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Une vision naïve est que le BBB n’est qu’un mur. C’est toute une série de propriétés physiques qui permettent aux vaisseaux de contrôler ce qui se passe entre le sang et le cerveau.- Richard Daneman
Université de Californie à San Diego

« C’était très excitant”, explique le chercheur en radiologie Nathan McDannold, qui dirige le laboratoire d’échographie thérapeutique du Brigham and Women’s Hospital de Boston et a aidé à développer la technique qui utilise des microbulles et des ultrasons pour perturber doucement les vaisseaux sanguins. Les médecins dépendent généralement du système circulatoire pour transporter un médicament de l’intestin ou d’un site d’injection vers les zones malades du corps, mais lorsqu’il s’agit du cerveau et du système nerveux central (SNC), le système vasculaire passe de la voie d’administration au système de sécurité. Les vaisseaux sanguins du SNC sont différents de ceux du reste du corps. Leurs unités de base – les cellules endothéliales – sont dotées d’une suite de propriétés uniques qui empêchent le passage de plus de 90% des médicaments à petites molécules et de presque tous les produits biologiques à travers ou entre les cellules. Certaines protéines scellent les espaces entre les cellules, par exemple, et les pompes moléculaires évincent les molécules indésirables qui pénètrent dans les cellules endothéliales avant que ces substances aient une chance de migrer à travers les cellules des vaisseaux sanguins et dans le SNC.

Plus de sécurité se trouve juste à l’extérieur du système vasculaire. Comme c’est le cas pour la plupart des vaisseaux sanguins du corps, les cellules endothéliales sont entourées d’une couche de protéines de la matrice extracellulaire et supportées par des cellules appelées péricytes, qui contrôlent le développement des vaisseaux sanguins. Mais dans le SNC, la densité des péricytes est près de 100 fois plus élevée qu’ailleurs dans le corps. Les cellules endothéliales du SNC sont en outre recouvertes par les pseudopodes, ou faux pieds, des cellules neurales appelées astrocytes. Les péricytes et les astrocytes constituent une barrière supplémentaire et influencent l’expression de gènes, tels que ceux codant pour les composants des jonctions serrées, qui rendent les vaisseaux sanguins du SNC si sélectifs.

Ce jour-là, à l’hôpital Sunnybrook, cependant, la technique d’échographie focalisée a réussi à franchir cette formidable barrière. « Nous avons travaillé sur ce sujet pendant 15 ans en faisant des études sur les animaux, et nous sommes au point où il est prêt à aller à la clinique”, explique McDannold.

ESSAI: En 2015, la patiente atteinte d’une tumeur au cerveau Bonny Hall (en haut) a subi une procédure expérimentale visant à administrer le médicament de chimiothérapie doxorubicine directement à une tumeur dans son cerveau. Le casque encadrant sa tête a transmis des impulsions ultrasonores à neuf endroits de son cerveau, immédiatement après que des scientifiques (Yuexi Huang sur la photo) eurent injecté des bulles d’air microscopiques dans une veine de sa main. En utilisant le gadolinium comme marqueur, les IRM résultantes (ici) ont montré que l’approche était réussie: l’échographie a fait osciller les microbulles, dilatant les vaisseaux sanguins près de la tumeur de Hall et permettant à la chimiothérapie de traverser la barrière hémato-encéphalique et d’entrer dans le tissu neural.DOUG NICHOLSON / SUNNYBROOK

