Accueil > Pour en savoir plus > Médecine, Santé > Pharmacie Médicaments > "Des aptamères pour la biodétection, le diagnostic, l’administration des (...)

"Des aptamères pour la biodétection, le diagnostic, l’administration des médicaments et la thérapie" par le Dr Mae-Wan Ho

Traduction et compléments de Jacques Hallard

samedi 8 décembre 2012, par Ho Dr Mae-Wan

ISIS Biologie Médecine
Des aptamères pour la biodétection, le diagnostic, l’administration des médicaments et la thérapie
Aptamers for Biosensing, Diagnosis, Drug Delivery and Therapy
Une toute nouvelle classe de molécules rend obsolètes les anticorps protéiques conventionnels, mais sont-ils inofensifs et sûrs ? Dr Mae-Wan Ho

Rapport de l’ISIS en date du 17/10/2012
Une version entièrement référencée et illustrée de ce rapport intitulé Aptamers for Biosensing, Diagnosis, Drug Delivery and Therapy est affiché et accessible par les membres de l’ISIS sur le site suivant http://www.i-sis.org.uk/Aptamers_fo...;; elle est par ailleurs disponible en téléchargement ici
S’il vous plaît diffusez largement et rediffusez, mais veuillez donner l’URL de l’original et conserver tous les liens vers des articles sur notre site ISIS. Si vous trouvez ce rapport utile, s’il vous plaît, soutenez ISIS en vous abonnant à notre magazine Science in Society, et encouragez vos amis à le faire. Ou jeter un oeil à notre librairie ISIS bookstore pour d’autres publications

  Que sont les aptamères ?

Les aptamères sont en passe de rendre obsolètes les anticorps conventionnels. Ce sont des acides oligonucléiques ou des peptides qui se lient à une molécule cible spécifique, comme les anticorps de protéines classiques, mais avec peu ou pas d’immunogénicité et avec une stabilité améliorée ; ces molécules sont beaucoup plus faciles et moins chères à produire dans le tube à essai, sans avoir besoin de cellules ou d’animaux [1] .
Les aptamères d’acides nucléiques, en particulier, trouvent de nombreuses applications qui nécessitaient auparavant l’utilisation d’anticorps. Ils sont conçus par des cycles répétés de sélection in vitro ou SELEX (voir encadré 1) pour se lier à des objectifs différents tels que des petites molécules, des protéines, des acides nucléiques, même des cellules, des tissus et des organismes.

Encadré 1

SELEX, une technique de sélection in vitro pour la production d’aptamères [2]
SELEX (évolution systématique de ligands par enrichissement exponentiel) est un procédé de production d’oligonucléotides d’ADN ou d’ARN simple brin qui se lient spécifiquement à un ligand cible.
Cela commence par la synthèse d’une très grande banque d’oligonucléotides, constituée par les séquences générées de façon aléatoire de longueur fixe. Pour une longueur n, le nombre de séquences possibles dans la bibliothèque est n4, car il y a quatre bases différentes possibles à chaque position. Les séquences de la bibliothèque sont exposées à la cible, qui peut être une protéine, ou un petit composé organique. Ceux qui ne se lient pas sont supprimés. Les séquences liées sont récupérées et amplifiées par PCR pour préparer un nouveau cycle de sélection dans lequel la stringence des conditions de liaison est augmentée, et ainsi de suite.

Les aptamères ont d’abord été produits indépendamment dans deux laboratoires en 1990 : celui de Larry Gold [3] à l’Université du Colorado à Boulder, qui a utilisé le terme SELEX (évolution systématique des ligands par enrichissement exponentiel) pour le processus de sélection des ARN se liant à l’ADN polymérase T4, et Jack Szostak [4] au Massachusetts General Hospital, à Boston aux Etats-Unis, en sélectionnant des ARN se liant à différents colorants organiques, et qui a inventé le terme « sélection in vitro » et « aptamère ».
La technique a été utilisée pour développer des aptamères oligonucléotidiques avec une affinité de liaison extrêmement élevée pour une variété de cibles, tels que l’ATP et l’adénosine, et pour des protéines telles que les prions et le facteur de croissance endothélial vasculaire (en anglais vascular endothelial growth factor (VEGF). Les utilisations cliniques sont suggérées pour des aptamères qui se lient à des marqueurs tumoraux, et un aptémère qui se lie au VEGF sous le nom commercial ‘Macugen’ : il a été approuvé par la FDA pour le traitement de la dégénérescence maculaire (voir ci-dessous).
Les aptamères se lient aux ligands sur la base de leur structure tridimensionnelle ; ainsi, des séquences oligonucléotidiques différentes peuvent donc reconnaître les mêmes molécules cibles.
Toutefois, la sélection de très haute affinité de liaison (à 10-9 M ou moins) ne garantit pas une spécificité absolue. Des liaisons hors-cible peuvent avoir des effets cliniques non intentionnels [5]. Ceci est particulièrement important du fait que les aptamères naturels qui ont été découverts jouent un rôle clé dans la régulation des gènes.

