Acellular systems rapidly develop the potential of synthetic biology, opening the way for a new wave of applications in living organisms.

When engineering an organism, most laboratories synthesize genes, insert them into cells, and see if the desired effect occurs. There are many limitations to this approach. The process can be time consuming and often the genes do not work as expected. As a result, many in the field now view cell-free systems - an in vitro tool for studying biology - as an easily accessible approach for prototype genes before they are inserted into a living cell. Cell-free systems have some crucial advantages over living organisms and can be made from whole cell extracts or individually purified components, such as PURE.

Cell-free systems can be used to produce toxins in high yields, unlike living cells, and components can generally be added or removed without consequence, while the deletion in vivo of an protein could kill the cell.

Protein Production 2.0: Unblock unnatural chemicals

But then many still do not see the potential of cell-free systems: It's an incredibly powerful approach to dissecting complex biological problems. Synthetic biology laboratories now exploit acellular systems to produce proteins with unnatural chemical properties, to create prototypes of metabolic pathways and even to detect biomolecules of clinical importance in just a few minutes.

Cell-free systems have long been used to produce natural proteins because the preparation of an extract takes only a few days and toxic proteins can be produced while the chemical environment is tightly controlled. But some laboratories are looking beyond the production of natural proteins.

In living organisms, unnatural amino acids are usually incorporated into proteins with a method called Stop Codon Suppression. In this method, a rarely used stop codon, typically UAG, is reaffected to produce another protein. In this way, an orthogonal tRNA that recognizes UAG can be expressed, but instead of signaling the translation to stop, it incorporates an unnatural amino acid. More than 100 unnatural amino acids have been incorporated into proteins using this approach 3.

Compared to living cells, acellular systems have a higher tolerance to toxicity caused by unnatural components, no cellular membrane barrier limits the transport of unnatural amino acids, more flexible control of the reaction is possible by freely adjusting the composition of the system and there is a higher incorporation efficiency non-natural amino acids.

Beyond Protein Production: Acellular Systems for Prototyping Lanes

While synthetic biologists adopt acellular systems to produce proteins that are decorated with unnatural amino acids, others are eagerly applying new capabilities to simultaneously probe tens of interacting proteins.

Acellular systems are more than a prototyping tool of autonomous genetic parts.

These are tools to test entire metabolic pathways. By creating numerous cell extracts, each with only a portion of the expressed pathway, it is possible to transform cell-free systems into a modular system that can be used to assemble any desired pathway in vitro. This smart approach, combined with automation and machine learning, could dramatically accelerate the way scientists test combinations of metabolic pathways. Nevertheless, there are fundamental limitations to our ability to apply the results of cell-free systems to living organisms.

Sensors on demand

The abundance of data allowed by this approach even allows us to go beyond the metabolic pathways; this could also be useful for the creation of acellular systems for the clinical biosonde.

The cells constantly detect their environment, react to the signals and act with caution. It follows naturally that the brilliant reactivity and programmability of biology could then be used to detect molecules of clinical importance for humans.

Cell-free systems have been developed for biosensing applications, with the goal of accurately diagnosing disease in minutes rather than hours.

Biosensors have focused on the application of acellular systems to design genetically encoded biosensors that measure biomarkers in clinically relevant samples. Although many models of biosensors work in the laboratory, few have been tested on real clinical specimens.

The reason that cell-free systems are preferable to living systems [as biosensors] in some contexts is that tests are economical, fast, quantitative, scalable and automated, and reproducible. They also offer advantages for biocapture in that they can be lyophilized on surfaces such as paper, they are not genetically modified organisms and are therefore more acceptable for use in clinical and field environments.

In the coming years, cell-free systems will be increasingly used in the clinic, especially in situations where a rapid pre-test is desirable.

A more distant future without cells

Yuan Lu, for example, is considering the use of cell-free systems in areas other than biology. "For this to happen, cell-free systems can not simply focus on biological transcription and translation," he says. "To achieve revolutionary development, cell-free systems must be strongly integrated with materials science, neuroscience, electronic engineering, 3D printing, artificial intelligence and other next-generation technologies. . "

Ashty Karim believes that cell-free systems will be increasingly used for "direct-to-use" applications. "We will begin to look at cell-free sensors as diagnostics in agriculture, defense and medicine, and we will see on-demand biofabrication of therapies, vaccines and commodities," she said. he said, pointing out that these advances are made possible by improvements in cell-free preparations and mixtures, such as "cell-free systems that can glycosylate proteins and cell-free systems containing orthogonal transcription factors".

The most ambitious application of cell-free systems, exemplified by the Build-a-Cell Consortium, aims to build a minimal synthetic cell from scratch. According to Paul Freemont, a member of the consortium, this effort will be facilitated by cell-free systems. He explains, "If we build a series of modules that mimic various aspects of living systems [in cell-free systems] like motility, detection and regulation, then the real challenge will be how to interface these different modules to produce a more complex synthetic cell. ".

Les systèmes acellulaires développent rapidement le potentiel de la biologie synthétique, ouvrant la voie à une vague d’applications dans les organismes vivants.

Lors de l’ingénierie d’un organisme, la plupart des laboratoires synthétisent des gènes, les insèrent dans des cellules et voient si l’effet souhaité se produit. Il existe de nombreuses limites à cette approche. Le processus peut prendre beaucoup de temps et souvent, les gènes ne «fonctionnent» pas comme prévu. Par conséquent, nombreux sont ceux qui, sur le terrain, considèrent désormais les systèmes acellulaires — un outil in vitro pour étudier la biologie — comme une approche facilement accessible pour les gènes prototypes avant qu’ils ne soient insérés dans une cellule vivante. Les systèmes acellulaires possèdent certains avantages cruciaux par rapport aux organismes vivants et peuvent être fabriqués à partir d’extraits de cellules entières ou de composants purifiés individuellement, tels que le système PURE.

Les systèmes acellulaires peuvent être utilisés pour produire des toxines avec des rendements élevés, contrairement aux cellules vivantes, et des composants peuvent généralement être ajoutés ou supprimés sans conséquence, alors que la suppression d’une protéine in vivo pourrait tuer la cellule.

Production de protéines 2.0: débloquer des produits chimiques non naturels

Mais beaucoup ne voient pas encore tout le potentiel des systèmes sans cellules : C’est une approche incroyablement puissante pour disséquer des problèmes biologiques complexes. Des laboratoires de biologie synthétique exploitent désormais des systèmes acellulaires pour produire des protéines aux propriétés chimiques non naturelles, créer des prototypes de voies métaboliques et même détecter des biomolécules d’importance clinique en quelques minutes à peine.