Bien que la procédure de Hall ait été une étape importante et puisse ouvrir la voie à une administration ciblée et non invasive de médicaments au cerveau, ce n’était pas la première fois que le BBB était ouvert à des fins médicales. Pendant des décennies, les médecins ont utilisé des solutions hyperosmotiques qui provoquent le rétrécissement des cellules endothéliales dans tout le système vasculaire adjacent au cerveau, ouvrant des lacunes qui permettent aux médicaments de passer. Des procédures qui contournent le BBB en injectant directement un médicament dans le tissu cérébral ou dans le liquide céphalo-rachidien (LCR) à l’aide de cathéters sont également utilisées depuis les années 1990. Mais des chercheurs tels que McDannold recherchent des moyens moins invasifs et plus précis d’entrer. Certains veulent ouvrir le BBB à des endroits spécifiques et à des heures définies pour traiter des conditions telles que les tumeurs cérébrales; d’autres visent à le laisser intact tout en offrant des traitements quotidiens contre des maladies telles que la maladie d’Alzheimer.Pour atteindre ces objectifs, les chercheurs développent un ensemble diversifié de stratégies, chacune conçue pour contourner ou exploiter les caractéristiques uniques qui confèrent au BBB sa force et sa sélectivité.

Se faufiler devant les gardes

Pour concevoir des moyens de franchir le BBB, les chercheurs doivent d’abord le comprendre. L’ingénieur biomédical Peter Searson a passé des décennies à acquérir méticuleusement les technologies et les méthodologies nécessaires à la rétro-ingénierie d’un fac-similé tridimensionnel du BBB humain, avec un flux de fluide pour représenter la force de cisaillement fournie par le sang. Lui et son équipe de l’Université Johns Hopkins ont progressivement augmenté la complexité de leur modèle, en dérivant d’abord les types cellulaires requis à partir de cellules souches pluripotentes induites par l’homme, puis en déterminant les conditions de culture cellulaire les plus appropriées pour obtenir les phénotypes souhaités. En 2015, par exemple, ils ont finalement trouvé un moyen de cultiver des astrocytes humains dans une matrice de gel 3D sans activer la réponse au stress des cellules, ce qui modifierait l’expression de certains gènes dans les astrocytes et d’autres types de cellules BBB.1 L’étape suivante consiste à cultiver ensemble des astrocytes et des péricytes sans stress.

Voir « Concevoir des modèles In Vitro de la barrière hémato-encéphalique »

« Nous sommes à peu près au point où nous pouvons commencer à combiner tout ce que nous avons appris”, explique Searson. Pourtant, il ne pense pas que ce modèle complexe sera complet avant au moins une décennie ou deux. C’est parce que le BBB est plus que quelques couches supplémentaires autour des vaisseaux sanguins.

« Une vision naïve est que le BBB n’est qu’un mur”, convient Richard Daneman, neuroscientifique à l’Université de Californie à San Diego. « C’est toute une série de propriétés physiques qui permettent aux vaisseaux de contrôler ce qui se passe entre le sang et le cerveau. »

L’une de ces propriétés les plus importantes est la présence de jonctions serrées, des structures protéiques qui boutonnent les membranes des cellules endothéliales voisines près de leurs extrémités face au sang, ou luminales. Dans la plupart des régions du corps, les nutriments atteignent les organes en glissant entre les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins. Les jonctions serrées dans le système vasculaire cérébral limitent le flux de molécules du sang vers le SNC. ”Même les molécules d’eau ne peuvent pas traverser ces fissures », explique Ronald Cannon, biologiste moléculaire à l’Institut national du cancer.

