Recherche canadienne sur les nanoparticules lipidiques : la clé des vaccins à ARN messager contre la COVID-19

Contexte

L’acide ribonucléique messager (ARNm) est une molécule monocaténaire qui correspond à la séquence génétique lue par un ribosome (la structure moléculaire qui lie les acides aminés entre eux dans les cellules) lors de la synthèse d’une protéine spécifique. Dès les années 1980, on croit que l’ARNm pourrait servir à traiter des maladies et à fabriquer des vaccins.

Le corps humain renferme quelque 34 000 milliards de cellules, chacune entourée d’une fine membrane constituée d’une bicouche de lipides d’une épaisseur de 5 nanomètres seulement, qui sert de barrière de perméabilité pour séparer l’intérieur de l’extérieur des cellules. Les enzymes présentes dans l’environnement et dans l’organisme peuvent facilement fragmenter des molécules fragiles comme l’ARNm, ce qui complique les expériences de laboratoire et l’acheminement de l’ARNm dans les cellules. En outre, les brins d’ARNm sont larges et chargés négativement, et ne diffusent (ou ne traversent) pas aisément les membranes lipidiques protectrices des cellules. Les scientifiques ont donc dû trouver un moyen d’acheminer l’ARNm dans les cellules.

S’appuyant sur une compréhension détaillée des propriétés biophysiques et des fonctions des lipides, l’équipe de Pieter Cullis, Michael Hope et Thomas Madden s’est d’abord attaquée au problème de la production efficace de nanoparticules lipidiques (NPL). Dans un même temps, ils ont trouvé la manière la plus efficace d’assembler des molécules extrêmement délicates sous forme de médicaments anticancéreux, de composants de vaccins et de matériel génétique (comme l’ARNm) à l’intérieur des NPL, puis de les introduire de manière uniforme et sécuritaire dans les cellules, et plus précisément dans le cytoplasme des cellules, sans qu’aucune dégradation ne survienne.

Équipe de recherche

L’histoire des nanoparticules lipidiques (NPL) commence au département de biochimie de l’Université d’Utrecht, aux Pays-Bas, où Pieter Cullis fait la connaissance de Michael Hope en 1977.

Pieter Cullis

Pieter Cullis, né en Angleterre en 1946, vit à West Vancouver à partir de l’âge de huit ans. Son père était enseignant de physique, et le jeune homme développe rapidement une passion similaire pour ce domaine. Il obtient un doctorat en physique de l’Université de la Colombie-Britannique en 1972. De manière assez soudaine, il oriente ses recherches vers la biochimie pendant ses études postdoctorales à l’Université d’Oxford au Royaume-Uni. Là-bas, il met au point un appareil de résonance magnétique nucléaire qu’il adapte à l’étude des membranes biologiques, principalement composées de lipides et de protéines. Cependant, comme le mentionnera le scientifique dans un article paru en 2021 dans le magazine de l’établissement universitaire, il « ne connaît rien, à l’époque, des protéines ou encore de l’ADN ». Néanmoins, avec le recul, Pieter Cullis dit que si c’était à refaire, il ne changerait absolument rien. À son avis, ce changement de domaine lui a donné un réel avantage. « Un tel changement vous donne une grande confiance en vous et vous permet de passer à l’étape suivante. »

Pieter Cullis déménage ensuite aux Pays-Bas pour poursuivre ses recherches au sein du département de biochimie de l’Université d’Utrecht, sous la supervision du professeur Laurens L. M. van Deenen. Le laboratoire de ce dernier, une véritable Mecque de la recherche sur les biomembranes, attire alors de nombreux chercheurs du niveau postdoctoral venus de l’étranger. Le professeur Jack Lucy, de l’Université de Londres, au Royaume-Uni, avait auparavant proposé un modèle sur le comportement des lipides membranaires pendant la fusion des membranes, modèle que Pieter Cullis estimait erroné. Pour le prouver, celui-ci cherche à établir une collaboration avec un récent diplômé du laboratoire du P^r Lucy, qui mène lui aussi des recherches postdoctorales au sein du département du P^r van Deenen.

