Biotechnologie
Exploiter les structures de rotaxane pour les systèmes de libération de prochaine génération en médecine et technologie
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Livraison de médicaments et matériaux auto‑réparateurs avec rotaxane
Livrer des molécules à un point précis est une tâche très difficile, mais elle est nécessaire pour que de nombreux médicaments, comme les traitements contre le cancer, fonctionnent. Jusqu’à présent, la plupart des systèmes de libération étaient limités à une activation par des interactions chimiques ou présentaient de faibles performances. De même, les matériaux auto‑réparateurs devraient libérer le système de réparation lorsqu’ils sont soumis à un stress mécanique. Grâce à une nouvelle structure moléculaire appelée rotaxane, découverte par des chercheurs de l’Université de Manchester, au Royaume‑Uni, ces deux innovations pourraient devenir possibles.
Qu’est‑ce qu’un rotaxane ?
Les rotaxanes sont des molécules entrelacées, avec une molécule circulaire (en forme de beignet) traversée par un polymère plus long passant par son centre.
Dans le cas de la découverte de l’Université de Manchester, ils ont utilisé une molécule longue et complexe, sensible à la force mécanique.
Le long de la chaîne de la molécule, ils ont attaché les soi‑disant « molécules cargo » d’intérêt, en bleu sur ce schéma :
Source: Nature
Lorsque la force est appliquée au matériau, la partie en forme de beignet des rotaxanes pousse et libère les molécules cargo.
Cela fait de ce modèle de molécule rotaxane un détecteur parfait de force et de mécanismes de libération simultanément.
Source: Nature
Rotaxanes améliorés
Une libération chimique induite par la force n’est pas un concept nouveau en soi. Cependant, les systèmes précédents étaient limités dans le nombre de molécules qu’ils pouvaient libérer, avec seulement une molécule par détecteur de force.
« Les forces sont omniprésentes dans la nature et jouent des rôles essentiels dans divers processus. Notre objectif était d’exploiter ces forces pour des applications transformatrices, notamment en matière de durabilité des matériaux et de délivrance de médicaments. »
« Bien que ce ne soit qu’une conception de preuve de concept, nous croyons que notre approche basée sur les rotaxanes possède un potentiel immense avec des applications très étendues – nous sommes à l’aube de progrès réellement remarquables dans les soins de santé et la technologie. » – Guillaume De Bo, Professeur de chimie organique à l’Université de Manchester
Alternativement, des stratégies d’encapsulation physique peuvent être utilisées pour délivrer une charge cargo plus importante, mais elles sont souvent sujettes à des libérations non mécaniques indésirables.
Le nouveau design de rotaxane peut, au contraire, libérer plusieurs molécules à la fois (jusqu’à 5) de façon contrôlée.
En pratique, la libération peut être déclenchée soit par un stress mécanique (par exemple, un choc ou une rayure sur l’écran d’un téléphone) soit par une ultrasons ciblée, permettant la libération ciblée d’un médicament uniquement au site tumoral.
Une autre limitation du système précédent était la restriction du type de molécules pouvant être libérées, les rendant inadaptées aux médicaments innovants.
Les chercheurs ont démontré dans leur publication scientifique dans Nature que leur système pouvait être utilisé pour des composés médicamenteux, des marqueurs fluorescents, des catalyseurs et des monomères, ouvrant de nombreuses applications potentielles.
De plus, un tel système offre la possibilité de libérer différents cargos dans une séquence définie.
Applications des rotaxanes
Biotechnologie
L’application la plus immédiate sera dans les systèmes de délivrance de médicaments. Actuellement, ce domaine est dominé par l’utilisation croissante des conjugués anticorps‑médicaments.
Grâce à la précision de la thérapie par ultrasons, les systèmes de délivrance basés sur les rotaxanes pourraient permettre une administration de médicaments uniquement à des points spécifiques du corps. Le système a déjà été testé pour la délivrance de doxorubicine, un agent chimiothérapeutique à large spectre très puissant.
Les premiers résultats de recherche ont montré une efficacité de libération de 71 % avec l’ultrasonication et de 65 % dans le test de doxorubicine.
