Applications biomédicales pour les polymères intelligents

Imiter la stimulation-réactivité des polymères naturels

Les scientifiques qui étudient les polymères naturels trouvés dans les organismes vivants ( protéines, glucides et acides nucléiques ) ont appris comment ils se comportent systèmes tels qu'ils remplissent leurs rôles structurels et physiologiques. Cette information est utilisée pour développer des substances polymères synthétiques similaires ayant des propriétés spécifiques et la capacité de répondre aux changements dans leur environnement.

Ces polymères synthétiques sont potentiellement très utiles pour une variété d'applications, y compris certaines liées à la biotechnologie et la biomédecine.

Les polymères intelligents sont de plus en plus répandus à mesure que les scientifiques se familiarisent avec la chimie et les déclencheurs qui induisent des changements conformationnels dans les structures polymères et conçoivent des moyens de les exploiter et de les contrôler. De nouveaux matériaux polymères sont formulés chimiquement pour détecter des changements environnementaux spécifiques dans les systèmes biologiques et ajuster d'une manière prévisible , ce qui en fait des outils utiles pour l'administration de médicaments ou d'autres mécanismes de contrôle métabolique.

La réponse non-linéaire des polymères intelligents est ce qui les rend si uniques et efficaces. Un changement significatif de la structure et des propriétés peut être induit par un très petit stimulus . Une fois que ce changement se produit, il n'y a pas d'autre changement, ce qui signifie qu'une réponse tout-ou-rien prévisible se produit, avec une uniformité complète dans tout le polymère.

Les polymères intelligents peuvent modifier les propriétés de conformation, d'adhésivité ou de rétention d'eau, en raison de légères modifications du pH, de la force ionique, de la température ou d'autres déclencheurs.

Un autre facteur de l'efficacité des polymères intelligents réside dans la nature inhérente des polymères en général. La force de la réponse de chaque molécule aux changements de stimuli est le composé de changements d'unités monomères individuelles qui, seules, seraient faibles.

Cependant, ces réponses faibles, composées des centaines ou des milliers de fois , créent une force considérable pour la conduite des processus biologiques.

Classification et chimie

À l'heure actuelle, l'utilisation la plus répandue des polymères intelligents en biomédecine est l'administration ciblée de médicaments . Depuis l'arrivée des produits pharmaceutiques à libération contrôlée , les scientifiques ont été confrontés au problème de trouver des moyens d'administrer des médicaments à un site particulier du corps sans les dégrader d'abord dans les milieux fortement acides. environnement de l'estomac. La prévention des effets indésirables sur les os et les tissus sains est également une considération importante. Les chercheurs ont imaginé des moyens d'utiliser des polymères intelligents pour contrôler la libération de médicaments jusqu'à ce que le système de distribution ait atteint la cible souhaitée. Cette libération est contrôlée par un déclencheur chimique ou physiologique.

Les polymères intelligents linéaires et matriciels existent avec une variété de propriétés en fonction des groupes fonctionnels réactifs et des chaînes latérales. Ces groupes peuvent être sensibles au pH, à la température, à la force ionique, aux champs électriques ou magnétiques et à la lumière. Certains polymères sont réticulés de manière réversible par des liaisons non covalentes qui peuvent se rompre et se reformer en fonction des conditions extérieures. La nanotechnologie a été fondamentale dans le développement de certains polymères de nanoparticules tels que les dendrimères et les fullerènes, qui ont été utilisés pour l'administration de médicaments.

L'encapsulation traditionnelle de médicaments a été réalisée en utilisant des polymères d'acide lactique. Des développements plus récents ont vu la formation de matrices en forme de réseau qui retiennent le médicament d'intérêt intégré ou piégé entre les brins de polymère.

Les matrices de polymères intelligents libèrent des médicaments par une réaction chimique ou physiologique altérant la structure, souvent une réaction d'hydrolyse entraînant le clivage des liaisons et la libération de médicament lorsque la matrice se décompose en composants biodégradables. L'utilisation de polymères naturels a cédé la place à des polymères synthétisés artificiellement tels que les polyanhydrides, les polyesters, les polyacryliques, les poly (méthacrylates de méthyle) et les polyuréthanes. Des polymères hydrophiles, amorphes, de bas poids moléculaire contenant des hétéroatomes (c'est-à-dire des atomes autres que le carbone) se sont avérés se dégrader le plus rapidement. Les scientifiques contrôlent le taux d'administration du médicament en faisant varier ces propriétés, ajustant ainsi le taux de dégradation.

Les copolymères greffés-bloqués sont constitués de deux polymères différents greffés ensemble. Un certain nombre de brevets existent déjà pour différentes combinaisons de polymères avec différents groupes réactifs. Le produit présente les propriétés des deux composants individuels qui ajoutent une nouvelle dimension à une structure de polymère intelligente et peuvent être utiles pour certaines applications. La réticulation de polymères hydrophobes et hydrophiles conduit à la formation de structures semblables à des micelles qui peuvent protéger de manière protectrice la délivrance de médicament à travers un milieu aqueux jusqu'à ce que les conditions à l'emplacement cible provoquent la dégradation simultanée des deux polymères.

Une approche greffe-et-bloc pourrait être utile pour résoudre les problèmes rencontrés par l'utilisation d'un polymère bioadhésif commun, l'acide polyacrylique (PAAC). Le PAAC adhère aux surfaces des muqueuses mais gonfle et se dégrade rapidement à pH 7,4, ce qui entraîne une libération rapide des médicaments piégés dans sa matrice. Une combinaison de PAAC avec un autre polymère moins sensible aux changements à pH neutre pourrait augmenter le temps de séjour et ralentir la libération du médicament, améliorant ainsi la biodisponibilité et l'efficacité.