Les systèmes acellulaires sont utilisés depuis longtemps pour produire des protéines, car la préparation d’un extrait ne prend que quelques jours et que des protéines toxiques peuvent être produites alors que l’environnement chimique est étroitement contrôlé. Mais certains laboratoires cherchent au-delà de la production de protéines naturelles.

Dans les organismes vivants, les acides aminés non naturels sont généralement incorporés dans les protéines avec une méthode appelée Stop Codon Suppression. Dans cette méthode un codon stop, typiquement un codon utilisé rarement, comme UAG, est réaffecté à la production d'une autre protéine. De cette manière, un ARNt orthogonal qui reconnaît UAG peut être exprimé, mais au lieu de signaler à la traduction de s’arrêter, il intègre un acide aminé non naturel. Plus de 100 acides aminés non naturels ont été incorporés dans des protéines en utilisant cette approche.

Par rapport aux cellules vivantes, les systèmes acellulaires ont une tolérance plus élevée à la toxicité causée par des composants non naturels, aucune barrière membranaire cellulaire ne limite le transport des acides aminés non naturels, un contrôle plus souple de la réaction est possible en ajustant librement la composition du système et il y a une efficacité d’incorporation plus élevée acides aminés non naturels.

Alors que les biologistes synthétiques adoptent des systèmes acellulaires pour produire des protéines décorées avec des acides aminés non naturels, d’autres appliquent avec empressement de nouvelles capacités pour sonder simultanément des dizaines de protéines en interaction.

Au-delà de la production de protéines: des systèmes acellulaires pour le prototypage de voies

Les systèmes acellulaires sont plus qu’un outil de prototypage de parties génétiques autonomes.

Ce sont des outils pour tester des voies métaboliques entières. En créant de nombreux extraits de cellules, chacun avec une seule partie de la voie exprimée, il est possible de transformer des systèmes sans cellules en un système modulaire pouvant être utilisé pour assembler toute voie désirée in vitro. Cette approche intelligente, associée à l’automatisation et à l’apprentissage automatique, pourrait accélérer considérablement la manière dont les scientifiques testent des combinaisons de voies métaboliques. Néanmoins, il existe des limites fondamentales à notre capacité d’appliquer les résultats de systèmes sans cellules à des organismes vivants.

Capteurs à la demande

L’abondance de données que permet cette approche permet même d’aller au-delà des voies métaboliques; cela pourrait également s’avérer utile pour la création de systèmes acellulaires pour la biosonde clinique.

Les cellules détectent constamment leur environnement, réagissent aux signaux et agissent avec précaution. Il s’ensuit naturellement que la brillante réactivité et la programmabilité de la biologie pourraient ensuite être mises à profit pour détecter des molécules d’importance clinique pour l’homme.

Des systèmes sans cellules ont été mis au point pour les applications de biodétection, dans le but de permettre de diagnostiquer avec précision les maladies en quelques minutes plutôt qu’en quelques heures.

Les biocapteurs se sont concentrés sur l’application de systèmes acellulaires pour concevoir des biocapteurs codés génétiquement qui mesurent des biomarqueurs dans des échantillons cliniquement pertinents. Bien que de nombreux modèles de biocapteurs fonctionnent en laboratoire, rares sont ceux qui ont été testés sur de vrais échantillons cliniques.

La raison pour laquelle les systèmes sans cellules sont préférables aux systèmes vivants [comme biosenseurs] dans certains contextes est que les tests sont économiques, rapides, quantitatifs, évolutifs et automatisés, et reproductibles. Ils offrent également des avantages pour la biocapture en ce sens qu’ils peuvent être lyophilisés sur des surfaces telles que le papier, ils ne sont pas des organismes génétiquement modifiés et sont donc plus acceptables pour une utilisation en environnement clinique et sur le terrain.

Dans les années à venir, des systèmes sans cellules seront de plus en plus utilisés en clinique, en particulier dans les situations où un test préliminaire rapide est souhaitable.

Un avenir plus éloigné sans cellules

Yuan Lu, par exemple, envisage l’utilisation de systèmes sans cellules dans d’autres domaines que la biologie. «Pour que cela se produise, les systèmes acellulaires ne peuvent pas simplement se concentrer sur la transcription et la traduction biologiques», dit-il. «Pour parvenir à un développement révolutionnaire, les systèmes sans cellules doivent être fortement intégrés à la science des matériaux, aux neurosciences, au génie électronique, à l’impression 3D, à l’intelligence artificielle et à d’autres technologies de la prochaine génération.»

Ashty Karim pense que les systèmes sans cellules seront de plus en plus utilisés pour des applications «à utilisation directe». «Nous commencerons à considérer les capteurs sans cellules comme des diagnostics dans les domaines de l’agriculture, de la défense et de la médecine, et nous verrons la biofabrication à la demande de thérapies, de vaccins et de produits de base», a-t-il déclaré, soulignant que ces progrès sont rendus possibles par des améliorations des extraits préparations et mélanges sans cellules, tels que «des systèmes sans cellules pouvant glycosyler des protéines et des systèmes sans cellules contenant des facteurs de transcription orthogonaux».

L’application la plus ambitieuse de systèmes sans cellules, illustrée par le consortium Build-a-Cell, vise à construire une cellule synthétique minimale à partir de rien. Selon Paul Freemont, un membre du consortium, cet effort sera facilité par des systèmes sans cellules. Il explique que «Si nous construisons une série de modules qui imitent divers aspects des systèmes vivants [dans les systèmes sans cellules] comme la motilité, la détection et la régulation, alors le véritable défi sera de savoir comment mettre en interface ces différents modules pour produire une cellule synthétique plus complexe. ".

Est-il possible qu'un médicament traitant l'insuffisance cardiaque congestive puisse améliorer la respiration des personnes atteintes de SLA? Ou qu'un médicament utilisé pour traiter le cancer pourrait réduire l'inflammation des motoneurones et éventuellement ralentir la progression de la maladie?

La réutilisation de médicaments n'est pas une idée nouvelle. De nombreux médicaments ont trouvé une nouvelle fonction - par exemple le tamoxifène, développé à l'origine pour traiter le cancer du sein, est maintenant utilisé dans le traitement du trouble bipolaire.