UNE BARRIÈRE REDOUTABLE: La barrière hémato-encéphalique (BBB) est un ensemble de cellules et de protéines spécialisées qui contrôlent le mouvement des molécules du sang vers le système nerveux central (SNC). Les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins du BBB sont cimentées ensemble par des structures protéiques appelées jonctions serrées (1), empêchant la diffusion de la plupart des molécules entre les cellules. Les cellules endothéliales BBB présentent des transporteurs (2), des récepteurs (3) et des canaux (4) qui facilitent le transport sélectif des nutriments vitaux dans le SNC. Ils possèdent également des pompes d’efflux, telles que la glycoprotéine P, qui expulsent la plupart des petites molécules amphiphiles solubles dans le sang et dans les membranes lipidiques cellulaires (5). Les péricytes et les pseudopodes astrocytaires servent de barrière physique supplémentaire entre le vaisseau sanguin et le tissu cérébral et soutiennent l’expression des gènes des cellules endothéliales nécessaires au maintien du BBB.
Voir l’infographie complète: WEB|PDF© 2017, LISA Clarkles jonctions serrées semblent être l’endroit où les ultrasons et les microbulles exercent leur magie. En 2008, le biophysicien Sunnybrook Kullervo Hynynen et ses collègues ont montré chez le rat qu’en présence de microbulles, les ondes ultrasonores focalisées augmentaient non seulement la fuite dans les vaisseaux cérébraux pendant jusqu’à quatre heures, mais réduisaient également l’abondance des protéines de jonction serrée occludine, claudine-5 et occlusion de zone (ZO)-1. En conséquence, une grosse molécule appelée peroxydase de raifort, qui ne peut généralement pas dépasser le BBB, a commencé à se glisser entre les cellules endothéliales des vaisseaux sanguins et dans le cerveau des rats.2

McDannold, qui était étudiant diplômé dans le laboratoire de Hynynen au Brigham and Women’s Hospital dans les années 1990, dit qu’il y a encore beaucoup de travail à faire pour comprendre les mécanismes derrière la procédure d’échographie focalisée — et pour démontrer sa sécurité — mais le concept a parcouru un long chemin. « L’idée d’utiliser l’échographie pour perturber le BBB remonte aux années 1960”, dit-il. « À ce moment-là, il serait soit associé à des lésions cérébrales, soit il ne serait pas reproductible. »Lui et Hynynen ont passé plusieurs années à essayer d’appliquer des ultrasons focalisés de manière sûre et contrôlée, mais ils ont continué à se heurter au problème d’endommager les tissus avec la chaleur produite par les ondes sonores. Puis, en 2001, ils ont eu l’idée d’essayer des microbulles, disponibles dans le commerce comme outil pour éclairer les vaisseaux sanguins dans les images IRM. ”Pour être honnête, la première expérience que nous avons faite, nous avons causé des dommages massifs au cerveau », explique McDannold à propos de leurs premiers tests sur des lapins. « C’est à ce moment-là que nous avons réalisé que ces bulles concentraient vraiment l’effet des ultrasons sur les parois des vaisseaux”, permettant aux chercheurs de réduire considérablement la puissance acoustique des ultrasons tout en réalisant la brèche BBB.3

Depuis lors, McDannold et Hynynen ont continué à affiner la procédure dans les modèles animaux et à détailler ses mécanismes. Dans une étude publiée l’année dernière, l’équipe de McDannold a utilisé des ultrasons focalisés combinés à des microbulles pour délivrer des anticorps anti-HER2 au cerveau de 10 rats atteints de tumeurs cancéreuses du sein qui s’étaient métastasées sur l’organe.4 L’anticorps a ralenti la croissance de la tumeur cérébrale chez quatre des rats ayant reçu le traitement par ultrasons. ”Nous n’avons pas vu du tout sans l’échographie », explique McDannold.

MODÈLES BBB: Un objectif du champ est de récapituler la barrière hémato-encéphalique (BBB) in vitro pour mieux étudier ses propriétés et les moyens de la dépasser. Dans une approche, les chercheurs ont formé des vaisseaux sanguins à partir de cellules endothéliales microvasculaires cérébrales dérivées de cellules souches (ci-dessus: jonctions serrées, rouges; noyaux, bleus). Pendant ce temps, d’autres scientifiques créent des sphéroïdes (ci-dessous) qui imitent une partie de la structure et de la fonction du BBB. Dans le sphéroïde le plus à gauche représenté ici, les pompes d’efflux (vertes) renvoient activement les molécules vers l’environnement. Dans les sphéroïdes du milieu et de l’extrême droite, des jonctions serrées (vertes) empêchent les macromolécules d’entrer en premier lieu. (Noyaux, bleus; cellules endothéliales, rouges) IMAGE PRISE PAR MORIAH KATT IMAGE REPRODUITE AVEC L’AIMABLE AUTORISATION DE CHOI-FONG CHO; RÉIMPRIMÉE AVEC L’AUTORISATION DE NAT COMMUN, 8:15623, 2017.

