain, la captation des LNP par les cellules a chuté brutalement. Des analyses métaboliques et génétiques complémentaires ont ensuite identifié l’atténuation des voies liées aux acides aminés comme un goulot d’étranglement majeur.

Le cocktail optimisé, composé uniquement de méthionine, d’arginine et de sérine de qualité pharmaceutique — trois acides aminés ubiquitaires et considérés comme sûrs pour un usage clinique — s’est révélé transformateur. Le supplément en acides aminés a fortement amélioré l’absorption et l’expression fonctionnelle des charges d’ARNm dans divers types cellulaires. Cet effet s’est montré constant quelle que soit la voie d’administration, qu’elle soit intramusculaire, intratrachéale ou intraveineuse, et il était indépendant de la composition lipidique des nanoparticules ou de la nature de la charge génétique.

Sur le plan mécanistique, la co-administration du supplément en acides aminés semble moduler une voie spécifique d’absorption cellulaire, élargissant de facto la « porte d’entrée » par laquelle les nanoparticules lipidiques pénètrent dans la cellule. En stimulant les circuits métaboliques des acides aminés, les cellules sont préparées sur le plan métabolique à internaliser plus efficacement les nanovecteurs et à libérer leur charge thérapeutique.

Dans un modèle murin préclinique d’insuffisance hépatique aiguë induite par l’acétaminophène, l’ajout du supplément en acides aminés a fait passer un taux de survie dangereusement bas de 33 % à une survie complète après un traitement par ARNm d’hormone de croissance encapsulé dans des LNP. Cette amélioration remarquable s’est accompagnée d’une augmentation d’environ neuf fois des concentrations sériques de protéine thérapeutique et d’une normalisation des marqueurs de lésions hépatiques et d’inflammation vers des valeurs proches de l’état sain. Dans des applications d’édition génétique ciblant le tissu pulmonaire, le supplément a propulsé l’efficacité d’édition CRISPR-Cas9 de la fourchette habituelle de 20 à 30 % à un niveau inédit de 85 à 90 % avec une seule dose.

Par ailleurs, une équipe de l’University of California, Berkeley dirigée par la pionnière de l’édition génétique et lauréate du prix Nobel Jennifer Doudna a mis au point un système CRISPR auto-réplicatif qui se propage entre les cellules comme un virus. Les scientifiques ont ajouté des instructions génétiques permettant aux cellules de fabriquer un transporteur de type viral capable d’encapsuler la machinerie CRISPR. Une fois produit dans les cellules traitées, le cargo CRISPR est acheminé vers les cellules voisines.

Le système, appelé NANoparticle-Induced Transfer of Enzyme, ou NANITE, combine des instructions génétiques pour les molécules porteuses et la machinerie CRISPR dans une unique molécule d’ADN circulaire. Cela garantit que l’enzyme Cas9 est physiquement associée aux protéines de délivrance au moment où toutes deux sont produites à l’intérieur d’une cellule. Cela signifie aussi que le véhicule final d’administration encapsule également l’ARN guide, le « limier » qui arrime Cas9 à sa cible sur l’ADN.

Tel un virus bienveillant, NANITE « infecte » d’abord un petit nombre de cellules. Une fois à l’intérieur, il demande à chaque cellule de fabriquer l’outil CRISPR complet, de l’emballer, puis de l’expédier à d’autres cellules. L’éditeur amélioré s’est révélé environ trois fois plus efficace pour l’édition génétique de cellules cultivées en laboratoire que le CRISPR standard. Il a aussi réduit la quantité d’une protéine nocive chez des souris atteintes d’un trouble métabolique génétique, alors que la version d’origine avait peu d’effet à la même dose.

Les éditeurs de gènes promettent de révolutionner la médecine en neutralisant ou en corrigeant la base génétique sous-jacente des maladies, mais tous ces outils sont limités par une exigence fondamentale : il faut qu’un nombre suffisant de cellules soient modifiées pour l’emporter sur leurs homologues malades. Les traitements doivent corriger environ 20 % des cellules souches hématopoïétiques pour maintenir la drépanocytose sous contrôle. Pour la dystrophie musculaire de Duchenne, une maladie héréditaire qui affaiblit les muscles, plus de 15 % des cellules ciblées doivent être modifiées.

Une fois délivrée aux cellules, la machinerie d’édition reste confinée aux cellules dans lesquelles elle pénètre initialement. Pour compenser, les scientifiques augmentent souvent les doses, mais cela risque de déclencher des attaques immunitaires et des modifications génétiques hors cible. Les deux nouvelles approches offrent des solutions potentielles à cette limitation fondamentale de l’administration des thérapies géniques.