Alors, comment un médicament qui traite une maladie peut-il agir pour une autre maladie?

De toute évidence, une fois qu'un médicament pénètre dans l'organisme, nous avons peu de contrôle sur son acheminement. Bien qu'il puisse être conçu pour traiter, par exemple, les cellules du rein, il se rend et interagit également dans d'autres endroits. Ce sont ces effets "non ciblés" qui sont à l’origine des effets secondaires des médicaments. Parfois, cependant, cette perturbation peut avoir des effets positifs et ce sont ces résultats bénéfiques que la réutilisation de médicaments tente d’exploiter.

Cependant, nous ne pouvons pas prendre un médicament approuvé et le donner à des personnes atteintes d’une autre maladie simplement parce que nous pensons que cela pourrait fonctionner pour elles. Des tests pré-cliniques et des essais cliniques sont toujours nécessaires. Une dose sûre doit être établie pour la nouvelle cible thérapeutique, un certain degré d'efficacité doit être constaté et nous devons bien comprendre les avantages et les risques avant que le médicament puisse être rendu disponible en tant que nouveau traitement.

MIROCALS - IL-2: du traitement du cancer à la protection des motoneurones

Cet essai teste l'interleukine-2 (IL-2), un médicament déjà utilisé pour traiter certaines formes de cancer. L'IL-2 est produite naturellement par le corps. Son rôle principal est de promouvoir la production de cellules T régulatrices (ou Tregs) - une partie du système immunitaire censée jouer un rôle dans la protection des cellules nerveuses contre les dommages. Le médicament IL-2 peut augmenter les niveaux de Treg dans le sang et pourrait donc protéger les motoneurones dans la SLA, ralentissant ainsi la progression de la maladie.

Des études ont déjà identifié la dose la plus faible d’IL-2 qui déclenche toujours une augmentation des Treg sans effets secondaires graves.

Le but de cet essai de phase 2 est d’évaluer l’innocuité et l’efficacité de l’IL-2 et de confirmer que la modification de la réponse immunitaire par l’augmentation du taux de Treg ralentira la progression de la SLA. L’étude recrutera 216 participants et les résultats sont attendus à l’automne 2021.

TUDCA - un traitement pour une maladie du foie qui pourrait protéger les motoneurones de la mort cellulaire programmée

L'acide tauroursodésoxycholique (TUDCA) est un acide biliaire. Les ours contiennent de grandes quantités de TUDCA dans leur bile.

TUDCA prévient l'apoptose des cellules grâce à son rôle inhibiteur dans le transport de BAX vers les mitochondries.

TUDCA est un sel biliaire hydrosoluble utilisé dans le traitement de la cholestase, une maladie du foie dans laquelle l'acide biliaire s'accumule dans un foie malsain, endommageant les cellules en détruisant les membranes et en signalant la mort cellulaire. TUDCA semble également réduire le stress du réticulum endoplasmique (ER), un organite de la cellule qui facilite le repliement des protéines. En réduisant le stress du réticulum endoplasmique, TUDCA peut protéger contre les dommages neurologiques.

Le but de cet essai de phase 3 est d'évaluer l'innocuité et l'efficacité de TUDCA en tant que traitement complémentaire au riluzole, mesuré par l'amélioration des scores ALSFRS-R, chez 440 personnes atteintes de SLA et devrait s'achever à l'été 2022. L'ALSFRS -R est utilisé pour évaluer et surveiller les changements fonctionnels chez une personne atteinte de SLA au fil du temps. Il consiste en 12 questions qui traitent d’aspects de la vie quotidienne de la personne, chacune d’elles étant notée par la personne de 4 à 0, 4 étant «normales».

Vous pouvez en savoir plus sur l’essai clinique TUDCA sur le site Web de TUDCA et sur

Perampanel - un antiépileptique qui pourrait prévenir l’accumulation toxique de TDP-43

Il s'agissait du premier médicament antiépileptique de la classe des antagonistes sélectifs non compétitifs des récepteurs AMPA. Ce médicament peut entraîner de sérieux changements psychiatriques et comportementaux; il peut provoquer des pensées homicidaires ou suicidaires. Dans un modèle murin de SLA, il a été prouvé que Perampanel empêchait la mort des motoneurones en stoppant l'accumulation toxique de la protéine TDP-43. Un traitement au Perampanel à long terme a également entraîné une amélioration visible de la fonction motrice chez les souris traitées.

Le but de cet essai de phase 2 est d'évaluer l'effet du Perampanel sur la progression de la maladie (mesuré par ALSFRS-R) chez 60 personnes atteintes de SLA sporadique. Les résultats sont attendus pour l'hiver 2022. Pour en savoir plus sur cet essai, allez sur

Ranolazine - le médicament contre l'angine de poitrine qui peut être neuroprotecteur

Utilisée pour traiter l'angine de poitrine (douleur thoracique), la ranolazine agit en inhibant l'accumulation d'ions sodium et de calcium dans les cellules, bien que la manière dont cela traite l'angine ne soit pas entièrement comprise. Les ions calcium jouent un rôle important dans l'hyperexcitabilité lorsque les neurones «se déclenchent» plus qu'ils ne le feraient normalement, provoquant des fasciculations (contractions musculaires), l'un des premiers symptômes de la SLA. La ranolazine peut avoir un effet neuroprotecteur en réduisant l'hyperexcitabilité neuronale, ralentissant ainsi la progression de la maladie et en réduisant la fréquence des crampes.

L'essai de phase 2 évaluera l'innocuité et l'efficacité de la ranolazine chez 20 personnes atteintes de SLA et devrait s'achever à l'été 2019. Pour en savoir plus, consultez

Pimozide - un antipsychotique qui pourrait améliorer la fonction musculaire

Le pimozide est utilisé dans le traitement de la schizophrénie et dans la réduction des tics musculaires incontrôlés associés au syndrome de Tourette. Il agit en diminuant l’activité de la dopamine, un neurotransmetteur qui permet d’envoyer des messages entre les cellules du cerveau. Chez les personnes atteintes de SLA, les dommages aux motoneurones entraînent une rupture de la communication entre les neurones et les muscles situés à la jonction neuromusculaire (NMJ). Il a été démontré que le pimozide améliore la communication au NMJ chez la souris et le poisson dans le but d'améliorer la fonction musculaire.