Michael Hope

Michael Hope voit le jour et grandit au Royaume-Uni. Après avoir obtenu son doctorat en biochimie à l’Université de Londres aux côtés du P^r Jack Lucy, il s’intéresse, lui aussi, au laboratoire du P^r van Deenen. Michael Hope, chercheur du niveau postdoctoral formé dans le système éducatif classique du Royaume-Uni, travaille sur la fusion des lipides. Pieter Cullis l’invite à développer quelques idées basées sur l’application d’une nouvelle technique mise au point par lui, la résonance magnétique nucléaire (RMN) du phosphore. Selon Michael Hope, Pieter Cullis, loin de se laisser intimider par la réputation d’autres scientifiques ayant travaillé dans le domaine de la fusion membranaire pendant de nombreuses années, fait preuve d’une grande concentration et de beaucoup d’assurance, et se soucie peu de froisser les autres. Ayant reçu une formation en physique, Pieter Cullis ne nourrit pas d’idées préconçues sur la manière dont les choses devraient fonctionner dans un environnement biologique. Il a la capacité de penser de façon plus ouverte que ceux ayant reçu une formation plus conventionnelle dans ce domaine. « À l’époque, nous essayions tous de comprendre le rôle des lipides dans les membranes biologiques, explique Michael Hope lors d’un entretien avec l’auteur en 2022. Pourquoi retrouvait-on une telle variété de lipides dans les membranes biologiques? La technique de la RMN du phosphore nous a permis d’examiner chaque composant lipidique ainsi que les structures formées par chacun. »

Pieter Cullis et Michael Hope travaillent bien ensemble à l’Université d’Utrecht pendant environ un an, jusqu’à ce que le premier se voie offrir à un poste à l’Université de Colombie-Britannique (UBC). Une fois installé à Vancouver, Pieter Cullis invite son ancien collègue, avec qui il a par le passé accompli un travail si passionnant et productif, à poursuivre leurs recherches à l’UBC. Michael Hope, qui vient d’abord à Vancouver en 1979 seulement pour aider à mettre en place le laboratoire à l’UBC, finit par s’y établir de façon permanente.

Pieter Cullis travaille sans relâche. Lorsqu’il était encore aux Pays-Bas, tard le soir, après avoir mené des expériences toute la journée, Michael Hope et lui se rendaient au pub local pour discuter de leurs travaux. « Nous devons constituer un groupe de recherche suffisamment important pour répondre aux grandes questions auxquelles la science est actuellement confrontée, et le maintenir en place suffisamment longtemps pour que nous puissions vraiment résoudre ces questions », répétait-il sans cesse. Le parcours typique des chercheurs du niveau postdoctoral, avec deux ans de travail dans un laboratoire donné, puis trois ans dans un autre, avec l’espoir d’obtenir un poste universitaire quelque part, le déçoit grandement. « Il voulait que tout le monde – les gens avec qui il travaillait bien – reste ensemble. C’était son espoir dès le début. »

Thomas Madden

Thomas Madden rejoint Pieter Cullis et Michael Hope à l’UBC à Vancouver en juin 1980, peu après avoir obtenu son doctorat en biochimie de l’Université de Londres. Thomas Madden, lui aussi né au Royaume-Uni, grandit dans un quartier populaire de Londres. Après avoir obtenu son doctorat, il espère décrocher une bourse qui lui permettra de poursuivre sa formation en biochimie. Ayant toujours rêvé d’aller en Amérique du Nord, il voit dans les travaux menés par Pieter Cullis sur les lipides à l’UBC une occasion à saisir. Un peu comme pour Michael Hope, le séjour de courte durée à Vancouver qu’il planifie à l’origine se transforme rapidement en une installation permanente au Canada.

Canadian Liposome Company

Pieter Cullis obtient immédiatement des subventions universitaires pour soutenir ses travaux de recherche en laboratoire à l’UBC. Cependant, le laboratoire prend trop d’ampleur en peu de temps, et il devient difficile de maintenir le personnel en poste avec seulement les salaires fournis par ces subventions. Pieter Cullis doit offrir de meilleurs salaires et une plus grande sécurité d’emploi à son équipe. Il entreprend donc de mettre en place des initiatives biotechnologiques axées sur le développement d’applications cliniques pour les systèmes d’administration de lipides sur lesquels son laboratoire mène des recherches. En effet, c’est à cette époque que Pieter Cullis fonde la première entreprise dérivée de l’UBC, connue sous le nom de Canadian Liposome Company Inc. Le chercheur est déterminé à maintenir le travail de recherche à Vancouver, malgré les offres d’entreprises américaines de biotechnologie qui tentent de l’attirer, lui et les principaux membres de son équipe, au sud de la frontière. Vancouver se transforme rapidement en une plaque tournante de la biotechnologie, et on y voit apparaître petit à petit d’autres entreprises et groupes universitaires. L’entreprise collabore avec la Liposome Company Inc. de Princeton, dans le New Jersey, sur la base d’un accord selon lequel elle devra financer directement les travaux de recherche menés au laboratoire de Pieter Cullis à l’UBC, ainsi que sa recherche appliquée.

