Pourquoi l’ARN circulaire pourrait-il être le prochain médicament révolutionnaire ?

Les vaccins à base d'ARN sont les héros de la pandémie de COVID-19, établissant le record du temps de développement le plus rapide de l'histoire, un an seulement après leur développement et leur approbation par la FDA. Plus récemment, la technologie de l'ARNm a été récompensée par le prix Nobel de physiologie ou médecine 2023, décerné à Katalin Kariko et Drew Weissman pour leur découverte de modifications des bases nucléosidiques qui ont conduit au développement de vaccins à ARNm efficaces contre la COVID-19.

Il est reconnu depuis longtemps que la technologie de l'ARN présente une limitation critique : l'ARN existe généralement sous une configuration linéaire, ce qui entraîne une durée de vie relativement courte pour cette forme d'ARNm. En quelques heures, les nucléases intracellulaires dégradent ces molécules. Si la nature transitoire de l'ARN ne pose pas de problème pour les vaccins, car il ne nécessite qu'une brève période pour coder les protéines qui déclenchent une réponse immunitaire, elle pose des défis pour la plupart des applications thérapeutiques où une stabilité prolongée de l'ARN est souhaitable. Les ARN circulaires (ARNcirc), avec leur structure en anneau fermé covalent, offrent un avantage significatif en se protégeant de la dégradation par les nucléases, améliorant ainsi leur stabilité et prolongeant leur durée de vie. Théoriquement, même à faible dose, l'ARN circulaire pourrait améliorer l'efficacité thérapeutique.

Découverte et développement de l'ARN circulaire

Les ARN circulaires ont été découverts pour la première fois en 1976, mais on pensait qu'ils étaient des sous-produits d'erreurs d'épissage de l'ARNm dans les cellules. En 2013, deux articles de recherche sur l'ARN circulaire ont été publiés simultanément dans la revue Nature. Ils soulignaient que l'ARN circulaire est un type d'ARN non codant à effet régulateur, régulant l'expression d'autres gènes en agissant comme une éponge à miARN. Cela fait de l'ARN circulaire, silencieux depuis plus de 30 ans, une nouvelle génération de molécules vedettes, dont on a découvert qu'il joue un rôle régulateur important dans la différenciation cellulaire, l'homéostasie tissulaire, le développement des maladies et le métabolisme immunitaire.

En juillet 2018, marquant un tournant dans l'histoire du développement de l'ARN circulaire, Daniel Anderson et d'autres chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont publié un article dans la revue Nature Communications, démontrant pour la première fois que l'ARN circulaire modifié peut exprimer des protéines de manière stable et efficace dans les cellules eucaryotes. L'application novatrice de l'ARN circulaire étranger à l'expression de protéines dans les cellules eucaryotes a également prouvé que l'ARN circulaire constitue un substitut efficace à l'ARNm linéaire.

L'essor de l'entrepreneuriat dans l'ARN circulaire

Sur la base de ces recherches, Daniel Anderson a fondé Orna Therapeutics, première entreprise au monde à développer de nouvelles thérapies utilisant l'ARN circulaire. La technologie de base de l'entreprise repose sur le développement d'une technologie de cyclisation de l'ARN, grâce à laquelle elle a obtenu une construction d'ARN circulaire ultra-longue permettant de cycliser l'ARNm de 12 000 nucléotides codant pour la dystrophine, une protéine déficiente dans la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD).

Mais Orna n'est pas la seule start-up à travailler sur la cyclisation ; d'autres entreprises adoptent une approche différente pour créer des ARN circulaires. Torque Bio, par exemple, intègre les instructions de fabrication d'ARN circulaire dans des virus et les épisse à l'intérieur de leurs cellules pour les fabriquer. Chimera Therapeutics utilise des bactéries génétiquement modifiées pour produire de l'ARN circulaire.

En outre, deux startups chinoises, Cyclocode Biology et Cremate, ont développé de nouvelles technologies de cyclisation de l'ARN dans des articles distincts publiés en prépublication l'année dernière.

Avantages et progrès de l'ARN circulaire

En parlant des avantages de l’ARN circulaire, Howard Chang de l’Université de Stanford soutient que vous pouvez obtenir une protéine suffisamment durable avec une seule injection.