Cette étude de phase 2 examinera si le pimozide peut aider à ralentir la progression de la SLA chez 100 personnes atteintes de la maladie. L'essai devrait s'achever à la fin de 2019 et vous pouvez en savoir plus sur

Rapamycine - le médicament anti-rejet qui peut prévenir la neurodégénérescence

Utilisée pour prévenir le rejet d’organes greffés, la rapamycine agit en affaiblissant le système immunitaire du corps pour l’accepter plus facilement. L’incapacité du neurone à éliminer l’accumulation de protéines dans le cytoplasme et une fonction déséquilibrée du système immunitaire qui endommage les neurones moteurs (neurotoxicité) plutôt qu'assurer leur protection sont deux influences potentielles dans le développement de la SLA. Ces deux mécanismes représentent des cibles thérapeutiques importantes. Dans des modèles de neurodégénérescence, il a été démontré que la rapamycine peut supprimer les réponses neurotoxiques inflammatoires provoquées par les cellules T (les cellules T font partie du système immunitaire et protègent généralement les cellules nerveuses contre les dommages) et aident à la dégradation des protéines accumulées dans le cytoplasme.

L'objectif de cet essai de phase 2, qui impliquera 63 personnes atteintes de SLA, est d'obtenir des informations prédictives pour une étude de plus grande envergure. Son achèvement est prévu pour l'automne 2019. Pour en savoir plus, consultez la page

Peu de personnes atteignent l’âge de 80 ans sans qu’une sorte de neuropathologie ne se soit développée dans leur cerveau, et la multi-pathologie est la norme. Les neuropathologistes observent couramment des inclusions cytoplasmiques de TDP-43 phosphorylé dans des échantillons de cerveau post-mortem avec ou sans les plaques Aβ et les enchevêtrements neurofibrillaires qui définissent la maladie d'Alzheimer.

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Les inclusions contenant cette protéine de liaison à l'ARN ont été impliquées pour la première fois dans la SLA et la FTD il y a plus de dix ans. Peu de temps après, des neuropathologistes ont repéré la pathologie TDP-43 chez des personnes qui avaient des symptômes de maladie d'Alzheimer, et non de FTD (Amador-Ortiz et al., 2007). Elle accompagnait souvent la sclérose de l'hippocampe, un hippocampe rétréci ravagé par la gliose. Plus d'une décennie auparavant, Dickson avait décrit des cas curieux de sclérose de l'hippocampe chez des personnes atteintes de démence sans pathologie de la maladie d'Alzheimer (Dickson et al., 1994).

Les chercheurs soupçonnent maintenant qu'une grande partie de ces cas, ainsi que des cas plus récent, étaient causés par une protéinopathie TDP-43.

Au cours des dix dernières années, plusieurs études ont décrit l’évolution clinique et pathologique de cette protéinopathie TDP-43, récemment baptisée LATE. On peut citer une étude sur TDP-43, dans des échantillons de cerveau post-mortem de près de 1 000 participants décédés, dans le cadre du projet Rush Memory and Aging Project et RUD-MAP (ROS-MAP) (James et al., 2016). La moitié des participants étaient atteints de la pathologie TDP-43 et 37% des participants étaient atteints à la fois de la pathologie TDP-43 et de la maladie d'Alzheimer. Les personnes ayant les deux pathologies étaient plus susceptibles d'être atteinte de démence clinique que celles qui étaient atteinte d'une seule pathologie. Cette étude proposait un schéma de stadification pathologique, dans lequel la pathologie TDP-43 atteignait l'amygdale au stade 1, puis l'hippocampe et le cortex entorhinal au stade 2, et enfin le néocortex au stade 3. Une fois que la pathologie s'étend au-delà de l'amygdale, elle se corrèle bien avec une déficience cognitive.

LATE est une proposition d'une nouvelle maladie neurodégénérative courante, qui a été baptisée ainsi par un groupe international de pathologistes, cliniciens et épidémiologistes dans un rapport de consensus publié le 30 avril dans Brain.

Ce groupe international prédit que cette maladie concerne un diagnostic clinique de maladie d'Alzheimer sur cinq. Dans leur article, rédigé à la suite d’un atelier tenu à Atlanta à l’automne dernier, les chercheurs de Peter Nelson, de l’Université du Kentucky à Lexington, ont résumé les décennies de recherche qui ont précédé l’appellation du terme. Ils décrivent les caractéristiques de LATE, proposent des moyens de la classer et de la diagnostiquer, et appellent au développement de biomarqueurs et de thérapies spécifiques.

Un cas typique d’encéphalopathie TDP-43 liée à l’âge prédominant dans le limbique (LATE), serait celui d'une femme de 86 ans qui développerait les symptômes amnésiques classiques de la maladie d’Alzheimer au cours de ses dernières années de vie, mais à l’autopsie, son cerveau ne porterait plus qu’un fardeau modeste de plaques Aβ et de tau enchevêtrement. Au lieu de cela, les inclusions de TDP-43 auraient envahi ses régions limbiques.

La pathologie LATE coïncide souvent avec la sclérose de l'hippocampe, mais cette dernière n'est pas nécessaire pour un diagnostic.

Quelle est la fréquence de LATE? Les chercheurs de ROSMAP, dirigés par Julie Schneider de Rush, ont analysé à nouveau les données de leur cohorte afin de prendre en compte la mise en scène neuropathologique proposée. Ils estiment l’impact du LATE à environ la moitié de celui de la maladie d'Alzheimer chez les personnes âgées et égal à l’impact combiné de toutes les neuropathologies vasculaires. Cela rendrait LATE environ 100 fois plus répandu que le FTD.

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La co-occurrence des neuropathologies maladie d'Alzheimer et LATE chez les personnes âgées complique l'interprétation des essais thérapeutiques spécifiques à la maladie d'Alzheimer et peut même masquer des résultats positifs, a noté Nelson.

On peut se demander quelle est l'utilité de l'introduction d'une nouvelle maladie définie et pouvant être diagnostiquée jusqu'à présent uniquement grâce aux résultats neuropathologiques obtenus post mortem?

Comment les chercheurs vont-ils différencier la nouvelle maladie proposée de la maladie d'Alzheimer? Il n’existe pas de biomarqueurs de fluide ni de traceurs PET pour détecter la pathologie de TDP-43, bien que des chercheurs s’y intéressent. La localisation intracellulaire du TDP-43 et son faible fardeau pathologique compliquent le développement de biomarqueurs. Pour le moment, le mieux que le diagnostiqueur puisse faire est de suivre un processus d'élimination.