Les hydrogels sont des réseaux de polymères qui ne se dissolvent pas dans l'eau mais gonflent ou s'affaissent dans des environnements aqueux changeants. Ils sont utiles en biotechnologie pour la séparation de phase car ils sont réutilisables ou recyclables. De nouvelles façons de contrôler le flux, ou la capture et la libération de composés cibles, dans des hydrogels, sont étudiées. Des hydrogels hautement spécialisés ont été développés pour l'administration et la libération de médicaments dans des tissus spécifiques.

Les hydrogels fabriqués à partir de PAAC sont particulièrement courants en raison de leurs propriétés bioadhésives et de leur formidable pouvoir absorbant.

L'immobilisation enzymatique dans les hydrogels est un processus assez bien établi. Des réseaux polymères et des hydrogels réticulés de manière réversible peuvent être appliqués de manière similaire à un système biologique dans lequel la réponse et la libération d'un médicament sont déclenchées par la molécule cible elle-même.

Alternativement, la réponse peut être activée ou désactivée par le produit d'une réaction enzymatique. Ceci est souvent fait en incorporant une enzyme, un récepteur ou un anticorps, qui se lie à la molécule d'intérêt, dans l'hydrogel. Une fois lié, une réaction chimique se produit qui déclenche une réaction de l'hydrogel. Le déclencheur peut être de l'oxygène, détecté en utilisant des enzymes oxydoréductases, ou une réponse de détection de pH. Un exemple de ce dernier est le piégeage combiné de glucose oxydase et d'insuline dans un hydrogel sensible au pH. En présence de glucose, la formation d'acide gluconique par l'enzyme déclenche la libération d'insuline de l'hydrogel.

Deux critères pour que cette technologie fonctionne efficacement sont la stabilité enzymatique et la cinétique rapide (réponse rapide à la gâchette et récupération après le retrait de la gâchette). Plusieurs stratégies ont été testées dans la recherche sur le diabète de type 1, impliquant l'utilisation de types similaires de polymères intelligents qui peuvent détecter des changements dans les niveaux de glucose dans le sang et déclencher la production ou la libération d'insuline. De même, il existe de nombreuses applications possibles d'hydrogels similaires comme agents d'administration de médicaments pour d'autres conditions et maladies.

Les polymères intelligents ne sont pas uniquement destinés à l'administration de médicaments. Leurs propriétés les rendent particulièrement adaptés aux bioseparations .

Le temps et les coûts impliqués dans la purification des protéines pourraient être réduits de manière significative en utilisant des polymères intelligents qui subissent des changements rapides et réversibles en réponse à une modification des propriétés du milieu. Les systèmes conjugués ont été utilisés pendant de nombreuses années dans des séparations physiques et d'affinité et des immunodosages. Les changements microscopiques dans la structure du polymère se manifestent par la formation de précipités, qui peuvent être utilisés pour faciliter la séparation des protéines piégées de la solution.

Ces systèmes fonctionnent lorsqu'une protéine ou une autre molécule qui doit être séparée d'un mélange, forme un bioconjugué avec le polymère et précipite avec le polymère lorsque son environnement subit un changement. Le précipité est éliminé du milieu, séparant ainsi le composant désiré du conjugué du reste du mélange. L'élimination de ce composant du conjugué dépend de la récupération du polymère et d'un retour à son état d'origine, ainsi les hydrogels sont très utiles pour de tels procédés.

Une autre approche pour contrôler les réactions biologiques à l'aide de polymères intelligents consiste à préparer des protéines recombinantes avec des sites de liaison polymères intégrés proches des sites de liaison des ligands ou des cellules. Cette technique a été utilisée pour contrôler l'activité de liaison des ligands et des cellules, sur la base d'une variété de déclencheurs comprenant la température et la lumière.

Applications futures

Il a été suggéré de développer des polymères capables de apprendre et de se corriger soi-même au fil du temps.Bien que cela puisse être une possibilité lointaine, il existe d'autres applications plus réalisables qui semblent venir dans un proche avenir. L'un d'entre eux est l'idée de toilettes intelligentes qui analysent l'urine et aident à identifier les problèmes de santé. En biotechnologie environnementale, des systèmes d'irrigation intelligents ont également été proposés. Il serait extrêmement utile d'avoir un système qui s'allume et s'éteigne et contrôle les concentrations d'engrais, en fonction de l'humidité du sol, du pH et des niveaux d'éléments nutritifs. De nombreuses approches créatives de systèmes de délivrance de médicaments ciblés qui s'autorégulent en fonction de leur environnement cellulaire unique sont également à l'étude.

L'utilisation de polymères intelligents en biomédecine peut poser des problèmes. Le plus inquiétant est la possibilité de toxicité ou d'incompatibilité des substances artificielles dans le corps, y compris les produits de dégradation et les sous-produits. Cependant, les polymères intelligents ont un énorme potentiel dans les applications biotechnologiques et biomédicales si ces obstacles peuvent être surmontés.

_Sources

Yuk SH et al. Polymère sensible au pH / température Composé de poly ((N, N-diméthylamino) éthyl méthancrylate-co-éthylacrylamide). Macromolécules 30 (22) 1997: 6856-6859.

Patil NV. Les polymères intelligents sont dans l'avenir de la biotechnologie. Bioprocess International 4 (8) 2006: 42-46.

Stayton PS, Ding Z, Hoffman AS. Conjugués Smart Polymer-Streptavidin. Méthodes Mol. Biol. 283 2004: 37-44.

Varshosaz J. Systèmes d'administration d'insuline pour le contrôle du diabète. Brevets récents sur la découverte de médicaments endocriniens, métaboliques et immunitaires. 1 2007: 25-40.