VACCINS À ADN ET ARN

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Voies de pénétration dans la cellule des vaccins à ADN et ARN

Voies de pénétration dans la cellule des vaccins à ADN et ARN
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Vaccins à ADN et à ARNm

Vaccins à ADN et à ARNm
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Schéma des voies d’activation de l’immunité innée par les acides nucléiques

Schéma des voies d’activation de l’immunité innée par les acides nucléiques
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Vaccination de masse contre la Covid-19

Vaccination de masse contre la Covid-19
Crédits : Adrien Nowak/ Hans Lucas/ AFP

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La vaccination prophylactique repose sur l’usage d’un agent pathogène (bactérie ou virus) ou de ses fragments, pour induire une réponse immunitaire protectrice spécifique contre ce pathogène, sans induire de toxicité qui pourrait compromettre l’équilibre bénéfice/risque. Depuis la découverte du principe de la vaccination contre la variole par Edward Jenner en 1796, trois générations de vaccins peuvent être définies. La première est composée de vaccins contenant un agent pathogène vivant dont la virulence a été atténuée et de vaccins inactivés contenant un agent pathogène tué. Cette génération de vaccins a permis par exemple l’éradication de la variole et celle, presque complète, de la poliomyélite. La seconde génération comprend des vaccins « sous-unitaires » et repose sur l’utilisation de fragments d’agent infectieux, par exemple, une protéine virale produite par génie génétique en utilisant des bactéries ou des cellules cultivées dans des fermenteurs. Les vaccins contre le virus de l'hépatite B ou contre le papillomavirus entrent dans cette seconde génération. Ils contiennent la protéine vaccinale du virus et un adjuvant qui provoque la réponse inflammatoire nécessaire au développement de la réponse immunitaire spécifique.

La troisième génération de vaccins, dite à « acides nucléiques » (ADN ou ARNm), repose sur un principe fondamentalement différent. L’idée et les premières expériences remontent aux années 1990 : faire produire le fragment d’agent infectieux (comme une protéine virale) directement par les cellules de l’individu à vacciner, transformant ainsi le corps en sa propre « usine à vaccin ». La réponse immunitaire spécifique de l’agent infectieux va être dans ce cas induite à partir de la protéine virale synthétisée in situ par les cellules de l’organe dans lequel a été administré le vaccin, généralement les cellules du muscle deltoïde chez l’humain. Comme les molécules d’acides nucléiques ne peuvent franchir seules la membrane des cellules, il faut nécessairement utiliser un vecteur pour réaliser l’étape d’internalisation indispensable pour la production de l’antigène. Deux types de vecteurs ont été mis au point, des vecteurs dits « viraux » issus de virus naturels, et des vecteurs non viraux, voire synthétiques, issus de la chimie organique. Les vecteurs viraux voient leur génome modifié par des techniques de biologie moléculaire pour les rendre non pathogènes, et on y a inséré le gène de l’antigène à produire par la cellule. Le virus recombinant pénètre dans la cellule comme le virus natif, et la protéine antigénique est exprimée normalement. Quant aux vecteurs synthétiques, les plus récents, ils vont utiliser des molécules chimiques dont les premiers représentants sont des lipides constitués de chaînes d’acides gras pour mimer la membrane cellulaire, auxquelles étaient liés de façon stable des groupements chargés positivement, car les acides nucléiques sont chargés négativement. Cette conception de vecteur s’inspire de la manière dont l’ADN est naturellement condensé par des groupements chargés positivement dans les noyaux des cellules. Jusqu’au début de 2020, un seul vaccin à ADN vectorisé par un vecteur viral était commercialisé sous le nom de Zabdeno® et utilisé contre l’infection à virus Ebola chez l’humain. Il a fait ses preuves lors de l’épidémie de 2013-2016 en Afrique de l’Ouest. Trois vaccins à ADN ont reçu les autorisations réglementaires nécessaires à leur exploitation commerciale pour protéger contre certaines maladies infectieuses des saumons d’élevage et des poulets, et contre le mélanome buccal des chiens. Le point de bascule dans l’usage humain de vaccins à ADN et ARNm à vecteurs synthétiques est encore plus récent : depuis la fin de 2020, plusieurs vaccins à acides nucléiques vectorisés sont utilisés contre le SARS-CoV-2, l’agent de la Covid-19.