Matériaux auto‑réparateurs
De nombreux matériaux, des métaux aux plastiques, bénéficieraient de la capacité de « s’auto‑guérir » lorsqu’ils subissent un stress mécanique, des fissures ou des impacts.
Comme les rotaxanes réagissant à la force mécanique ne réagiraient qu’au point de stress, elles pourraient être utilisées pour libérer les systèmes de réparation exactement à l’endroit nécessaire, avant que les dommages ne s’aggravent.
Cela pourrait ouvrir la possibilité d’écrans auto‑réparateurs, de pièces métalliques ou même de béton.
Les propriétés auto‑réparatrices ne dureraient pas indéfiniment, mais pourraient améliorer significativement la durabilité des matériaux. En particulier, il faudrait que les dommages surviennent deux fois au même endroit, où les rotaxanes seraient déjà épuisées, pour que les propriétés de réparation échouent.
Capteurs & Sécurité
Comme ce nouveau système de rotaxane peut également être utilisé pour libérer des marqueurs fluorescents (et potentiellement des marqueurs colorés), il pourrait servir de « système d’avertissement » pour des dommages qui resteraient autrement invisibles. Cela pourrait être très utile pour révéler le stress mécanique ou la fatigue métallique dans les structures et les machines avant qu’une rupture catastrophique ne se produise.
Il pourrait également être utilisé pour prouver l’intégrité d’un joint ou d’un contenant, comme sur les produits pharmaceutiques ou alimentaires.
Entreprises de rotaxane
Les rotaxanes sont, pour l’instant, une classe de molécules très expérimentale, principalement produite et étudiée en laboratoire. Cependant, certaines entreprises expérimentent des matériaux auto‑réparateurs et la délivrance de médicaments basée sur les ultrasons.
1. EXACT Therapeutics (EXTX)
Cette start‑up biotech exploite ses thérapies médiées par l’acoustique (Acoustic Cluster Therapy ou ACT) pour traiter le cancer en augmentant la prise de chimiothérapie par les cellules cancéreuses.
Source: Exact Therapeutics
L’entreprise est actuellement en phase 2 d’essais cliniques pour le cancer du pancréas et en phase 1 pour les patients présentant des métastases hépatiques secondaires au cancer colorectal.
Elle utilise actuellement des microbulles à charge négative et des microgouttelettes à charge positive, mais pourrait également recourir aux rotaxanes à l’avenir pour une délivrance de médicaments encore plus concentrée et efficace.
2. Arkema (AKE.PA)
L’entreprise française est un fabricant de produits chimiques, créé en tant que spin‑off du groupe pétrochimique Total, se concentrant sur les adhésifs, les revêtements et les matériaux avancés, chacun représentant environ un tiers de l’activité totale.
Notamment, elle travaille sur des élastomères et caoutchoucs auto‑réparateurs depuis 2009.
L’entreprise est active dans de nombreuses classes chimiques et est utilisée dans pratiquement toutes les industries.
Source: Arkema
La stratégie d’Arkema est d’être le principal fournisseur dans chaque créneau qu’elle occupe, étant le # 1 à # 3 mondial dans 90 % du portefeuille.
Compte tenu de la présence bien établie dans les matériaux auto‑réparateurs et de la propriété intellectuelle précieuse de l’entreprise, elle pourrait devenir un candidat de premier plan pour déployer la technologie commerciale des rotaxanes à l’avenir.
3. Autonomic Materials
Source: Autonomic Materials
L’entreprise cotée en privé se spécialise dans les matériaux auto‑guérissants, en particulier les revêtements anti‑corrosion, avec une large gamme d’applications et d’industries.
Les produits chimiques de revêtement de l’entreprise réagissent dès l’apparition d’une micro‑fissure, empêchant la propagation des dommages. Si le dommage est trop important, ils rebouchent également les bords de la zone endommagée, prévenant la perte d’adhérence et le décollement subséquent du revêtement.
L’entreprise affirme une très haute performance tout en atteignant un niveau très faible d’émissions de COV (composés organiques volatils), substances pouvant être toxiques et causer des problèmes de sécurité dans les environnements industriels.
Source: Autonomic Materials