Le groupe de Hynynen a également utilisé la méthode dans un modèle murin de la maladie d’Alzheimer et a montré que le simple fait d’ouvrir le BBB dans l’hippocampe suffisait à réduire les niveaux de plaque amyloïde-β et à améliorer la mémoire spatiale des animaux.5 Ils ont constaté que l’ouverture de la barrière permettait aux anticorps anti–amyloïde-β endogènes de pénétrer dans le cerveau, conduisant les astrocytes et les microglies à engloutir davantage de protéines toxiques.6

La technique est également testée chez l’homme. En plus d’un essai de phase 1 sur le cancer du cerveau utilisant le traitement de Bonny Hall qui a débuté en 2015, des chercheurs de Sunnybrook ont commencé cette année à tester la sécurité de l’utilisation d’ultrasons focalisés pour ouvrir le BBB dans les lobes frontaux des patients atteints de la maladie d’Alzheimer. En attendant, McDannold, Hynynen et d’autres développent des moyens de surveiller les ondes sonores qui rebondissent sur les microbulles et d’ajuster la puissance des ultrasons au milieu du traitement pour éviter les dommages aux vaisseaux sanguins. Jusqu’à présent, l’équipe de Hynynen a montré qu’elle pouvait le faire chez des modèles de rongeurs et des macaques rhésus. Si la technique peut être prouvée sans danger pour les humains, en particulier lorsqu’elle est utilisée à plusieurs reprises, dit McDannold, il existe une longue liste de conditions qui peuvent bénéficier d’un tel traitement. « Si vous saviez exactement où vous vouliez aller dans le cerveau, nous pourrions les diriger, mais c’est loin.”

Sur, sous, autour et à travers

Pour l’instant, la méthode des microbulles et des ultrasons est tout simplement trop risquée pour la plupart des patients. « Le cerveau a le BBB spécifiquement pour le protéger des composés étrangers — c’est un mécanisme de défense”, explique Choi-Fong Cho, neuroscientifique à l’Hôpital Brigham and Women’s Hospital. Pour les maladies non mortelles, « nous voulons garder le BBB intact pendant que nous administrons nos médicaments afin de ne pas risquer d’affecter le cerveau d’une autre manière. »

Heureusement, de nombreux petits médicaments soigneusement conçus peuvent traverser le BBB sans aucune perturbation. ”Lorsque vous réfléchissez à la façon de faire passer une molécule, vous devez penser aux propriétés endogènes », explique Daneman. Après tout, dit-il, « le but n’est pas de garder les molécules hors du SNC”, mais de réguler lesquelles sont autorisées à passer et quand. Si une molécule est soluble à la fois dans le sang et dans les lipides, par exemple, elle peut se dissoudre dans la membrane lipidique d’une cellule et se frayer un chemin à travers la cellule et de l’autre côté pour atteindre le cerveau. Des molécules telles que l’oxygène, l’alcool et la plupart des anesthésiques le font tout le temps, comme presque tous les médicaments actuels du SNC. Il existe de nombreuses façons de bricoler la charge et la lipophilie d’un médicament, mais le succès d’une telle adaptation dépend du composé, explique Cho. « Il n’y a pas de recette secrète pour faire quelque chose qui traverse le BBB.”

Les chercheurs ont passé des décennies à acquérir méticuleusement les technologies et les méthodologies nécessaires à la rétro-ingénierie d’un fac-similé tridimensionnel du BBB humain.