Les avantages des vaccins à acides nucléiques (ADN, ARNm)

dessin : Voies de pénétration dans la cellule des vaccins à ADN et ARN

Voies de pénétration dans la cellule des vaccins à ADN et ARN

Les vaccins à ARN se fixent sur la membrane cellulaire et sont internalisés par la voie endocytaire. Ils y activent les récepteurs endosomaux de l'immunité innée sensibles aux signaux de danger qui à leur tour déclenchent une expression de gènes de l'ADN nucléaire codant pour des... 

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Les vaccins à ADN ou ARNm sont beaucoup plus faciles à fabriquer que les autres. À partir de la séquence génétique d’un agent pathogène, il est rapide d’extraire le gène codant un antigène d’intérêt vaccinal potentiel, de l’insérer dans un vecteur ADN pour l’utiliser directement afin de fabriquer un vaccin à ADN ou comme matrice pour ensuite synthétiser l’ARNm correspondant, avant de finaliser la composition vaccinale. Ces vaccins sont aussi mieux maîtrisés et définis au plan moléculaire, car ils n’utilisent pas de virus entiers comme les vaccins atténués ou inactivés, ni d’adjuvants chimiques comme les vaccins sous-unitaires. Ils sont enfin mieux définis au plan immunologique. En effet, dans le cas de l’injection d’un vaccin à ADN ou à ARN, la protéine antigénique va être produite par les cellules du sujet de façon naturelle. L’antigène va donc prendre la conformation dans l’espace qu’il possède naturellement et va induire une réaction immunitaire comportant des lymphocytes T et anticorps très spécifiques de la conformation de la protéine dans les conditions naturelles. Les vaccins sous-unitaires induisent principalement une réponse anticorps qui dépend de la conformation de l’antigène tel qu’il a été produit dans des cellules en culture dans des fermenteurs en usine, et qui peut être différente de celle présente dans le virus lui-même. La conformation étant déterminée par les conditions de production et de purification, cela peut entraîner une production d’anticorps qui reconnaîtront la protéine ayant servi à l’immunisation, mais qui seront moins spécifiques de la protéine présente dans le virus.

Construction des molécules vaccinales d’ADN ou d’ARN

Physiologiquement, l’information génétique est codée par des molécules d’ADN présentes au niveau des chromosomes contenus dans le noyau des cellules. Chaque gène est un morceau d’ADN. L’ADN d’un gène est transcrit (copié) sur les chromosomes, en molécules d’ARN messager (ARNm), proche chimiquement de l’ADN, moins stable mais contenant la même information. Les ARNm quittent le noyau au travers des pores nucléaires et rejoignent le cytoplasme de la cellule pour y être traduits en protéines. Les molécules d’ARNm représentent donc un intermédiaire indispensable entre le gène de la protéine situé au niveau de l’ADN et la protéine issue de son décodage.

dessin : Vaccins à ADN et à ARNm

Vaccins à ADN et à ARNm

Dans ces deux types de vaccins, la protéine vaccinale est produite par le décodage de son gène. Dans les vaccins à ADN (à gauche), le gène est situé sur un minichromosome circulaire, un plasmide, et précédé par une séquence régulatrice (promoteur) qui permet son expression dans la... 

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Les molécules d’ADN et d’ARNm vaccinales sont construites par ingénierie moléculaire destinée à optimiser la production de protéine antigénique dans les cellules.

Dans le cas des vaccins à ADN, la séquence d’ADN du gène codant l’antigène est insérée dans un plasmide, qui est un minichromosome naturel d’origine bactérienne servant à conférer aux bactéries des propriétés comme la résistance à certains antibiotiques. Le plasmide est une molécule d’ADN double brin, circulaire, fermée. Le gène codant pour la protéine antigénique d’intérêt y est inséré au voisinage d’un promoteur fort, actif dans les cellules humaines, qui permet la copie d’un grand nombre de molécules d’ARNm et par conséquent une forte production de l’antigène.

