Au cœur de l'administration des médicaments

Comment une combinaison inédite de diffusion de neutrons et de lumière éclaire la structure moléculaire de nanoparticules thérapeutiques .

Comprendre les nanoparticules de transport de médicaments

La médecine moderne s'appuie de plus en plus sur le ciblage thérapeutique, un processus par lequel les molécules actives sont transportées directement vers des organes spécifiques ou même certains types de cellules. Pour ce faire, les médicaments sont souvent encapsulés à l'intérieur de particules biocompatibles (des nanoparticules), généralement composées de différentes molécules de lipides.

L'efficacité du processus d'administration dépend de nombreuses caractéristiques de ces particules. Celles-ci incluent, par exemple, leur structure interne et externe ainsi que l'homogénéité de leur taille au sein d'un même lot. Les normes de qualité internationales exigent que la taille des nanoparticules ne varie pas de plus de 30 % pour qu'elles soient considérées comme sûres. Un suivi rigoureux de la distribution de la taille des particules est donc essentiel tout au long de leur fabrication.

Pour contrôler la taille des nanoparticules, les fabricants utilisent couramment une technique appelée le fractionnement par flux asymétrique (AF4). En résumé, cette méthode consiste à séparer les particules en solution de manière à ce que les plus petites se déplacent plus rapidement que les plus grandes. L'AF4 est généralement couplé à des méthodes telles que l'absorbance de la lumière ultraviolette ou la diffusion de la lumière afin de mesurer la quantité de particules dans chaque groupe.

Une nouvelle combinaison de techniques prometteuse

Pour comprendre encore mieux les nanoparticules, les chercheurs ont également besoin d'informations sur leur forme et leur structure interne. Cela nécessite de combiner l'AF4 avec des techniques spécifiquement conçues pour sonder l'organisation des particules à l'échelle nanométrique.

Dans des études précédentes, l'AF4 avait déjà été couplé à la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) pour étudier de minuscules particules magnétiques. Cependant, il n'avait encore jamais été combiné avec des techniques neutroniques telles que la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS).

Ce défi a désormais été relevé par une équipe internationale comprenant des scientifiques de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les polymères (Dresde), de l'Université de Stellenbosch, de MAX IV, du Département d'ingénierie des procédés et des sciences de la vie (Lund) et de l'ILL. Ensemble, ils ont mené avec succès la toute première expérience mondiale d'AF4-SANS sur l'instrument D11 de l'ILL.

En utilisant des nanoparticules conçues pour l'administration de médicaments, l'équipe les a analysées grâce à un dispositif AF4 couplé simultanément à la diffusion de la lumière multi-angle et, pour la première fois, au SANS. Grâce à cette puissante combinaison, les chercheurs ont pu non seulement déterminer les dimensions des particules, mais aussi tester avec une grande précision l'homogénéité de leur structure interne ainsi que la localisation potentielle des molécules de médicament. Cette approche combinée a permis aux chercheurs d'obtenir une compréhension bien plus détaillée de l'architecture de ces nanoparticules.

Au sein du groupe de séparation des polymères de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les polymères de Dresde, nous avons été les pionniers du couplage de techniques avancées de fractionnement par flux avec de puissantes méthodes de diffusion, notamment l'AF4-SANS et la FFF thermique-SAXS. Ces approches multidétection nous permettent d'extraire des informations complémentaires et orthogonales à partir de très faibles quantités d'échantillons, ce qui s'avère particulièrement précieux pour la recherche biomédicale. À l'avenir, nous sommes convaincus que ces stratégies analytiques intégrées seront déterminantes pour comprendre les systèmes polymères complexes et pour guider la conception des applications biomédicales de nouvelle génération basées sur les polymères.

"Prof. Dr. Albena Lederer"

Surmonter les défis expérimentaux

L'équipe a également apporté une amélioration majeure au dispositif AF4 standard. Lors des expériences d'AF4, les particules se diluent à mesure qu'elles progressent dans le système, ce qui affaiblit le signal de mesure et peut considérablement allonger la durée des expériences.

Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont mis en œuvre une méthode permettant de compenser cet effet de dilution, leur permettant ainsi d'obtenir des mesures fiables de manière beaucoup plus efficace. Cette approche a consisté à concentrer la détection du signal des nanoparticules exclusivement sur la solution enrichie en particules, tout en détournant le signal du solvant loin des détecteurs, permettant ainsi une détection du signal avec une bonne qualité statistique.

Un nouveau rôle pour les neutrons dans la recherche sur l'administration de médicaments

Le couplage du SANS à l'AF4 constitue une étape extrêmement importante dans le développement des plateformes de caractérisation des nanoparticules. L'un des atouts majeurs de la diffusion de neutrons réside dans sa sensibilité à l'hydrogène et au deutérium. En remplaçant sélectivement les atomes d'hydrogène par du deutérium, les chercheurs peuvent mettre en évidence des zones spécifiques d'une nanoparticule, révélant ainsi des détails structurels autrement difficiles à observer avec d'autres techniques.

À mesure que les traitements ciblés continuent de se développer, la caractérisation précise des nanoparticules de transport de médicaments devient de plus en plus cruciale. Le cadre expérimental établi dans l'étude présentée ici apporte une contribution majeure pour relever ce défi, et ouvre de nouvelles perspectives pour l'utilisation de la diffusion de neutrons dans la recherche biomédicale.

Références:
Bittrich, E., Boye, S., Van Niekerk, Z., Stanvliet, Z., Porfetye, A., Herranz‐Trillo, F., Bolinsson, H., Gaydarova, S., Tzachev, C., Martel, A. and Nilsson, L., 2026. Structural Profiling of Lipid Nanoparticles at Sub‐10 nm Resolution via AF4 Coupled Online to SAXS and SANS. Small Methods (2026) https://doi.org/10.1002/smtd.70639
Instrument ILL: D11
Contacts ILL: Anne Martel, Ralf Schweins
Institutions impliquées dans la recherche: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden, Stellenbosch University, Wyatt Technology Europe, MAX IV Laboratory, Lund University, Sofia University St. Kliment Ohridski