Les entreprises utilisent des médicaments de dépistage in vitro, souvent en utilisant une lignée de cellules rénales canines car, comme le BBB, les cellules rénales expriment des jonctions serrées. Les chercheurs peuvent également obtenir des cellules endothéliales à partir de tissus cérébraux humains prélevés lors d’une intervention chirurgicale, mais lorsqu’elles sont cultivées seules, ces cellules perdent rapidement leur identité et cessent d’exprimer des jonctions serrées. Reconnaissant le besoin d’une plate-forme de dépistage simple et précise, Cho et ses collègues ont développé un modèle sphéroïde qui permet aux cellules endothéliales, aux péricytes et aux astrocytes de souris d’interagir dans une matrice 3D, empêchant ainsi les cellules endothéliales de perdre leur identité. Les cellules ont tendance à s’auto-assembler de sorte que les astrocytes sont au centre de chaque sphère, avec des péricytes à l’extérieur et des cellules endothéliales entre les deux.7 Bien que la superposition soit différente de ce qui est vu in vivo, les sphéroïdes récapitulent fidèlement certaines fonctions BBB. L’équipe de Cho a montré que bien que les sphéroïdes laissent entrer le dioxyde de carbone, l’oxygène et l’alcool dans leurs centres, ils excluent une molécule de sucre appelée dextrane, tout comme le ferait le BBB.

Il est important de noter que les cellules endothéliales des sphéroïdes produisent des protéines à jonction serrée, deux récepteurs membranaires caractéristiques de la BBB et une pompe d’efflux fonctionnelle appelée glycoprotéine de perméabilité (P-gp). L’expression de la P-gp est une caractéristique utile car les petites molécules qui violent un BBB artificiel échouent souvent lamentablement dans les modèles animaux, où la pompe les recrache directement dans le vaisseau sanguin. La P-gp est la plus courante des pompes d’efflux BBB, qui lient et exportent collectivement de 60 à 70% des médicaments à petites molécules. ”C’est un gros problème », dit Cannon. « C’est l’une des raisons pour lesquelles les médicaments ne sont pas commercialisés. »

Dans une étude publiée en avril, Cannon et ses collègues ont rapporté qu’ils pourraient inhiber temporairement l’activité de P-gp.8 En utilisant des capillaires découpés dans des cerveaux de rat, ils ont testé des agents pour leur capacité à augmenter ou à diminuer l’activité de la P-gp, et ont découvert qu’un phospholipide appelé acide lysophosphatidique (LPA) et l’antidépresseur amitriptyline peuvent ensemble réduire la capacité de la P-gp à pomper un substrat fluorescent à l’intérieur des capillaires. L’effet s’est produit dans les minutes suivant l’exposition aux médicaments et a disparu presque aussi rapidement une fois que les médicaments ont été retirés. ”Cette réversibilité est importante », explique Cannon, afin que le BBB puisse reprendre sa fonction normale après avoir permis au médicament d’entrer dans le cerveau.

L’équipe de Cannon a testé à la fois la LPA et l’amitriptyline sur des capillaires cérébraux à partir d’un modèle de sclérose latérale amyotrophique (SLA) chez le rat, dans lequel l’expression de la P-gp est augmentée, et a constaté que l’injection des médicaments dans les artères carotides des animaux augmentait la quantité de substrat qui traversait la BHE et dans le cerveau, indiquant que le traitement réduisait l’activité de la pompe. Cannon dit qu’il espère que d’autres pourraient utiliser les propriétés de ces composés pour revisiter les médicaments qui traversent le BBB mais qui ont été mis de côté car ils sont immédiatement retirés du cerveau par P-gp. Utilisés en clinique, les médicaments qui interrompent l’activité de la pompe d’efflux pourraient être utiles pour introduire des médicaments dans le cerveau sans risquer de perturber l’intégrité de la BHE.