En juillet 2022, l'équipe de Zhang Yuanhao a publié un article dans la revue Nature Biotechnology, qui a montré que grâce à de multiples conceptions d'optimisation, le rendement protéique d'une traduction d'ARN circulaire réussie a été augmenté de centaines de fois, ce qui peut permettre une production de protéines efficace et durable in vivo.

Zhang, avec le pionnier de l'ARNm Drew Weissman, lauréat du prix Nobel de physiologie ou médecine 2023, et d'autres, a fondé une société appelée Orbital Therapeutics, qui a clôturé un tour de table de série A de 270 millions de dollars au premier semestre de cette année.

Les partisans de la technologie de l’ARN circulaire s’attendent à ce qu’elle devienne la plateforme d’ARN de choix pour l’industrie pharmaceutique, ouvrant potentiellement la voie à la prochaine génération de vaccins, de thérapies pour les maladies rares et de médicaments anticancéreux.

Lors du développement de l'ARN circulaire comme thérapie, il est nécessaire de supprimer la séquence supplémentaire dans le processus de formation de l'anneau afin d'éviter de provoquer une réponse immunitaire inutile. Lingling Chen, chercheuse au Centre d'excellence en sciences moléculaires et cellulaires de l'Académie chinoise des sciences, explique que cela dépend en réalité de la manière dont l'ARN circulaire est construit. Ses recherches, publiées dans la revue Molecular Cell en novembre 2021, montrent que lors de la construction de l'ARN circulaire, la séquence laissée par le motif d'auto-épissage déforme le repliement de l'ARN, ce qui donne une structure annulaire irrégulière qui déclenche une réponse immunitaire.

Cependant, dans certains cas, une réponse immunitaire est souhaitable. En mars 2022, une équipe dirigée par le professeur Wei Wensheng de l'Université de Pékin a publié un article dans la revue Cell. L'étude a démontré chez la souris et le singe que, comparativement aux vaccins à ARNm linéaire, les vaccins à ARN circulaire induisaient davantage d'anticorps neutralisants et des réponses lymphocytaires T plus efficaces. De plus, l'ARN circulaire est plus stable à température ambiante que l'ARNm linéaire, ce qui signifie que les vaccins à base d'ARN circulaire peuvent être stockés et transportés sans nécessiter de chaîne du froid. Le professeur Wei Wensheng a fondé Cyranos Bio et a commencé les essais cliniques d'un vaccin à ARN circulaire contre la COVID-19. Il s'agit du premier essai d'un médicament synthétique à ARN circulaire chez l'homme. En 2023, d'autres médicaments à base d'ARN circulaire pourraient entrer en essais cliniques, notamment un traitement anticancéreux de CureVac qui utilise l'ARN circulaire pour coder l'interleukine-12 (IL-12), une molécule immunostimulante.

Orna se prépare à lancer un essai clinique d'une thérapie par ARN circulaire en 2024. Cette thérapie peut reprogrammer les cellules immunitaires pour lutter contre le cancer du sang. Lors de la conférence de l'American Society of Gene and Cell Therapy (ASGCT) en mai dernier, les scientifiques d'Orna ont présenté des résultats de recherche préclinique montrant que l'injection d'une faible dose d'ARN circulaire délivré par LNP chez la souris pouvait reprogrammer les lymphocytes T in situ et éliminer les tumeurs dans un modèle murin de leucémie, sans nécessiter de techniques complexes d'ingénierie cellulaire ni de traitements médicamenteux intensifs.

Les ARN circulaires synthétiques ne se contentent pas de coder des protéines thérapeutiques. Lorsqu'ils se replient selon des formes spécifiques, ces ARN circulaires peuvent également se lier directement à des cibles comme les anticorps, agissant ainsi comme des médicaments appelés aptamères. Ils peuvent capturer et isoler différents types de molécules régulatrices, les éliminant ainsi efficacement de l'environnement cellulaire. Ils peuvent également agir comme des « facteurs antisens » pour se lier aux transcrits génétiques (ARNm), bloquant ou modifiant leur expression. De plus, ils peuvent servir de molécules de guidage pour les applications d'édition d'ARN, dirigeant des enzymes spécifiques vers les transcrits génétiques mutants à corriger. Plusieurs startups explorent activement ces applications.

