Nanostructure vermiforme et vésicules extracellulaires dérivées de protrusions améliorent l'administration de gènes et de protéines
Une nanostructure vermiforme utilise l'échangeur d'ions ClC3 pour l'échappement endosomal ; les vésicules extracellulaires dérivées de protrusions délivrent des protéines et des enzymes d'édition du génome plus efficacement que les vésicules dérivées de l'endosome. Les deux approches évitent le recours aux vecteurs viraux.
Des chercheurs ont mis au point une nanostructure d'acide nucléique vermiforme pour l'administration efficace de gènes et l'échappement endosomal, et ont par ailleurs découvert que les vésicules extracellulaires générées à partir de protrusions de la surface cellulaire délivrent des protéines actives et des enzymes d'édition du génome bien plus efficacement que les vésicules conventionnelles dérivées de l'endosome. Ces deux approches répondent au défi de l'échappement endosomal, un goulet d'étranglement clé pour l'administration non virale de gènes et de protéines.
Les nanoparticules sont des vecteurs de gènes établis, à faible immunogénicité par rapport aux vecteurs viraux, mais leur échappement endosomal reste inefficace. Depuis 2019, seuls 14 articles sur plus de 38 000 études rapportent un coefficient de corrélation inférieur à 0,2 entre le complexe nanoparticule-gène et les endolysosomes. Les deux principaux vecteurs de gènes pour l'échappement endosomal sont les nanoparticules cationiques et les nanoparticules à base de lipides. Les nanoparticules cationiques échappent à l'endosome via « l'effet d'éponge à protons », mais la charge positive induit souvent une cytotoxicité. Les nanoparticules lipidiques échappent via « la déstabilisation membranaire », mais le criblage des lipides peut être difficile et les lipides peuvent induire des dommages membranaires et une inflammation.
Les nanostructures d'acide nucléique, notamment les acides nucléiques sphériques, l'origami, les nanostructures à base de tuiles et les nanogels d'acide nucléique, constituent une alternative prometteuse offrant une biocompatibilité, une internalisation cellulaire sans transfection, ainsi qu'une cytotoxicité et une immunogénicité réduites, mais leur échappement endosomal est inefficace et nécessite souvent des groupes cationiques, des peptides pénétrant dans les cellules ou des stimuli mécaniques. La nouvelle nanostructure adsorbe des acides nucléiques thérapeutiques à la surface d'un gabarit structurel composé d'un nanover hybride à cœur d'or et coquille de polydopamine (Au@PDA NW). L'ensemble de la nanostructure est anionique, pénètre dans les cellules sans agents de transfection, et échappe aux endosomes avec un coefficient de corrélation de Pearson inférieur à 0,2 dans quatre types cellulaires, le tout sans groupes fonctionnels cationiques/lipidiques ni stimuli mécaniques. Elle active naturellement le canal chlorure voltage-dépendant 3 (ClC3), un échangeur d'ions qui intervient dans l'accumulation vésiculaire de H+ et Cl- et dans l'échappement endosomal.
La nanostructure a permis la polarisation des macrophages activée par miARN et la différenciation des cellules stromales activée par siARN in vitro, une thérapie cellulaire à base d'ARNm ex vivo pour réduire la fibrose rénale, et l'administration d'ARNm in vivo à des hépatocytes pour traiter une lésion hépatique, surpassant la Lipofectamine en termes d'échappement endosomal et d'efficacité.
Dans une étude publiée dans Nature Communications le 8 décembre 2025, des chercheurs au Japon ont comparé les deux principales voies de biogenèse des vésicules extracellulaires. Les vésicules extracellulaires sont de minuscules particules délimitées par une membrane, libérées par les cellules pour transporter des protéines et d'autres molécules vers les cellules voisines. Elles peuvent provenir soit de compartiments endosomaux intracellulaires, soit directement de protrusions spécialisées à la surface des cellules. L'équipe a découvert que les vésicules extracellulaires générées à partir de protrusions de la surface cellulaire, de manière dépendante de la protéine I-BAR (MIM), délivrent des protéines actives et des enzymes d'édition du génome bien plus efficacement que les vésicules extracellulaires conventionnelles associées à CD63 et dérivées de l'endosome.
Les chercheurs ont cultivé des cellules humaines, isolé à la fois des vésicules extracellulaires dérivées de protrusions et des vésicules extracellulaires dérivées de l'endosome, les ont chargées avec une cargaison protéique définie, puis les ont ajoutées à des cellules réceptrices. À l'aide d'imagerie en cellules vivantes et de super-résolution, ils ont suivi l'absorption des vésicules, leur trafic à travers les compartiments endosomaux et la libération de la cargaison dans le cytoplasme. Ils ont constaté que Rac1, une protéine qui régule la migration cellulaire, délivrée par les vésicules extracellulaires dérivées de protrusions, s'échappait efficacement des endosomes tardifs vers le cytoplasme, restait active et stimulait le mouvement cellulaire. L'équipe a également montré que les vésicules extracellulaires dérivées de protrusions transportaient Cas12f, une enzyme d'édition du génome compacte, avec une efficacité fonctionnelle par protéine nettement supérieure à celle des vésicules extracellulaires conventionnelles dérivées de l'endosome, sans recours à des vecteurs viraux ni à des protéines fusogènes virales.
« Nos résultats montrent que les cellules possèdent peut-être déjà un mécanisme d'administration remarquablement efficace et sans virus », a déclaré le chercheur principal, ajoutant que l'exploitation de ce système naturel pourrait conduire à des stratégies plus sûres et plus précises pour l'édition du génome, la médecine régénérative et les thérapeutiques à base de protéines. L'étude jette les bases de technologies d'administration de nouvelle génération qui exploitent la machinerie moléculaire de la cellule plutôt que des composants viraux modifiés.