Une fois que les biomarqueurs existeront, ils faciliteront les efforts de découverte de médicaments ciblés sur LATE, par exemple sur ses agrégats de TDP-43. Étant donné que les neuropathologies comorbides chez les personnes à risque de LATE pourraient potentiellement interagir (Robinson et al., 2018), Trojanowski a proposé un cocktail immunothérapeutique d'anticorps dirigés contre Aβ, tau, TDP-43 et α-synucléine

Dans la sclérose en plaques et plusieurs autres troubles cérébraux, la gaine protectrice entourant les neurones, appelée myéline, se décompose, ce qui perturbe à son tour la transmission des signaux nerveux. Des chercheurs du système de santé VA Maryland et de la faculté de médecine de l’Université du Maryland ont trouvé un nouveau moyen de reconstruire la myéline avec un type de cellule souche qui vit dans les follicules pileux.

Les chercheurs se sont concentrés sur les cellules souches qui créent les mélanocytes, cellules qui produisent les pigments dans les follicules pileux matures. Ils ont découvert que les cellules souches avec une protéine de surface appelée CD34 peuvent se développer dans les cellules gliales qui forment la myéline. Ils décrivent dans la revue PLOS Genetics, comment ils ont implanté des cellules souches CD34 positives chez des souris conçues pour être dépourvues de gaine de myéline, les revêtements protecteurs formés autour de leurs neurones.

Pourquoi les cheveux? Les mélanocytes que l’on trouve dans les cheveux proviennent en réalité de cellules de la crête neurale, qui peuvent également générer des neurones et des cellules gliales, ont expliqué les chercheurs. La même équipe avait précédemment découvert deux populations de cellules souches produisant des mélanocytes dans des follicules pileux matures. Après des recherches plus poussées, ils ont découvert que seules les cellules CD34-positives se sont transformées en cellules gliales.

Les chercheurs pensent que si des cellules souches CD34-positives peuvent être trouvées dans les cheveux, elles pourraient être examinées en tant que source potentielle de nouveaux traitements pour la SEP et d’autres maladies démyélinisantes, ainsi que pour les lésions nerveuses.

Trouver de nouvelles façons de reconstruire la myéline est une priorité pour les chercheurs en neurologie, qui ont étudié diverses idées pour réaliser cet exploit. Des scientifiques de l’Université de Chicago s’emploient à fabriquer un dérivé sans danger d’un ancien médicament contre l’hypertension, le Wytensin (guanabenz), depuis qu’ils ont découvert qu’il protégeait la myéline. D’autres approches se concentrent sur l’utilisation de micro-ARN pour régénérer la myéline et la reprogrammation des cellules de la peau des patients en cellules réparant la myéline.

L’évaluation du potentiel des cellules cutanées dans la réparation de la myéline est également une priorité de l’équipe du Maryland. Ils prévoient de poursuivre des études visant à élucider les sources potentielles, ainsi que les fonctions, de différentes cellules qui contribuent à la protection et à la réparation des neurones.

"A l’avenir, nous prévoyons de poursuivre nos recherches dans ce domaine en déterminant si ces cellules peuvent améliorer la récupération fonctionnelle après une lésion neuronale", a déclaré le co-auteur Thomas Hornyak, MD, Ph.D., professeur agrégé de dermatologie à l’Université de Toronto. Maryland, dans la déclaration. Il a ajouté qu’ils espéraient exploiter l’information contenue dans l’ensemble du génome recueillie dans le cadre de cette étude pour déterminer si des cellules similaires pourraient être générées à partir de cellules cutanées.

Le laboratoire Johnson & Johnson collaborait déjà avec l’université de Boston pour créer l’atlas du génome précancéreux du poumon, une carte des modifications moléculaires et cellulaires caractérisant les lésions pulmonaires. Ils espèrent que ces informations aideront les chercheurs et les cliniciens à améliorer les méthodes de prévision et d’interception du cancer du poumon avant son apparition.

La branche Innovation du laboratoire Johnson & Johnson et l’Université de Boston a constitué un projet d’étude commun pour investiguer s’il serait possible de détecter les lésions pulmonaires avant qu’elles ne deviennent cancéreuses. En effet l’apparition d’un cancer est un phénomène qui prend du temps, souvent des années voire des dizaines d’années chez les fumeurs. Le tissu passe par différentes étapes pré-cancéreuses tout à fait identifiables par biopsie.

En effet l’exposition à la fumée de cigarette crée des micro-blessures dans l’ensemble des voies respiratoires en induisant diverses altérations génomiques, où se développent des lésions précancéreuses. Le carcinome épidermoïde du poumon (LUSC) apparaît dans la couche épithéliale des voies respiratoires bronchiques et est souvent précédé par le développement de lésions malignes suivant une progression histologique progressive de l’épithélium normal à l’hyperplasie, la métaplasie épidermoïde, la dysplasie (légère, modérée et grave), le carcinome in situ (CIS), et finalement à carcinome du poumon invasif puis métastatique.

En fait, la présence de dysplasie persistante ou progressive de haut grade (modérée ou sévère) est un marqueur de risque accru de cancer du poumon, à la fois au site de la lésion (où ils sont les précurseurs présumés du cancer du poumon à cellules squameuses) et ailleurs dans le poumon, bien que de nombreuses lésions dysplasiques ont des résultats variés

La bronchoscopie peut être pratiquée à des fins diagnostiques ou thérapeutiques, dans les maladies de l’axe trachéo-bronchique et du poumon. Outre l’examen morphologique de la trachée et de l’arbre bronchique, elle permet la réalisation de biopsies, l’instillation de médicaments, et la pose de prothèses. Les travaux antérieurs de ces chercheurs avaient étudié de manière approfondie les altérations de l’expression des gènes dans l’épithélium des voies respiratoires d’aspect normal en profilant les cellules obtenues en brossant la bronche principale pendant la bronchoscopie. Dans cette étude, les chercheurs ont eu recours à la bronchoscopie pour obtenir des lésions précancéreuses à plusieurs reprises, sur plusieurs années, afin de pouvoir surveiller si elles avaient progressé ou régressé vers un cancer du poumon invasif. Des brosses bronchiques d’apparence normale et des biopsies endo-bronchiques ont été recueillies au cours de la même procédure, ce qui a permit d’identifier les différences d’expression génique dans les brossages.