Recherche sur les nanoparticules lipidiques (NPL)

L’objectif des travaux de recherche du laboratoire de Pieter Cullis consiste à employer les nanoparticules lipidiques (NPL) comme outil de recherche et, ce faisant, de mieux comprendre les NPL et de trouver des moyens de les fabriquer et de les produire plus rapidement, et de charger des molécules à l’intérieur d’elles. L’application clinique initiale s’appuie sur les NPL pour administrer des médicaments conventionnels, plus particulièrement des médicaments anticancéreux. Les travaux de recherche au laboratoire portent également sur la mise au point d’une NPL capable de fusionner et de délivrer de plus grosses molécules (un peu comme le ferait un virus) en introduisant sa charge d’acide nucléique dans une cellule. On espère ainsi développer un virus artificiel qui serait exempt de protéines, afin d’éviter tout problème de réponse immunitaire. « Cela aura été l’un de nos plus grands défis », se souvient Michael Hope lors d’un entretien avec l’auteur. Il a en effet fallu 35 à 40 ans pour y parvenir.

Dans les années 1980, alors que Michael Hope et Thomas Madden se concentrent principalement sur l’aspect biotechnologique du travail sur les NPL, Pieter Cullis, lui, maintient toujours un lien avec le monde universitaire. De cette façon, il est en mesure d’utiliser son laboratoire de l’UBC comme lieu de formation pour les étudiants des cycles supérieurs, ainsi que comme source de travail secondaire dans les périodes de ralentissement dans le secteur de la biotechnologie. Il veut s’assurer que la recherche va de l’avant en tout temps. Si de nombreux étudiants et chercheurs de niveau postdoctoral qui passent par le laboratoire de Pieter Cullis sont rapidement embauchés par des entreprises biotechnologiques ou mettent sur pied leurs propres entreprises, plusieurs lui restent fidèles pendant de nombreuses années, en particulier le groupe principal composé de Marcel B. Bally, Lawrence D. Mayer et Tom Redelmeier.

Procédure d’extrusion rapide

Comme le rappellent Michael Hope et Thomas Madden lors de leur entretien avec l’auteur, le début des années 1980 est une « période de grande effervescence au laboratoire », avec la publication de nombreux articles sur divers aspects des travaux qui y sont menés. Les chercheurs utilisent alors les NPL au quotidien, Marcel B. Bally les fabriquant régulièrement – bien que le processus prenne deux ou trois jours avec la technologie disponible. Un jour, frustré, Pieter Cullis esquisse un dispositif qui pourrait produire des NPL plus rapidement. Souhaitant en obtenir un prototype, il s’adresse à G. Webb, qui se dit inventeur à temps partiel; celui-ci assemble en plastique un outil qui sera connu sous le nom d’« extrudeuse ». G. Webb anime à l’époque un atelier à l’Aquarium de Vancouver, où il construit des dispositifs permettant de simuler des tempêtes de forêt tropicale dans la section consacrée à la jungle. Dès la première utilisation de l’appareil, Michael Hope constate que celui-ci rend possible la réalisation, en cinq minutes seulement, d’un travail qui prenait auparavant plusieurs jours. Surtout, les NPL ainsi produites sont unilamellaires, ou sphériques, et présentent une taille bien définie pouvant être modulée par l’utilisation de membranes ayant des pores de tailles différentes. Il s’agit là d’une « avancée considérable », mais la pression élevée exigée par le processus (1 000 psi) pose problème : le plastique peut soudainement se rompre, causant l’explosion de l’appareil. Lorsqu’apparaissent des fissures dans le prototype, une deuxième « extrudeuse » est fabriquée en aluminium avec l’aide de G. Webb et de Sciema Technical Services Ltd., entreprise de Richmond, en Colombie-Britannique.

Le premier rapport de recherche de Pieter Cullis sur le nouveau procédé d’extrusion est soumis en avril 1984, mais ne sera publié qu’au début 1985. « Il s’agit d’extruder ces mélanges de lipides à travers des pores très étroits, ce qui nécessite une pression élevée, explique Michael Hope lors de l’entretien accordé à l’auteur. Une fois que nous y sommes parvenus, de petites NPL de 100 nanomètres se sont formées de manière spontanée, et c’est justement ce que nous voulions. »

L’extrudeuse ne tarde pas à se faire connaître dans le domaine; bientôt, tous les autres scientifiques en veulent une. Pour répondre à la demande et générer des fonds pour soutenir son équipe, Pieter Cullis fonde une nouvelle entreprise, du nom de Lipex Biomembranes. Il trouve également un atelier d’usinage pour fabriquer les composants en acier inoxydable de l’appareil, qui sont ensuite expédiés au domicile de Michael Hope à Vancouver – plus précisément dans son garage –, où Lipex est basé. Dans son garage, généralement le soir, Michael Hope supervise le nettoyage et l’assemblage des composants, ainsi que la mise à l’essai des appareils terminés, faute d’espace au laboratoire de Pieter Cullis à l’UBC.