Les molécules d’ARNm utilisées dans les vaccins sont, elles, des molécules linéaires construites en associant cinq séquences de fonctions différentes. Une extrémité 5’, appelée aussi « coiffe », est une base nucléique, la guanosine, modifiée, protectrice et recrutant les ribosomes nécessaires à la traduction de l’ARNm en protéine. Suit une région 5’ non traduite (5’UTR), située entre la coiffe et le codon d’initiation de la traduction qui peut contenir entre trois et des centaines de nucléotides. En général, dans la construction de l’ARNm vaccin, on utilise la région 5’ d’un ARNm très stable comme celui codant la protéine globine. Après la région 5’ non traduite se trouve la séquence qui code la protéine antigénique telle qu’elle est présente dans le virus sauvage, cette séquence pouvant être optimisée pour l’adapter à la cellule qui va la synthétiser en protéine. Après la séquence codante, se trouve la région 3’ non traduite (3’UTR). Elle doit aussi être choisie avec soin car elle peut affecter la stabilité de la molécule d’ARNm. Comme au niveau du 5’UTR, les séquences présentes au niveau des 3’UTR sont généralement celles d’ARNm très stables. Puis l’ARNm se termine par une queue polyadénylée, pour, là aussi, augmenter la stabilité de la molécule.

Les molécules d’ADN plasmidiques sont produites par des bactéries Escherichia coli dans des usines, en fermenteur, puis purifiées et caractérisées. Les molécules d’ARN messager sont produites par un procédé dénommé « transcription in vitro » à partir de molécules d’ADN plasmidique linéarisées qui servent de matrice pour synthétiser l’ARNm en grandes quantités, en présence de l’enzyme ARN polymérase et des réactifs nécessaires. Les molécules d’ARNm sont ensuite purifiées.

Remplacer les adjuvants

dessin : Schéma des voies d’activation de l’immunité innée par les acides nucléiques

Schéma des voies d’activation de l’immunité innée par les acides nucléiques

Les cellules possèdent des récepteurs qui reconnaissent des familles de signaux moléculaires appelés signaux de danger, qui indiquent la présence d'une substance normalement étrangère à l'organisme. Cette reconnaissance déclenche une réponse immunitaire dite innée, par opposition à la... 

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Un vaccin non vivant classique contient toujours un adjuvant immunologique pour déclencher une réaction inflammatoire en stimulant l’immunité innée. Il n’y a pas d’adjuvant dans les vaccins à acides nucléiques. C’est par l’augmentation à la fois de la production de l’antigène par les cellules et en parallèle la stimulation locale de l’immunité innée pour la production de molécules pro-inflammatoires (cytokines, interférons) nécessaires à l’attraction des cellules immunitaires sur le lieu d’injection que l’émergence de cette nouvelle génération de vaccins a pu se faire. L’ARN, ou l’ADN, étrangers sont des signaux de danger pour les cellules de l’hôte. Des protéines détectent leur présence au sein de la cellule et sont responsables de la stimulation de l’immunité innée par ces signaux. En d’autres termes, l’acide nucléique vaccinal déclenche lui-même la réponse inflammatoire indispensable au recrutement des cellules immunocompétentes, clés de la vaccination. Ces protéines sont localisées, pour l’ADN, dans le cytoplasme et, pour l’ARN, essentiellement dans les endosomes, sorte de vésicules nécessaires à la cellule pour que des molécules et particules puissent y pénétrer. En effet, en situation physiologique, l’ADN est localisé dans le noyau, et les protéines qui détectent les ADN étrangers sont situées en dehors du noyau, majoritairement dans le cytoplasme. Inversement, les ARNm assurant la synthèse physiologique des protéines de la cellule sont localisés dans le cytoplasme : les protéines détectant la présence d’ARNm étrangers sont donc localisées majoritairement dans les endosomes (toll-like receptors 7 & 8), ce qui évite les réactions inflammatoires chroniques en présence d’ARNm cellulaire.