Les biopsies ont été regroupées en quatre sous-types génomiques: prolifératif, inflammatoire, sécrétoire et de type normal. Les brosses classées comme proliférantes ont une expression accrue des voies du cycle cellulaire et une expression diminuée des gènes associés aux cils, suggérant qu’elles ressemblent davantage à la métaplasie squameuse que l’épithélium normal. Potentiellement, un sous-groupe de patients peut présenter des lésions étendues des voies respiratoires qui servent de marqueur de la dysplasie bronchique proliférative, entraînant une sensibilité modeste, mais une spécificité élevée. Dans d’autres cas, la zone d’endommagement peut être plus localisée, et donc difficile à détecter par brossage, contribuant ainsi à une diminution de la sensibilité. Ces résultats suggèrent que des traitements visant à cibler les modifications sur l’ensemble de l’épithélium des voies respiratoires pourraient être nécessaires chez certains sujets, alors qu’une ablation plus spécifique au site pourrait être plus efficace dans certains cas.

L’équipe a utilisé le séquençage d’ARNm pour déterminer le statut des biopsies bronchiques et des brossages obtenus auprès de fumeurs à haut risque. Les chercheurs ont découvert que dans le groupe prolifératif — le sous-type le plus dangereux lié à la progression de la maladie — il existait une suppression significative des gènes codant pour les protéines impliquées dans les réponses immunitaires, notamment la signalisation par interféron et le traitement et la présentation de l’antigène. Cela qui suggère un environnement immunitaire altéré.

Les données suggèrent qu’il existe des altérations transcriptomiques spécifiques à un sous-type, prédictives de la progression ultérieure de la lésion précancéreuses, qui résultent d’un manque d’infiltration de cellules immunitaires dans le micro-environnement de la lésion. Ces données suggèrent que ces biomarqueurs permettant de déterminer le sous-type de lésions précancéreuses et d’évaluer l’infiltration immunitaire pourraient être utiles pour la détection de lésions précancéreuses agressives. Les gènes altérés dans ces lésions précancéreuses pourraient donc servir de candidats à la chimio-prévention des poumons.

Ces biomarqueurs pourraient être mesurés directement dans un tissu de la lésion ou dans un tissu de substitution tel que l’épithélium des voies respiratoires bronchiques. Un avantage des biomarqueurs prédictifs du comportement agressif des lésions précancéreuses mesurés dans un tissu de substitution est le potentiel que ces biomarqueurs pourraient également prédire le comportement des lésions précancéreuses non directement observées lors de la bronchoscopie.

Cette étude indique la voie pour formuler des stratégies pour identifier les personnes en incubation du cancer du poumon et intervenir de façon précoce lors du développement d’une maladie invasive.

Déception pour le Selonsertib dans le traitement du NASH.

Le médicament que Gilead propose pour traiter le NASH, Selonsertib, a déçu encore une fois dans un essai clinique de phase 3.

Cette nouvelle survient alors que le Selonsertib avait déjà échoué lors d’une autre étude de phase 3 portant sur environ 900 patients atteints de cirrhose liée à la NASH, ou fibrose au stade 4. Bien que la dose la plus élevée avait obtenu une amélioration légèrement supérieure au placebo (14% contre 13%), elle n’avait pas surperformé statistiquement par rapport au placebo. La dose inférieure, elle, avait fait pire que le placebo!

Etude actuelle

Cette fois-ci, deux dosages différents du médicament ont eu un effet pire que le placebo sur la réduction des cicatrices chez les patients atteints de stéatose hépatique non alcoolique (NASH).

L’étude de phase 3 STELLAR-3 a inclus plus de 800 patients atteints de fibrose de pontage liée à la NASH - ainsi nommée parce que la fibrose «ponte» les lobules du foie et les veines centrales du foie. Les patients avaient été randomisés pour recevoir soit le Selonsertib (avec deux dosages possibles) ou le placebo (un inhibiteur de l'ASK1), une fois par jour. Après 48 semaines, les investigateurs ont examiné combien de patients présentaient une amélioration de la fibrose d'au moins un stade, c'est-à-dire combien de cicatrices de patients étaient réduites à une fibrose de stade 2 ou même de stade 1, sans aggravation de la NASH.

Les résultats sont décevants. Sur les 322 patients ayant reçu la dose la plus élevée de Selonsertib, seuls 9% ont obtenu une amélioration. La dose inférieure s'est un peu améliorée, avec 12% des 321 patients obtenant une amélioration ≥ 1 stade de la fibrose. Mais les deux doses ont été surperformées par le placebo, qui a diminué la fibrose chez 13% des 159 patients.

Comment celà impacte-il la stratégie de Gilead?

«Nous espérions des résultats différents du programme STELLAR, mais nous restons concentrés et engagés dans le développement de traitements très efficaces pour les patients atteints de fibrose avancée due à la NASH. Nous explorons activement les données STELLAR et travaillons avec des collaborateurs externes tels que PathAI et insitro pour approfondir notre compréhension de cette maladie complexe et faire progresser nos programmes de développement », a déclaré le directeur scientifique et directeur de Gilead, John McHutchison, MD.

McHutschison a également fait part de son espoir dans les autres programmes NASH de Gilead: «Nous pensons qu’une thérapie efficace contre la NASH nécessitera en définitive une approche combinée ciblant des voies distinctes impliquées dans la pathogenèse de cette maladie. À cet égard, nous attendons avec intérêt les données de l’essai ATLAS de phase 2 portant sur le Selonsertib, le Cilofexor et le Firsocostat chez des patients présentant une fibrose avancée due à la NASH, qui seront disponibles plus tard cette année », a-t-il déclaré.

Gilead a acheté les droits du cilofexor et du firsocostat respectivement auprès de Phenex Pharmaceuticals et de Nimbus Therapeutics. Au début d’avril 2019, Gilead a annoncé que la combinaison des deux avait entraîné une amélioration de la stéatose hépatique, de la raideur hépatique, de la biochimie hépatique et des marqueurs de la fibrose sérique dans le cadre d'une petite étude portant sur 20 patients.

Inconvénients des traitements avec des CAR-T personnalisés

Les traitements CAR-T personnalisés pour les leucémies et les lymphomes (cellules T du récepteur antigénique chimérique), ont offert un nouvel espoir aux patients atteints d’une maladie difficile à traiter, mais ces thérapies peuvent provoquer une réaction immunitaire dangereuse appelée syndrome de libération de cytokines (CRS).