  Les aptamères naturels

Les aptamères naturels ont été découverts en 2002 dans un élément de régulation génétique à base l’acide nucléique, le riboswitch qui possède les mêmes propriétés de reconnaissance moléculaire pour les aptamères fabriqués artificiellement [6]. Un riboswitch est une partie d’une molécule d’ARNm - transcrit à partir d’un gène - qui se lie directement à une petite molécule cible, généralement un métabolite, pour modifier l’activité du gène [7].
Cela implique d’éteindre l’expression génique par l’intermédiaire de l’interruption prématurée de la transcription, ou par l’inhibition de la traduction ; ou bien encore le riboswitch peut être une enzyme ARN (ribozyme) qui se clive en présence du petit métabolite, ou bien encore, il peut conduire à un épissage alternatif du pré-ARNm. Certains riboswitchs peuvent même réguler la transcription de gènes situés en aval, ou encore activer l’expression des gènes car ils se lient aux molécules cibles.
Beaucoup des riboswitchs correspondaient au départ de la technique à des motifs de séquences conservées dans les régions 5’ non traduites des ARNm. Les riboswitchs les plus connus se trouvent dans les virus et dans les eubactéries, mais ils ont également été découverts dans les plantes, dans certains champignons, dans les bactéries et ils sont prédits dans les archées. Le premier riboswitch a été identifié chez un être humain en 2009, dans le facteur de croissance endothélial vasculaire (en anglais vascular endothelial growth factor (VEGF) humain [8]. Il est fort probable que les riboswitchs peuvent aussi exister chez d’autres animaux.
Les nombreuses utilisations des aptamères sont résumées dans la figure 1 [9].

  Les aptamères utilisables comme anticorps

Les aptamères oligonucléiques remplacent les anticorps protéiques conventionnels parce qu’ils sont beaucoup plus stables, pas chers et faciles à produire, moins immunogènes et moins toxiques, enfin, ils permettent de cibler un plus large éventail de molécules, y compris celles qui ne donnent pas de fortes réponses parmi les anticorps conventionnels.
Les anticorps protéiques sont facilement dénaturés et ils perdent leur structure de manière irréversible à des températures élevées. En revanche, les aptamères oligonucléotidiques sont beaucoup plus stables à la chaleur, et ils conservent leurs structures au cours des cycles répétés de dénaturation / renaturation. Les aptamères peuvent donc être utilisés dans un large éventail de conditions de tests.
Les anticorps monoclonaux sont laborieux et coûteux à produire, nécessitant des cultures de cellules de mammifères à une grande échelle, et les différents lots doivent être testés pour s’assurer qu’ils maintiennent les mêmes propriétés de liaison. En revanche, les aptamères, une fois sélectionnés, peuvent être synthétisés en vrac à moindre coût avec précision et avec une bonne reproductibilité des réactions chimiques. Les aptamères peuvent aussi être facilement modifiés pour augmenter leur stabilité et leur résistance à la destruction par les nucléases (bien que cela fasse courir un risque, s’ils persistent dans le corps et dans l’environnement, de provoquer des dommages), et il est enfin possible d’introduire des additifs de signalisation comme une molécule fluorescente et son extincteur pour servir de biocapteurs.
Les anticorps de protéines sont immunogènes, ce qui pose un grand problème en cas d’administration. Les aptamères se sont signalés par leur faible immunogénicité et peu de toxicité, et ils sont facilement décomposés dans le corps, sauf s’ils ont subi une modification pour éviter leur dénaturation. Toutefois, la preuve de leur faible immunogénicité et de leur moindre toxicité semble être basée uniquement sur des essais cliniques de phase I et de phase II du produit ‘Mucagen’ [9, 10], ce qui pourrait bien ne pas être généralisable à l’ensemble de la classe de molécules.
Enfin, il est souvent difficile de produire des anticorps contre de petites molécules, des ions et des toxines qui ne suscitent pas une forte réponse immunitaire, mais il est posible de générer des aptamères qui se lient aux molécules ayant une affinité élevée. Les aptamères non seulement remplacent les anticorps conventionnels, mais ils ont aussi un potentiel quasi illimité de surmonter les limitations des anticorps.