L’un des obstacles principaux pour l’essor de ces nouveaux vaccins consistait donc à réussir à amener les molécules d’ADN ou d’ARNm au bon endroit au sein de la cellule : dans le noyau pour les premières et dans le cytoplasme pour les secondes. Pour y parvenir, les chercheurs ont mis au point des systèmes de vectorisation à base soit de lipides cationiques soit de polymères amphiphiles (hydrophiles-hydrophobes), qui peuvent soit franchir directement la membrane et déposer les molécules d’ADN dans le cytoplasme pour qu’elles pénètrent le noyau afin d’y être transcrites en ARNm et traduites en protéines, soit entrer dans la cellule par la voie d’endocytose pour les ARN messagers pour qu’ils rejoignent le cytoplasme afin d’être traduits en protéine. Les molécules d’acides nucléiques vaccinales doivent franchir deux membranes : les membranes plasmique et nucléaire pour l’ADN, la membrane plasmique et celle des endosomes pour l’ARNm. Ces deux modes d’internalisation jouent un rôle décisif pour l’activation du système immunitaire inné et contribuent ainsi à l’augmentation de l’immunogénicité et donc de l’efficacité des vaccins à acides nucléiques.

Vecteurs sur mesure des molécules d’ADN ou d’ARNm

Vecteurs pour l’ADN

Afin d’acheminer du milieu extérieur les molécules d’ADN dans le cytoplasme pour qu’elles pénètrent le noyau, et les molécules d’ARNm dans les endosomes pour qu’elles atteignent le cytoplasme, deux systèmes de vectorisation différents ont été inventés au cours de ces dernières années.

L’ADN plasmidique est vectorisé avec des molécules appartenant à la classe des polymères et plus précisément un copolymère amphiphile tétrafonctionnel (en forme d’étoile), constitué de quatre blocs polymériques hydrophobes-hydrophiles centrés sur un cœur cationique, chargé positivement. Les molécules d’ADN y sont présentes en surface, enroulées autour d’une structure sphérique d’environ 50 nanomètres (nm) de diamètre. Dans les modèles précliniques, cette formulation a démontré une augmentation de la production de protéines codées par l’ADN et s'est avérée suivre un mécanisme de délivrance intracellulaire directe au travers de la membrane sans passer par la voie endocytaire, ce qui optimise l'accès du vaccin aux capteurs de l’immunité innée cytoplasmiques. Sa capacité à améliorer l’immunogénicité des vaccins ADN a été démontrée dans de nombreux systèmes modèles comme ceux de l’infection à Mycobacterium abscessus surinfectant dans la mucoviscidose, et contre le virus Zika. Cette nouvelle classe de vaccins à base de copolymère amphiphile tétrafonctionnel et d’ADN entre en phase d’essai clinique dans le contexte de la lutte contre l’hépatocarcinome cellulaire (HCC, programme HepaVac), troisième cause mondiale de décès par cancer, en ciblant les cellules exprimant le gène codant l’expression de l’antigène embryonnaire alpha-fœtoprotéine surexprimé chez 70 % des patients atteints d’HCC. L’ADN de ce vaccin code pour une version optimisée de l’alpha-fœtoprotéine qui induit une réponse immunitaire pour détruire les cellules cancéreuses exprimant l’antigène embryonnaire. Les résultats de l’étude préclinique de toxicologie réglementaire (étude de toxicité de doses répétées, tolérance locale et biodistribution) du polymère tétrafonctionalisé seul et du candidat d’immunothérapeutique polymère tétrafonctionalisé-ADN, ont démontré que le polymère seul et la formulation polymère-ADN sont très bien tolérés. Dans le cadre de la pandémie de Covid-19, un vaccin à ADN-copolymère amphiphile tétrafonctionnel a été adapté au SARS-CoV2 avec succès dans des modèles animaux en rapport avec l’infection humaine contemporaine.