CONTOURNER LE BBB: Concevoir des médicaments pour atteindre le SNC nécessite une certaine créativité de la part des chercheurs. Les approches varient de la perturbation des jonctions serrées du BBB avec des ondes ultrasonores et des microbulles au détournement des propres systèmes de transport de la barrière. Chaque technique présente ses avantages et ses inconvénients, la rendant appropriée pour certains patients ou types de médicaments, mais pas pour d’autres.
Voir l’infographie complète : WEB/PDF©2017, LISA CLARK

Chevaux de Troie

De nombreuses fonctionnalités spécialisées du BBB ne sont pas conçues pour empêcher les molécules d’entrer dans le système nerveux central, mais pour les introduire dans le système nerveux central. Le cerveau a besoin de sucre, de certains acides aminés et d’électrolytes, explique Cannon, « et nous avons mis en place des systèmes de transport pour cela. »Plus précisément, les cellules endothéliales BBB ont des canaux, des transporteurs de protéines et des récepteurs qui accompagnent les nutriments à travers les cellules endothéliales, qui permettent le passage de molécules vitales telles que les ions, les sucres et les acides aminés dans le SNC. Dans certains cas, une thérapie peut être un substrat naturel de l’un de ces transporteurs — c’est le cas du médicament pour la maladie de Parkinson, la L-dopa, un acide aminé qui utilise le grand transporteur d’acides aminés neutres de type 1 pour pénétrer dans le cerveau, où il est converti en dopamine. Mais en théorie, les chercheurs pourraient habiller n’importe quel médicament pour qu’il soit reconnu par un transporteur ou un récepteur pour inciter le cerveau à le prendre.

Par exemple, il est possible de décorer des médicaments à base de nanoparticules avec un substrat naturel de transporteur. Une société néerlandaise appelée 2-BBB Medicines a développé une technique qui incorpore le glutathion antioxydant dans une membrane de liposome, permettant au liposome et à sa cargaison de médicaments d’être introduits dans les cellules endothéliales par un transporteur de glutathion. En utilisant ces liposomes dopés au glutathion pour enfermer la doxorubicine, les chercheurs ont introduit près de cinq fois plus de médicament chimiothérapeutique dans le cerveau des rats traités9 et la technique a limité la croissance des tumeurs cérébrales chez les souris.10 La société teste maintenant les liposomes chez les personnes atteintes de tumeurs cérébrales et comme moyen de délivrer un stéroïde à travers le BBB des personnes atteintes de sclérose en plaques et d’autres maladies inflammatoires du SNC.

Voir « Pénétrer dans le cerveau”

D’autres sociétés pharmaceutiques tentent d’attacher des composés thérapeutiques à des récepteurs qui transportent activement des marchandises dans, à travers et hors des cellules par un processus appelé transcytose, permettant aux médicaments de « se replier” dans le SNC. Une cible populaire pour cette approche, le récepteur de la transferrine, introduit le fer dans le SNC en transportant la protéine porteuse du fer, la transferrine. Plutôt que d’imiter le fer ou la transferrine, ce qui éliminerait l’homéostasie du fer des cellules, de nombreux groupes de recherche se sont tournés vers des anticorps qui gloment sur le récepteur en dehors de la poche de liaison à la transferrine. Certains des anticorps sont placés le long d’un médicament, tandis que dans d’autres cas, l’anticorps lui-même est le médicament, conçu pour lier à la fois le récepteur de la transferrine et une cible de la maladie. Par exemple, une équipe de Genentech a testé un anticorps qui lie le récepteur de la transferrine et la β-sécrétase, une enzyme qui clive un précurseur amyloïde-β. L’anticorps s’est accumulé dans le cerveau des singes cynomolgus et a réduit les taux d’amyloïde-β dans le LCR et le tissu cérébral des animaux.11

Le chimiste de l’Université Northwestern, Chad Mirkin, emprunte une toute nouvelle voie vers le cerveau. Il y a vingt ans, l’équipe de Mirkin a mis au point une classe unique de médicaments de thérapie génique appelés acides nucléiques sphériques (SNA), constitués d’ADN ou d’ARN densément emballés disposés à la surface de nanoparticules d’or. Mirkin dit que lorsque son équipe a commencé à injecter les SNA chez des souris, elle s’est rendu compte que les particules se propageaient rapidement dans tout le corps, y compris le cerveau. « Nous avons le problème inverse que tout le monde a”, dit-il. « Ils vont partout.”