Le lymphome à cellules B est une tumeur maligne du système immunitaire humain. Certains cas sont traités avec des cellules immunitaires non cancéreuses qui ont été isolées du patient et génétiquement modifiées. Mais ces cellules CAR-T peuvent provoquer des effets indésirables graves, notamment une défaillance de plusieurs organes.

Le CRS se produit lorsque des cellules immunitaires libèrent un flux de substances (cytokines) dans le sang qui provoque des symptômes tels que fièvre, éruption cutanée, troubles respiratoires et gonflement du cerveau. Étant donné que ces effets secondaires peuvent mettre la vie en danger des patients, de nombreux bénéficiaires de CAR-T doivent être traités en hospitalisation.

Travaux en cours pour remédier à ce problème

Depuis que la FDA a approuvé deux traitements CAR-T en 2017, Kymriah de Novartis et Yescarta de Gilead, les chercheurs en oncologie expérimentent différentes méthodes pour rendre la technologie plus sûre. L’année dernière, Cynata Therapeutics, basée à Melbourne, a annoncé avoir mis au point des cellules souches mésenchymateuses capables de contenir les réactions de CRS. Les scientifiques du Centre de recherche sur le cancer Fred Hutchinson ont identifié des biomarqueurs capables de prédire le CRS et expérimentent différentes variétés et dosages de cellules CAR-T.

Des chercheurs ont mis au point un nouveau type de CAR-T pour éliminer cet effet indésirable. Si-Yi Chen de l’Université de Californie du Sud à Los Angeles et Jun Zhu de l’Hôpital et de l’Institut de cancérologie de l’Université de Pékin à Beijing et leurs collègues ont modifié une partie d’un récepteur situé sur les cellules T et ont montré l’intérêt de cette approche dans une petite étude réalisée sur l’être humain. Bien qu’il soit nécessaire de mener de plus amples investigations, toute étude réalisée sur des êtres humains est à priori plus crédible que les autres types d’études réalisées sur des animaux modèles.

Les 25 participants à l’étude ont reçu une gamme de doses de lymphocytes T, mais aucun des participants n’a signalé d’effets secondaires graves. Sur un sous-groupe de 11 participants ayant reçu une dose particulière de lymphocytes T modifiés, 6 sont entrés en rémission complète.

La recherche de l’USC La recherche de l’USC visait à trouver une molécule CAR (récepteur d’antigène chimérique) plus sûre que celle utilisée dans les deux thérapies CAR-T approuvées par la FDA, qui tuent toutes les deux les cellules cancéreuses portant le CD19. Ils ont travaillé sur une variante de la CAR appelée CD19-BBz (86).

Lorsque les cellules T ont été transduites avec CD19-BBz (86) en laboratoire, elles ont produit des niveaux plus bas de cytokines, tout en maintenant leur capacité à tuer les cellules tumorales CD19, a rapporté l’équipe dirigée par l’USC. Les cellules CAR-T CD19-BBz (86) n’ont pas provoqué de CRS chez la souris.

Les chercheurs ont ensuite testé les cellules à trois doses différentes au cours de l’essai clinique. Les six patients ayant obtenu une rémission ont reçu la dose la plus élevée et cinq d’entre eux étaient toujours indemnes de maladie plus de six mois après avoir reçu les cellules CAR-T. Deux patients supplémentaires dans cette branche de l’essai ont présenté des rémissions partielles. Certains des participants à l’étude ont signalé des effets secondaires bénins, mais aucun n’a nécessité de traitement, selon les auteurs.

«Les toxicités sont actuellement le principal obstacle à l’utilisation de la thérapie CAR-T», a déclaré le principal auteur Si-Yi Chen, MD, Ph.D., professeur à la Keck School of Medicine de l’USC. «J’espère que cette version plus sûre de la thérapie par cellules T CAR pourrait un jour être administrée à des patients en consultation externe. "

Le médicament dénommé Jardiance d’Eli Lilly et de Boehringer Ingelheim, joue déjà un rôle de premier plan dans le traitement du diabète de type 2. Toutefois, les sociétés ont pour objectif de faire approuver ce médicament pour traiter les patients insuffisants cardiaques atteints de diabète, et elles peuvent désormais faire état de résultats précliniques prometteurs dans cette indication.

Des chercheurs de la faculté de médecine Mount Sinai Icahn de New York ont ​​en effet montré que, dans un modèle d'insuffisance cardiaque chez le porc, Jardiance (empagliflozine) améliorait la fonction cardiaque. L’étude a montré qu’après deux mois de traitement avec le médicament, les ventricules gauches du cœur de l’animal devenaient plus petits et plus fins et qu’ils avaient de plus fortes contractions.

Jardiance est un inhibiteur du SGLT2 qui a déjà montré des effets positifs sur la santé cardiaque. Lilly et BI ont signalé des réductions spectaculaires des risques cardiovasculaires de leur étude de résultats EMPA-REG chez des patients diabétiques en 2015 et mènent des essais cardiaques chez des personnes non diabétiques depuis deux ans.

Les chercheurs du mont Sinaï ont pris 14 porcs atteints d'insuffisance cardiaque et ont administré Jardiance à la moitié d'entre eux. Ils ont utilisé des techniques d’imagerie avancées telles que la résonance magnétique cardiaque et l’échocardiographie 3D pour observer ce qui se passait dans le cœur des animaux. Ils ont identifiés une amélioration de la fonction cardiaque chez tous les porcs traités, une réduction de la congestion pulmonaire - de l'eau dans les poumons qui provoque généralement un essoufflement - et des biomarqueurs de l'insuffisance cardiaque.

Lilly et BI savent depuis longtemps que Jardiance réduit le risque de mort cardiaque, mais il n’a jamais été clair de quelle façon le médicament exerçait un effet aussi positif sur le cœur. Les chercheurs du mont Sinaï ont découvert que le médicament améliorait le métabolisme cardiaque. Plus précisément, lorsque ce médicament était administré aux porcs, leur cœur consommait plus d'acides gras et moins de glucose, ce qui les aidait à fonctionner plus efficacement et à produire plus d'énergie.

Cette étude offre une nouvelle stratégie thérapeutique en matière d'insuffisance cardiaque, ce qui est absolument nécessaire étant donné qu'il n'y a pas eu de nouveaux médicaments efficaces pour l'insuffisance cardiaque depuis les années 1990.