Vecteurs pour l’ARNm

L’ARNm est vectorisé en utilisant une classe différente de molécules chimiques, toujours amphiphiles mais de nature lipidique et non polymérique. Depuis la synthèse du premier lipide cationique DOTMA – N-[1-(2,3-dioleyloxy)propyl]-N,N,N-triméthylammonium) – pour le transport d’acides nucléiques dans des liposomes au travers de la membrane cellulaire, un grand nombre de nouveaux lipides ont été synthétisés dans le but d’améliorer leur efficacité. Des dérives lipidiques de molécules naturelles comme les sucres aminoglycosides sont capables de se lier spécifiquement aux ARN. L’analyse de la morphologie et la structure des complexes issus de l’association entre des lipides cationiques et des acides nucléiques ont révélé la présence d’une organisation lamellaire de type « oignon » où les molécules d’acides nucléiques sont prises en sandwich entre des lamelles de lipides comme dans une membrane. Les molécules d’acides nucléiques se retrouvent ainsi enfouies à l’intérieur de la structure supramoléculaire. Un membre de cette famille de dérivés lipidiques d’aminoglycoside : le CHOLK (cholestérol-kanamycine), un nanovecteur lipidique dérivé d’un sucre naturel, permet la délivrance d’ARNm dans les cellules immunitaires au niveau du site d’injection et des ganglions lymphatiques drainants. Ce nanovecteur CHOLK, constitué d’une molécule unique et non d‘un mélange complexe de lipides, conduit donc, par ses propriétés physico-chimiques à la biodistribution idéale du vaccin dans les ganglions lymphatiques et à la délivrance des molécules d’ARN messager au sein des cellules clés du système immunitaire. Cela conduit à l’induction d’une réponse immunitaire très forte.

Comment les complexes « lipide cationique-ARNm » sont-ils internalisés dans les cellules et comment les molécules d’ARNm sortent-elles des endosomes ? Le passage au travers de la membrane suit la voie d’endocytose classique – fixation à la membrane suivie de formation d’une vésicule ensuite internalisée. En revanche, l’acide nucléique s’échappe des endosomes de façon surprenante par la réorganisation de leur membrane, ce qui entraîne leur rupture, résultant probablement du mélange de lipides entre celui, chargé positivement des complexes formés avec l’ARNm, et celui (phosphatidylsérine) chargé négativement, composant la membrane interne des endosomes.

Stabiliser les complexes vaccinaux

L’utilisation in vivo de complexes lipides cationiques-acides nucléiques a posé des difficultés pendant longtemps car ils deviennent instables et toxiques dans l’environnement biologique. Après administration, l’excès des charges positives nécessaires pour complexer les acides nucléiques conduit à l’interaction des vecteurs avec les protéines des matrices extracellulaires ou du sang comme l’albumine ou les protéines du complément, ou bien encore avec les cellules phagocytaires mononuclées, tous processus conduisant à la déstabilisation des vecteurs et leur élimination. Les progrès de la délivrance in vivo d’acides nucléiques, essentielle pour le développement de ces nouvelles approches, ont requis le développement de nouveaux systèmes de délivrance prenant en compte les contraintes de l’environnement des matrices extracellulaires des tissus ou du sang. Afin d’obtenir une faible toxicité, une stabilité in vivo, de même qu’une furtivité et un ciblage des nanovecteurs, un système idéal de délivrance devrait encapsuler les molécules d’acides nucléiques dans des nanoparticules stables de taille inférieure à 100 nm de diamètre. Un système multimodulaire autoassemblé entre un acide nucléique et un mélange de lipides, stabilisé par des dérivés du polyéthylène glycol (PEG), a été mis au point autour des années 2000. Sa formulation repose sur la formation d’un cœur lipidique, contenant les acides nucléiques associés à un lipide cationique, qui est décoré par une couronne de molécules de PEG qui vont provoquer une répulsion stérique entre les objets, assurant ainsi leur stabilité en solution. Ce système a été réalisé dans le but de délivrer différents types d’acides nucléiques par endocytose non spécifique ou spécifique d’un type cellulaire via la reconnaissance d’un récepteur situé sur ces cellules par un ligand de ce récepteur couplé à l’extrémité externe distale des chaînes de PEG.