Dans certaines maladies, vous voudrez peut-être le médicament partout; dans d’autres, vous voudrez peut-être qu’il soit spécifiquement localisé dans des régions spécifiques du cerveau.- Richard Daneman
Université de Californie à San Diego

Dans une étude publiée en 2013, son groupe a démontré que chez des souris atteintes de tumeurs cérébrales, les SNA ont traversé le BBB et se sont accumulés dans le tissu cancéreux, où ils ont délivré des siRNA pour faire tomber l’expression de l’oncogène Bcl2L12.12 Maintenant, à peine quatre ans plus tard, des chercheurs cliniques de Northwestern font équipe avec le National Cancer Institute pour tester cette approche chez les personnes avec glioblastome. De retour au laboratoire, l’équipe de Mirkin a découvert que les cultures cellulaires d’astrocytes internalisent les SNA en utilisant un groupe de récepteurs appelés récepteurs piégeurs qui se lient à une variété de ligands avec des motifs répétitifs, mais il dit qu’ils n’ont pas découvert la route précise que les particules empruntent à travers le BBB.

Comme autre stratégie pour introduire des médicaments dans le cerveau, certains scientifiques tirent parti d’une classe de virus qui pénètrent naturellement dans le BBB. En 2009, Brian Kaspar, qui étudie la thérapie génique à l’Université d’État de l’Ohio, et ses collègues ont rapporté qu’une souche de virus adéno-associé appelée AAV9 qu’ils ont injectée dans les flux sanguins de souris a traversé le BBB et atteint la moelle épinière des animaux, s’accumulant dans les motoneurones des nouveau-nés et les astrocytes des adultes.13 ”Nous ne savons pas exactement à quel récepteur il se lie », explique Casey Maguire, microbiologiste à la Harvard Medical School. « Mais nous savons que cela passe par la transcytose. »En conséquence, AAV9 peut traverser les cellules endothéliales BBB cultivées sans perturber les caractéristiques des cellules, telles que les jonctions serrées, a récemment montré le groupe de Maguire.14

L’étude de 2009 a incité de nombreux autres chercheurs à commencer à utiliser les AAV pour traverser le BBB, et Kaspar, en plus de son poste à Ohio State, est maintenant le directeur scientifique d’AveXis, une société lancée en 2010 pour développer l’utilisation d’AAV9 pour délivrer le gène SMN aux motoneurones des enfants atteints d’amyotrophie spinale de type 1. Plus tôt cette année, AveXis a publié les résultats d’un essai de phase 1 en cours, qui a montré que la plupart des 15 enfants de l’essai atteignent des étapes motrices — telles que la position assise sans assistance — que les patients atteints d’amyotrophie spinale de type 1 n’atteignent généralement pas.

Aussi bons que soient ces résultats, dit Maguire, les preuves indiquent maintenant que d’autres virus sont de meilleurs vecteurs de délivrance de médicaments pour traverser le BBB, du moins dans les modèles murins. « Ce qui sort du pipeline fait que l’AAV9 ne semble pas du tout efficace”, dit-il. Plus précisément, les chercheurs font évoluer des virus dotés de qualités qui les rendent idéaux pour déclencher leur absorption dans le cerveau. Ils le font en injectant un virus aux animaux, en isolant tout virus qui pénètre dans le cerveau, puis en répétant le processus encore et encore. Récemment, une équipe dirigée par Viviana Gradinaru à Caltech a isolé une souche d’AAV9 qui a atteint les tissus cérébraux et médullaires de souris 40 fois plus efficacement que la version originale du virus.15