L'amélioration du métabolisme cardiaque est une stratégie sur laquelle se penchent de nombreux chercheurs à la recherche d'une maladie cardiaque. Le mois dernier, par exemple, des scientifiques de l’Ohio State University ont publié une étude montrant que le manque d’un composé adipeux réactif appelé acyl-CoA entraînait une accumulation toxique de graisse adipeuse et empêchait le cœur de pomper efficacement.

Une étude réalisée par Ryan, Bradshaw et ses collègues a utilisé des cellules de sang périphérique congelées pour obtenir des cellules immunitaires ressemblant à la microglie du cerveau.

Ils ont exposé les monocytes CD14 + à des cytokines du SNC (GM-CSF, M-CSF, CCL2, NGF-b, IL-34) pendant 10 jours, ce qui a permis de les différencier en cellules ressemblant à la microglie. Ils ont utilisé l'ARN-seq pour démontrer que les schémas d'expression des gènes étaient similaires entre les cellules microgliales primaires et les cellules de type microglies (MDMi) dérivées de monocytes.

Ensuite, les auteurs ont utilisé des cellules MDMi pour caractériser de manière fonctionnelle des locus de caractères quantitatifs d'expression spécifiques à un tissu, ou eQTL. Afin de mieux comprendre la pathogenèse de la neurodégénérescence, ils ont testé le chevauchement entre les cis-eQTL MDMi et les variants associés à la maladie à partir d’études génétiques de la maladie d’Alzheimer, de la maladie de Parkinson et de la sclérose en plaques.

L'étude a identifié 6 gènes sur 70 SNP associés à la maladie, qui semblaient être dirigés par le même signal génétique que les cis-eQTL.

Ce qui suggére que les altérations de l'expression des gènes sont le mécanisme responsable du risque de maladie.

Les eQTL des six gènes étaient similaires sur le plan directionnel entre les monocytes et les cellules MDMi, bien que l'ampleur de l'effet soit considérablement plus grande pour trois de ces gènes: LRRK2, CD33 et PILRB.

Leurs données confortent l'hypothèse selon laquelle les cellules de la microglie sont responsable de ces physiopathologies, car la magnitude de l'effet sur l'expression des gènes est presque trois fois plus grande dans les cellules MDMi que dans les monocytes. En conséquence, l’hypothèse thérapeutique est que l’inhibition de la LRRK2 dans les cellules cérébrales microgliales devrait être bénéfique dans le traitement de la MP.

Mais LRRK2 est également un gène portant un risque de maladie inflammatoire de l'intestin (MII). Ce qui est intéressant, c’est que différentes variantes de LRRK2 sont associées à un risque accru de MII et de MP.

Se pourrait-il que la variante de risque de MII modifie la biologie d'un ou de plusieurs types de cellules de la muqueuse intestinale, alors que la variante de risque de MP altère les cellules microgliales du cerveau?

Si tel est le cas, LRRK2 est-il un exemple de cible largement exprimée, mais exerçant une pathogénicité spécifique au tissu en fonction des effets spécifiques de certains facteurs de risque génétiques sur le tissu?

S'agit-il d'un indice qui ouvre un nouveau domaine de la biologie (la pathogénicité spécifique d'un tissu provoquée par un gène pour un gène exprimé dans plusieurs tissus), ou s'agit-il d'un indice non pertinent menant finalement à une impasse?

Il semble plausible que la délivrance d'un médicament spécifique à un tissu, mais qui perturbe une cible exprimée dans de nombreux tissus, puisse être nécessaire pour atteindre un indice thérapeutique acceptable.

Concepts similaires

Notez que ce concept est différent du ciblage d'une protéine exprimée uniquement dans un type de cellule.

Le concept est aussi lié mais distinct de celui de la délivrance d'un médicament spécifique à un tissu via une formulation unique (par exemple, traitement topique pour les maladies de la peau, traitement inhalé pour les maladies pulmonaires, nanoparticules lipidiques pour la délivrance par le foie de traitements à base d'ARNm).

Le concept le plus étroitement lié est celui des conjugués anticorps-médicament (ADC), dans lesquels un médicament est administré à un type de cellule spécifique en exploitant les capacités uniques des anticorps monoclonaux. Cependant, seulement quatre ADC ont été approuvés par la FDA, et les quatre charges utiles cytotoxiques de livraison conçues pour tuer les cellules cancéreuses. Aucun ADC approuvé n'a administré des médicaments spécifiques à des types de cellules spécifiques (par exemple, des inhibiteurs de LRRK2 administrés dans l'intestin pour le traitement de l'IBD ou livrés à des cellules de la microglie pour le traitement de la MP).

Il y a t-il des médicaments existants qui appliquent ce concept?

Parmi les huit premiers médicaments approuvés jusqu'à présent en 2017. (46 nouvelles entités moléculaires [NME] ont été approuvées en 2017, mais environ 20% seulement sont des mécanismes de premier plan.) au moins la moitié d'entre eux ont été conçu pour être spécifique à un tissu en fonction du type d'expression de la cible elle-même (par exemple, CD19 sur les cellules B pour le traitement de la leucémie), l'apparition de mutations somatiques spécifiques au tissu (par exemple, les mutations IDH2 dans la leucémie), les cibles qui sont: restreint aux micro-organismes pathogènes (par exemple, infection à cytomégalovirus après une greffe allogénique de cellules hématopoïétiques) ou à des perfusions dans des compartiments tissulaires spécifiques (par exemple, perfusion intraventriculaire sur une enzyme destinée au traitement d'un état neurodégénératif fatal).

Ainsi, le concept de délivrance tissulaire restreinte est un élément important de la découverte et du développement de médicaments modernes, même si les médicaments n’ont pas encore été conçus pour obtenir une exposition systémique, mais une spécificité tissulaire pour des cibles largement exprimées.

Valeur de cette approche

La valeur de l'approche d'une pathogénicité spécifique aux tissus induite par des facteurs génétiques, dépend de la généralité du phénomène. La génétique humaine, semble fournir des indices initiaux sur ce phénomène, si les données génétiques continuent de montrer des associations génétiques spécifiques à un tissu uniques à travers différentes maladies, il s'ensuit que les formulations de médicaments devront peut-être évoluer pour être également spécifiques à un tissu.