L'intelligence artificielle stimule la recherche sur l'ARN circulaire

En mai 2023, Huang Liang et Zhang Liang (actuellement professeur à l'Université pharmaceutique de Chine), tous deux de Baidu Research USA, en collaboration avec Sinovac, ont publié un article dans la revue scientifique internationale de renom Nature. Ils ont utilisé des outils d'intelligence artificielle (IA) pour optimiser la séquence d'ARNm du vaccin, contribuant ainsi à créer un ARNm plus efficace et plus stable.

Cette recherche fournit non seulement un outil opportun et prometteur pour les vaccins à ARNm, mais offre également un potentiel considérable pour que les thérapies à ARNm révolutionnent les soins de santé. LinearDesign, un outil de conception linéaire développé dans le cadre de l'étude, optimise l'ARNm codant pour toutes les protéines thérapeutiques, y compris les anticorps monoclonaux et les médicaments anticancéreux.

En juillet 2023, l'équipe a publié un article sur la prépublication bioRxiv, développant davantage la plate-forme d'algorithme circDesign pour la prédiction de la structure de l'ARN circulaire et la conception de séquences.

L'équipe de recherche a appliqué l'algorithme circDesign à la conception d'optimisation de séquence du vaccin contre la rage à base de circRNA et du vaccin contre le zona, ce qui a amélioré la stabilité de la séquence, l'efficacité de la traduction des protéines et l'immunogénicité du circRNA dans les modèles murins, et a vérifié avec succès l'efficacité de la plate-forme circDesign dans l'optimisation de la conception de la séquence du circRNA.

Il est rapporté qu'il s'agit du premier cas au monde d'optimisation de la conception de l'ARN circulaire grâce à des algorithmes d'intelligence artificielle, ce qui devrait simplifier la conception de l'optimisation de la séquence de l'ARN circulaire et améliorer l'efficacité, la stabilité et le niveau de traduction des protéines.

Le professeur Zhang Liang de l'Université pharmaceutique de Chine, co-créateur de l'algorithme circDesign et de LinearDesign, a déclaré que, par rapport à l'ARN linéaire, la conception de séquences pour l'ARN circulaire doit prendre en compte davantage de facteurs. L'équipe explore actuellement activement des algorithmes de conception pour différentes plateformes d'ARN. L'espoir est que l'IA accélère le développement de vaccins et de médicaments à ARN.

Problèmes avec l'ARN circulaire

De nouveaux progrès ont été réalisés dans le domaine de l’ARN circulaire, mais avec le développement du domaine, certains problèmes ont été mis en évidence.

En juin, Laronde, l'entreprise la mieux financée dans le domaine de l'ARN circulaire, dont le projet de recherche principal utilisait l'ARN circulaire pour exprimer le GLP-1 afin de perdre du poids, a été accusée d'avoir falsifié des données. Cet événement a également soulevé des doutes quant au potentiel des ARN circulaires.

Strand Therapeutics, une entreprise qui développe des thérapies à base d'ARNm basées sur la biologie synthétique, a également développé des thérapies à base d'ARNm circulaire, mais le cofondateur et PDG de l'entreprise, le Dr Jake Becraft, a déclaré que les ARNm circulaires étaient de la camelote ! Le nombre de défis liés au développement d'un médicament ou d'une thérapie à base d'ARNm circulaire est ahurissant et souvent négligé.

Le premier essai clinique d'un médicament à base d'ARN circulaire a été lancé en août. Cependant, les ARN circulaires sont loin de révolutionner le développement de médicaments, ni de tenir la promesse de Laronde de développer 100 nouveaux programmes thérapeutiques basés sur ces ARN d'ici la fin du siècle. La question de savoir si les avantages de l'ARN circulaire le rendront supérieur à d'autres traitements durables, comme la thérapie génique traditionnelle, ainsi qu'aux nouvelles thérapies d'édition génique, reste un domaine de recherche et de recherche scientifique en cours.

Alexander Wesselhoeft, premier auteur de l'article de 2018 qui a ouvert la voie à de nouvelles applications des ARN circulaires étrangers pour les protéines exprimées dans les cellules eucaryotes et cofondateur d'Orna Therapeutics, reste optimiste quant à l'utilisation des ARN circulaires. Il est désormais directeur de la thérapie par ARN au Brigham Institute for Gene and Cell Therapy du Massachusetts General Hospital. Il estime que malgré le grand succès des vaccins à ARNm linéaire, les ARN circulaires représentent l'avenir et constitueront le premier choix pour les technologies thérapeutiques à base d'ARN.