Interactions de surface Adjuvant/Protéine dans les formulations de vaccins: un point de vue RMN – API-NMR

Plusieurs gels d’aluminium commercialement disponibles ont été retravaillés morphologiquement à l’aide de contraintes mécaniques (mécano-broyage contrôlé) et/ou thermiques (chauffage contrôlé). Ils ont ensuite été analysés à diverses échelles, du nanomètre au micromètre, grâce à des techniques telles que la diffraction des rayons X, la microscopie électronique (transmission ou balayage), l'analyse thermogravimétrique, etc. Les caractéristiques de surface ont été obtenues par potentiométrie zéta. Cet ensemble de modifications et de caractérisations structurales a permis de sélectionner les gels présentant les caractéristiques les plus contrastées.

Ces gels ont alors été testés pour évaluer leur capacité à adsorber une protéine modèle. Et là encore, les binômes gels/protéines les plus significatifs ont été préparés avec des molécules enrichies isotopiquement (N-15, C-13) pour une étude par résonance magnétique nucléaire (RMN) en condition de polarisation nucléaire dynamique. Cette dernière permet d'augmenter le signal nécessaire à l'étude de ces systèmes extrêmement dilués dans le cadre de la formulation vaccinale.

Il faut noter que la détermination de la structure du complexe de gel d’aluminium n'a été possible que grâce aux méthodes avancées de résonance magnétique nucléaire (RMN) des liquides et des solides. Cette technique de spectroscopie est en effet particulièrement adaptée à l'étude à l'échelle atomique des structures des molécules organiques et des solides inorganiques. Elle s'adapte donc aux deux éléments constitutifs d'un vaccin : l'antigène et l'adjuvant.

Cette étude a montré que :

1. Il est possible de modifier la structure, et plus particulièrement le degré de désordre structural, des adjuvants à base d'aluminium. Les approches par mécano-broyage contrôlé et par traitement thermique ont permis d'affecter la surface des nanoparticules adjuvantes utilisées dans les vaccins.

2. La caractérisation et la sélection des gels modifiés ont révélé une augmentation de l’affinité pour les antigènes par rapport au gel commercial non modifié. L'hypothèse de départ, qui supposait que cette affinité était corrélée au degré de cristallinité (ordre/désordre structural) de la surface, est donc confirmée.

3. L'interaction de surface entre les antigènes et les nanoparticules d'hydroxyde d'aluminium contenues dans les gels est de longue portée. Il n'y a donc pas d'ancrage chimique fort de l'antigène sur les particules, mais une interaction électrostatique faible.

4. De nouvelles stratégies de RMN-DNP ont permis de mettre en évidence une interaction entre les chaînes latérales des acides aminés de la protéine et les atomes d’aluminium des nanoparticules d'hydroxyde d'aluminium.

Après l’étude physico-chimique que nous avons entreprise, il faudrait envisager des études biologiques in vitro sur cellule et in vivo chez le petit animal (ce qui est hors du champ de compétence du consortium actuel). Les variations d'affinité adjuvant/protéine observées ne permettent en effet pas de prédire l'impact sur l'efficacité de la réponse immunologique.

Un autre type d’adjuvant à base d’aluminophosphate amorphe est traditionnellement utilisé dans certaines formulations vaccinales. Nous avons pu le modifier avec succès, mais il n’a pas pu être caractérisé en raison de son interaction avec les protéines. Il constitue toutefois la suite logique de l’étude actuelle, car toute la méthodologie mise en œuvre peut s'appliquer directement à ce dernier.

Les adjuvants à base d'hydroxyde d'aluminium peuvent absorber les antigènes protéiques d'une solution aqueuse et ce sont ces adjuvants, ainsi que ceux à base de phosphate d'aluminium, qui sont aujourd'hui largement utilisés dans la formulation des vaccins en raison de leurs comportements immunostimulants. Les données limitées de la littérature montrent que la réponse immunitaire d'une formulation de vaccin est liée (i) à la structure de l'adjuvant, (ii) aux propriétés de surface ainsi qu'à (iii) la nature de l'interaction avec les antigènes ; et soulignent le manque de compréhension approfondie des forces moléculaires pilotant l'adsorption/libération. Le but de ce projet est de caractériser les interactions protéines/adjuvants à un niveau fondamental en utilisant un antigène protéique modèle et en mettant en œuvre des approches de RMN de pointe à l'état solide pour décrire avec une résolution atomique l'interface protéine-adjuvant.