D’autres groupes utilisent des cellules immunitaires qui traversent naturellement la BHE pendant l’inflammation. Par exemple, une équipe de chercheurs du MIT et de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill a récemment construit des « sacs à dos” en polymère de la taille d’un noyau, qu’ils ont attachés via des anticorps aux macrophages de souris avant d’injecter les cellules dans les flux sanguins de souris présentant une inflammation du cerveau.16 Les macrophages ont été attirés par l’environnement inflammatoire du cerveau et ont amené les sacs à dos. Les chercheurs ont également décrit des études de preuve de concept dans des cultures cellulaires qui ont montré que les sacs à dos pouvaient être construits pour transporter et libérer une enzyme antioxydante, suggérant que l’approche pourrait potentiellement être utilisée pour administrer des thérapies protéiques au cerveau.

Voir « Alliés improbables »

Ainsi, qu’il s’agisse de cellules immunitaires, de virus ou de nanoparticules parsemées de substrats naturels de transporteurs ou de récepteurs BBB, les médicaments peuvent se frayer un chemin au-delà de la formidable barrière sans jamais perturber son fonctionnement normal. De telles approches peuvent être essentielles pour administrer des thérapies au cerveau sans les problèmes de sécurité associés à des techniques plus invasives ou dommageables, mais elles s’accompagnent du compromis consistant à perdre la capacité de cibler les médicaments à des endroits précis. « Dans certaines maladies, vous voudrez peut-être le médicament partout; dans d’autres, vous voudrez peut-être qu’il soit spécifiquement localisé dans des régions spécifiques du cerveau”, explique Daneman. Il ajoute qu’il reste encore beaucoup de travail à faire pour déterminer la quantité de médicament que chaque technique peut pénétrer dans le SNC et la durée des différents traitements. « Toutes ces choses détermineront si une stratégie fonctionnera. »

INDICES DE LA MALADIE

TEST DU SPHÉROÏDE: Des niveaux élevés d’une molécule pénétrante BBB (rouge) pénètrent dans le sphéroïde, tandis qu’une molécule non pénétrante (blanche) reste principalement en dehors des sphères. IMAGE DE CHOI-FONG CHOIn dans de nombreux cas, les chercheurs qui tentent d’administrer des médicaments au cerveau font face à un BBB intact, mais parfois la condition même traitée a déjà compromis la barrière. ”Au cours des 10 dernières années environ, il est devenu évident que presque toutes les maladies du SNC sont associées à une perturbation ou à un dysfonctionnement du BBB », explique Peter Searson de l’Université Johns Hopkins. La mesure dans laquelle la fuite de la BHE dans la maladie aide les médicaments à pénétrer dans le cerveau est variable et discutable, mais elle a déjà ouvert la porte à des moyens potentiels de perturber volontairement la barrière.

En juillet, par exemple, une équipe internationale de chercheurs a publié une étude sur un type d’anticorps, isolé dans le liquide céphalo-rachidien de patients atteints d’une maladie inflammatoire du nerf optique, qui rendait les cellules endothéliales BBB cultivées plus perméables au dextrane du sucre. Chez les souris recevant des injections de l’anticorps, des protéines qui sont normalement séquestrées dans le sang se sont retrouvées dans le tissu cérébral, suggérant que de tels anticorps pourraient faciliter l’administration du médicament au SNC. (Sci Transl Med, 9: eaai9111, 2017).

Searson dit que son but ultime est de construire des modèles BBB en utilisant des cellules pluripotentes induites provenant d’individus malades pour comprendre comment diverses conditions neurologiques compromettent la barrière et comment elle pourrait être réparée. Chaque jour, cet objectif se rapproche à mesure que les chercheurs comprennent davantage les subtilités qui définissent les subtilités BBB que l’équipe de Searson s’efforce d’imiter dans la culture cellulaire. C’est un défi, mais il n’abandonne pas de sitôt. « C’est ce que j’aime dire à mes élèves : si c’était facile, quelqu’un d’autre l’aurait déjà fait”, dit-il.

Amanda D. Keener est un écrivain scientifique indépendant vivant à Denver, au Colorado.

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