  Les aptosensors sont utilisables pour la sécurité alimentaire, pour la bio-imagerie et pour le diagnostic

Les biocapteurs basés sur des aptamères comme éléments de reconnaissance sont appelés aptosensors. Les aptosensors peuvent être fabriqués par une large variété de techniques, basées sur les changements dans le potentiel électrochimique, dans la fluorescence (voir la figure 2), ou dans la couleur quand l’aptamère se lie à la molécule cible [9]. Ces aptosensors ont trouvé d’importantes applications dans la sécurité alimentaire, pour la détection rapide des toxines et des contaminants, tels que les antibiotiques, les pesticides, les mycotoxines, les métaux lourds, le bisphénol A, et des édulcorants tels que les colorants alimentaires illégaux [11].

Les aptosensors peuvent également être utilisés dans le diagnostic clinique à la place de la méthode ELISA (enzyme-linked immuno-essai). Dans la version Aptosensor (ALISA), l’aptamère est lié à la biotine, qui, sur la liaison à la cible immobilisée sur un filtre de nitrocellulose, réagit avec de la streptavidine et la péroxydase de raifort pour générer la réaction colorée. Ces techniques et d’autres pratiques connexes sont disponibles sur le marché en offrant des méthodes simples et rapides pour le diagnostic de maladies infectieuses telles que le paludisme et la grippe [9].
Les ‘puces Aptosensor’ ont été conçues et elles sont particulièrement bonnes pour la détection de cellules et de tissus pour des marqueurs utilisables dans la bio-imagerie et l’administration de médicaments. Un additif spécial sensible à la lumière permet aux aptamères de se lier de manière covalente à des protéines liées, ce qui permet de les identifier [12].

  Les aptamères sont utilisables pour l’administration de médicaments spécifiques anti-cancer

Les aptamères qui se lient à des récepteurs cellulaires superficiels intériorisés peuvent transporter des médicaments et des produits dans des cellules autres. Ceci est très utile dans la chimiothérapie du cancer, qui vise à tuer les cellules cancéreuses par des médicaments cytotoxiques, sans nuire aux cellules non cancéreuses.
L’antigène membranaire prostatique spécifique [ou marqueur PSA] est un marqueur important pour détecter le cancer de la prostate. Une combinaison d’aptamères pour le marqueur PSA a été utilisée pour fournir la doxorubicine, un médicament anticancéreux, dans les cellules cancéreuses de la prostate [13]. Le médicament anticancéreux a également été délivré avec succès dans le foie [14] et dans les cellules de cancer du sein [15] par des aptamères qui ciblent des antigènes membranaires spécifiques qui sont surexprimés dans les cellules cancéreuses respectives. Un nouvel aptamère, le MUC1, délivre sélectivement l’agent cytotoxique à la fois dans les cellules cancéreuses du poumon et du sein [16], la protéine MUC1 est surexprimée dans la plupart des adénocarcinomes.
Les aptamères sont en mesure de faire une grande différence et de présenter un grand avantage pour la chimiothérapie du cancer, qui a été répertoriée pour ses effets secondaires toxiques en raison de la difficulté à cibler sélectivement les cellules cancéreuses.

  Les aptamères sont utilisables pour la thérapie et pour de nouveaux médicaments

Le produit ‘Macugen’, développé par Pfizer et Eyetech, est déjà disponible dans le commerce pour le traitement de la dégénérescence maculaire liée à l’âge, une maladie oculaire qui peut entraîner la cécité. Le médicament est un polyéthylène glycol-aptamère avec une spécificité pour VEGF165, qui joue un rôle primordial dans l’angiogenèse (développement des vaisseaux sanguins) et la perméabilité [17]. ‘Regado Bioscience’ a mis au point un nouveau médicament aptamère pour l’anticoagulation ; il est actuellement testé dans des essais cliniques de phase II.
Le médicament REG1 est composé de deux éléments : RB006 (aptamère facteur de coagulation IX spécifique) et RB007 (antidote oligonucléotide de l’aptamère RB006), pour contrôler les saignements excessifs en raison de l’anticoagulation [18].
Dans le traitement de l’AVC ischémique aigu (résultant d’une diminution de l’apport sanguin au cerveau), un aptamère facteur IXa a été trouvé pour l’améliorration de la fonction neurologique chez un modèle de souris, et le traitement avec son antidote spécifique en cas d’hémorragie intracrânienne, améliora la survie [19 ].
Ces résultats soulignent la nécessité de molécules antidotes dans un nombre croissant d’applications thérapeutiques impliquant des aptamères, qui pourraient bien avoir des effets hors-cible. Beaucoup sont actuellement en cours d’essais cliniques, y compris un aptamère nucléine spécifique pour la leucémie myéloïde aiguë, un aptamère spécifique du facteur de Von Willebrand, concernant une maladie de l’artère carotide, et un aptamère spécifique de la thrombine pour l’anticoagulation [20, 21].

