Pendant des décennies, la question semblait simple mais défiait une réponse claire : comment les peptides pénétrant les cellules (CPP), de courtes séquences d’acides aminés pouvant transporter des charges utiles thérapeutiques dans les cellules, traversent-ils réellement la membrane plasmique ?
La réponse est d’une importance capitale pour l’administration de médicaments. Les CPP sont l’une des stratégies les plus prometteuses pour introduire de grosses molécules chargées (protéines, acides nucléiques, nanoparticules) dans le cytoplasme des cellules malades. Mais sans connaître le mécanisme, la conception rationnelle de meilleurs vecteurs de délivrance relevait de la conjecture. Les théories concurrentes, endocytose, formation de micelles inversées, déstabilisation de la membrane en tapis, avaient chacune leurs partisans et leurs lacunes.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs français a fourni ce qui semble être la réponse définitive. Dans une étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, Evgeniya Trofimenko et ses collègues de cinq institutions de recherche françaises montrent que les CPP et les homéoprotéines traversent la membrane par des pores transitoires de moins d’une milliseconde, et ils ont les enregistrements électrophysiologiques pour le prouver.
Des preuves directes enfin
L’équipe a utilisé une technique de double patch-clamp sur des cellules individuelles, insérant essentiellement deux électrodes dans une seule cellule, l’une pour maintenir le voltage membranaire et l’autre pour détecter les courants, tout en appliquant des CPP à la surface externe. Ce qu’ils ont enregistré, ce sont de brefs pics de courant unitaires, chacun correspondant à un seul événement d’ouverture de pore.
Ces pores se formaient et se fermaient plus rapidement que tout événement endocytique connu, de l’ordre de centaines de microsecondes à quelques millisecondes. Crucialement, la même translocation a été observée à 11 °C, une température à laquelle l’endocytose est complètement bloquée. Le processus est indépendant de l’énergie, excluant totalement le transport actif.
Les pores sont transitoires : ils s’ouvrent, laissent passer le peptide, puis se referment. La membrane reste intacte, le processus n’est pas cytotoxique.
Dépendant des GAG et sensible au voltage
Le mécanisme présente deux dépendances critiques.
Premièrement, les glycosaminoglycanes de surface cellulaire (GAG), de longues chaînes sucrées chargées négativement qui tapissent la plupart des types cellulaires, sont obligatoires. Les peptides doivent se lier aux GAG de type héparane sulfate pour nucléer la formation des pores. Dans les cellules génétiquement dépourvues de GAG (CHO-psgA-745), aucune translocation ne s’est produite. Cela résout une énigme de longue date dans le domaine : pourquoi l’absorption des CPP varie considérablement selon les types cellulaires. La réponse est simplement la densité des GAG.
Deuxièmement, le voltage membranaire module fortement le processus. L’hyperpolarisation, rendant l’intérieur de la cellule plus négatif, a augmenté la fréquence de translocation de 10 à 100 fois de manière supralinéaire. La dépolarisation a eu peu d’effet. Cette sensibilité au voltage offre une prise potentielle pour l’administration ciblée : les cellules ayant des potentiels de repos plus négatifs (comme les neurones) pourraient être naturellement plus réceptives à la délivrance de cargaison médiée par les CPP.
Un mécanisme unifié
L’une des découvertes les plus frappantes de l’étude est que le même mécanisme de pores transitoires s’applique à une large gamme de peptides. L’équipe a testé quatre CPP, Tat (du VIH), la polyarginine R9, la pénétratine et R6W3, et deux homéoprotéines (Otx2 et Engrailed-2). Tous ont montré le même mécanisme de base avec des cinétiques similaires.
Cette unification est importante. Les homéoprotéines sont des facteurs de transcription naturels qui peuvent voyager entre les cellules dans les organismes vivants, un processus appelé signalisation par « protéine messagère » qui a été observé dans le développement et la neurobiologie. La nouvelle étude suggère que ces protéines utilisent exactement le même mécanisme de pores dépendant des GAG et sensible au voltage que les CPP synthétiques, ouvrant la possibilité que des véhicules de délivrance artificiels puissent être conçus autour d’un processus biologique naturel.
Implications pour l’administration de médicaments
Les résultats transforment le paysage pratique des thérapeutiques basées sur les CPP d’au moins quatre façons :
1. Conception rationnelle : Au lieu de cribler empiriquement des milliers de variants peptidiques, les vecteurs de délivrance peuvent désormais être conçus pour optimiser l’affinité de liaison aux GAG et la sensibilité au voltage.
2. Échappement endosomal résolu : L’un des échecs majeurs de la délivrance dépendante de l’endocytose est que la cargaison internalisée reste piégée dans les endosomes et dégradée. Le mécanisme des pores transitoires contourne complètement les endosomes, la cargaison entre directement dans le cytosol.
3. Délivrance de cargaison validée : L’équipe a démontré qu’une cargaison toxique conjuguée à un CPP (le peptide pro-apoptotique KRAKLAK) entrait avec succès dans les cellules et les tuait via la voie des pores transitoires, prouvant que le mécanisme est capable d’une délivrance thérapeutiquement pertinente.
4. Potentiel pour le SNC : Le même mécanisme de pores a été observé dans les cellules pyramidales corticales cérébrales à partir de tranches aiguës, suggérant que des transporteurs basés sur les homéoprotéines pourraient être développés pour l’administration de médicaments dans le système nerveux central, une frontière thérapeutique notoirement difficile.
Ce qu’il reste à explorer
L’étude établit le mécanisme de manière définitive pour les peptides testés, mais plusieurs questions demeurent. Comment le pore se forme-t-il réellement au niveau moléculaire, quels réarrangements lipidiques se produisent ? La taille du pore peut-elle être modulée pour accueillir des cargaisons plus volumineuses, comme des anticorps ou des complexes d’édition génique ? Et crucialement, ce mécanisme se traduira-t-il des cellules cultivées et des tranches de cerveau aux organismes vivants pour une utilisation thérapeutique ?
Les réponses à ces questions détermineront si le mécanisme des pores transitoires devient la base d’une nouvelle génération de technologies de délivrance. Mais le mécanisme lui-même n’est plus en doute.
Financement : Agence Nationale de la Recherche (ANR-17-CE11-0050-CROSS, ANR-20-CE44-0018-GLYCOTARGET).
Source
Trofimenko, E., Gervasi, N., Perez, S., Rodriguez, N., Ravault, D., Cribier, S., Berry, H., Venance, L., and Sagan, S. “Transient pores account for cell-penetrating peptide and homeoprotein translocation.” Proceedings of the National Academy of Sciences 123(26), e2602649123 (2026). DOI: 10.1073/pnas.2602649123
Traduit par Lydie