Très vite, Lipex jouit d’une réputation internationale et vend des milliers d’extrudeuses. « Cet appareil coûtait cher, raconte Michael Hope. À l’époque, on parlait de 2 000 à 3 000 $ l’unité. » Tout allait comme sur des roulettes, et « l’équipe était motivée »; c’était tout ce que voulait Pieter Cullis. Les réunions du conseil d’administration de Lipex se tiennent à la résidence de Michael Hope, l’entreprise étant exploitée selon les principes énoncés dans une déclaration de mission où l’on peut lire que chez Lipex, « on fabrique des extrudeuses, mais on sait aussi s’amuser ». Cette approche permet le développement d’une culture biotechnologique solide, maintenant l’équipe de base à Vancouver pendant une longue période.

Administration de médicaments conventionnels par NPL

Grâce à la capacité de produire des NPL plus efficacement à l’aide de l’extrudeuse, il est désormais possible d’approfondir la recherche fondamentale sur la structure et la capacité des nanoparticules, ainsi que d’étudier leur utilité thérapeutique dans l’administration, par exemple, de médicaments anticancéreux vers les sites tumoraux. Pour faire progresser ce type d’application clinique, Pieter Cullis, Michael Hope, Thomas Madden, Marcel Bally et Lawrence Mayer cofondent la Canadian Liposome Company Inc. (CLC) en 1987 en tant que filiale de la Liposome Company Inc. de Princeton, au New Jersey (« TLC »). L’objectif principal est d’accroître l’efficacité des médicaments anticancéreux tout en réduisant leurs effets secondaires. En outre, de nouveaux traitements sont mis au point pour lutter contre les infections fongiques qui se développent parfois chez les patients qui subissent un traitement anticancéreux. La filiale canadienne ferme toutefois en 1992, après qu’un nouveau PDG de la Liposome Company Inc. exige le déménagement de Pieter Cullis et son équipe à Princeton, chose à laquelle ils s’opposent.

Administration d’acides nucléiques (ADN/ARN) par NPL

L’équipe de Pieter Cullis crée ensuite une nouvelle entreprise biotechnologique basée à Vancouver, Inex Pharmaceuticals Corporation, qui se concentre sur l’administration de traitements contre le cancer. L’attention des scientifiques se porte rapidement sur l’adaptation des NPL à l’administration de thérapies géniques et sur un axe de recherche portant sur l’introduction de composés d’ADN et d’ARN dans les NPL.

En 2005, les travaux de thérapie génique de l’équipe de Pieter Cullis s’accélèrent, amenant celle-ci à collaborer avec Alnylam Pharmaceuticals, Inc., basée dans le Massachusetts, pour développer et administrer un nouveau médicament à base d’ARN capable de supprimer un gène défectueux spécifique dans les cellules hépatiques. Dans le cadre d’un projet parallèle, Pieter Cullis, énergique comme à l’habitude, contribue à la création du Centre for Drug Research and Development (CDRD) sur le campus de l’UBC à Vancouver, qui deviendra plus tard adMare BioInnovations et jouera un rôle crucial dans le développement du secteur des sciences de la vie au Canada. Marco Ciufolini, professeur de chimie à l’UBC, apporte son soutien à Pieter Cullis au CDRD, participant également de manière importante à la mise au point de systèmes de NPL plus puissants. Pieter Cullis, Michael Hope et Thomas Madden quittent Inex Pharmaceuticals (alors Tekmira Pharmaceuticals) après que son produit phare n’a pas été approuvé par la FDA. Ils poursuivent toutefois leur travail avec. Cela les mène à créer une autre nouvelle entreprise à Vancouver, Acuitas Therapeutics, qui démarre ses activités en 2009.

Développement de la technologie de l’ARNm

Peu après la création d’Acuitas, Michael Hope est contacté par Drew Weissman, biochimiste et chercheur en vaccins à l’Université de Pennsylvanie, qui, avec Katalin Karikó, a découvert comment fabriquer de l’ARNm. Drew Weissman et Katalin Karikó souhaitent utiliser le système de NPL d’Acuitas pour administrer des vaccins dans les cellules, en commençant par un vaccin éventuel contre le virus Zika. Au niveau expérimental, ce système d’administration de vaccins fonctionne très bien, mais il ne sera pas développé au-delà de ce niveau. Plus tard, un partenariat sera établi entre Acuitas et BioNTech, dont Katalin Karikó est la première vice-présidente. Ce partenariat vise à développer des NPL à ARNm pour traiter le cancer, ainsi qu’un vaccin contre la grippe à base d’ARNm.

L’émergence de la pandémie de COVID-19 en 2019 et en 2020 transforme soudainement l’orientation de l’équipe de Pieter Cullis, Michael Hope et Thomas Madden en ce qui concerne la R et D sur les vaccins; les scientifiques modifient alors la charge utile que sont censées transporter les NPL intrépides et furtives qu’ils ont conçues en laboratoire. Acuitas est alors en position idéale pour aider le monde à stopper la pandémie. C’est elle qui en détient la clé. (Voir aussi Vaccins contre la COVID-19.)