  Un antidote universel pour les aptamères

Le nombre potentiel d’aptamères pour la thérapeutique est illimité. Un certain nombre d’entre eux visent la coagulation, et représentent des anticoagulants potentiels. Mais les anticoagulants peuvent causer des complications comme une hémorragie grave.
Actuellement, seule une paire d’anticoagulant et un antidote, l’héparine et la protamine, est couramment utilisée dans les cliniques. Ceci est maintenant remplacé par un aptamère anti-coagulant et son antidote anti-sens.
Bruce Sullenger et ses collègues de l’Université Duke, à Durham en Caroline du Nord aux Etats-Unis, a réalisé qu’avec un nombre toujours croissant de personnes qui prennent de nombreux médicaments, la nécessité d’administrer des médicaments en toute sécurité et de limiter les effets secondaires indésirables n’a jamais été aussi grande. Entre 1998 et 2005, de nombreux événements graves dus aux médicaments indésirables ont été rapportés à la FDA : ils ont augmenté de 2,6 fois et les événements indésirables fatals ont augmenté de 2,7 fois, avec 15.107 événements en 2005.
Le contrôle antidote est le moyen le plus direct pour contrer les effets secondaires aigus du médicament, mais il s’est montré difficile et d’un coût prohibitif de générer des antidotes pour la plupart des agents thérapeutiques. L’équipe a entrepris l’élaboration d’un ensemble de molécules antidotes qui sont capables de contrecarrer les effets secondaires de toute une classe de produits thérapeutiques - aptamères - ce qui constitue une classe particulière de sécurité thérapeutique.
Auparavant, l’équipe a utilisé les règles Watson et Crick d’appariement des bases nucléiques pour créer un oligonucléotide antidote personnalisé pour chaque aptamère, ce qui est très coûteux, et conduit également à une molécule d’ARN double brin qui peut stimuler le système immunitaire. Au lieu de cela, les molécules qui peuvent séquestrer des oligonucléotides d’une manière indépendante de la séquence doivent être capables de fonctionner comme des antidotes universels pour des médicaments basés sur des oligonucléotides extracellulaires.
Ils criblent un certain nombre de polymères de liaison d’acides nucléiques pour leur capacité à agir comme des antidotes pour une série d’aptamères anti-coagulants avec des structures très différentes. Il a été démontré que le polycation contenant de la B-cyclodextrine (CDP) et le polymère polyphosphoramidate (APP-DAP) peuvent agir en tant qu’antidotes des séquences indépendantes pour des aptamères, fonctionnant à la fois in vitro et in vivo, chez la souris et chez le porc pour le CDP, sans toxicité, et à un moindre dosage de 2.5 mg/kg, par rapport à la protamine antidote classique à 10 mg/kg.

  Pour conclure

L’aptamères d’acides nucléiques semblent offrir des possibilités infinies pour le diagnostic, la biodétection, la bio-imagerie, l’administration de médicaments, la thérapie, et bien plus encore.
Mais les questions clés sur la sécurité restent largement sans réponse. Bien que les aptamères d’acides nucléiques non modifiés semblent être non immunogènes et non toxiques, et qu’ils se dégradent rapidement, la tendance actuelle est de les modifier chimiquement pour résister à leur dégradation, ce qui augmente leur efficacité thérapeutique.
Mais cela signifie aussi qu’ils sont davantage susceptibles de survivre dans l’environnement avec des conséquences inconnues pour la santé et pour l’écologie de nos systèmes aquatiques.
Cette situation est particulièrement préoccupante, car des aptamères naturels ont été identifiés dans de nombreuses espèces, y compris chez les êtres humains, et ils sont tout à fait susceptibles d’être largement diffusés dans le monde vivant.

© 1999-2012 The Institute of Science in Society
Contact the Institute of Science in Society
MATERIAL ON THIS SITE MAY NOT BE REPRODUCED IN ANY FORM WITHOUT EXPLICIT PERMISSION. FOR

 Définitions et compléments

Des aptamères pour la biodétection, le diagnostic, l’administration des médicaments et la thérapie

 Traduction, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
honoraire.
Adresse : 585 19 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
Courriel : jacques.hallard921@orange.fr
Fichier : ISIS Biologie Médecine Aptamers for Biosensing, Diagnosis, Drug Delivery and Therapy French version.3 allégé