Cette procédure a été validée par des succès thérapeutiques. L’entreprise Alnylam® Pharmaceuticals Inc. (Cambridge, Mass.) a conçu selon le même modèle des mélanges de quatre lipides (un lipide cationique, cholestérol, lipide neutre et lipide-PEG) pour vectoriser vers le foie des ARNm inhibiteurs (ARNm interférents) permettant de dégrader, au niveau de cet organe, l’ARNm codant la transthyrétine, dans le cadre du traitement de l’amylose à transthyrétine héréditaire : dans cette maladie, la transthyrétine se replie mal et s’accumule dans le système nerveux sous forme de plaques amyloïdes causant de graves désordres. Ce médicament, l’Onpattro®, possède les autorisations réglementaires nécessaires dans de nombreux pays pour le traitement de cette pathologie, aux États-Unis depuis août 2018, en France en 2019.

Ces résultats ont constitué un vrai tournant dans l’application de l’ARNm pour la vaccination chez l’humain. En effet, étant donné que les autorités réglementaires de santé avaient approuvé ces nanoparticules lipidiques pour traitement de l’amylose à transthyrétine, il était plus aisé pour les sociétés souhaitant administrer des molécules d’ARN messager in vivo d’utiliser le même type de nanoparticules lipidiques. Ainsi, les vaccins à ARNm de Pfizer-BioNTech utilisent un mélange très semblable de quatre lipides.

Vaccins à ARNm contre la Covid-19

photographie : Vaccination de masse contre la Covid-19

Vaccination de masse contre la Covid-19

La prévention de la Covid-19 repose essentiellement sur la vaccination de la plus grande partie de la population. Cette vaccination de masse, susceptible d'amener à une immunité collective, est réalisée dans des centres spécialisés surnommés « vaccinodromes ». Ce cliché du 15 juin... 

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La pandémie de Covid-19 a fait apparaître l’urgence de développer rapidement un vaccin efficace contre le virus en cause, le SARS-CoV-2. D’emblée, les vaccins à ARNm semblaient faits pour répondre au moins à l’exigence de rapidité. À partir de la séquence du virus publiée dans Nature le 11 janvier 2020, les entreprises de biotechnologies, incluant Moderna, ont commencé à synthétiser un ARNm codant la protéine S (ou Spike). Cette protéine est située à la surface de l’enveloppe du SARS-CoV-2 et lui permet de se fixer à un récepteur cellulaire, l’enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE-2, présent sur les cellules du tractus respiratoire, de l’intestin, etc.) puis de pénétrer dans ces cellules : son rôle dans l’infection est donc central et elle est de fait une cible de vaccin. La protéine S est une grande protéine transmembranaire constituée de 1 273 acides aminés qui s’assemble en trimère et possède une conformation dite « préfusion » lorsqu’elle se trouve à la surface de la particule virale. Il s’avère que l’immunité contre les coronavirus avait beaucoup été étudiée à l’occasion des alertes de 2002-2003 (émergence du SARS-CoV-1 en Chine) et 2012 (émergence du MERS-CoV en Arabie Saoudite). Des modèles animaux avaient été développés et des essais cliniques de phase 1 d’un vaccin à ADN codant la protéine S de ces deux coronavirus avaient montré l’induction d’anticorps neutralisants chez les volontaires vaccinés. Il avait été montré que le déclenchement d’une réponse contre la protéine S selon la conformation « préfusion » protégeait contre l’infection. La protéine S du SARS CoV-2 a donc été la cible privilégiée de la plupart des vaccins développés en 2020. Dès la séquence du génome viral publiée, il a suffi de quelques jours pour produire à partir d’ADN de synthèse l’ARNm correspondant à la protéine S stabilisée en conformation « préfusion » (par deux résidus proline consécutifs dans la partie c-terminale de la protéine au niveau du site de clivage entre les sous-unités S1 et S2 en position 986 et 987 de la protéine S remplaçant respectivement les acides aminés lysine et valine). Il s’agit d’un délai incomparablement plus court que le temps nécessaire à la production de protéines ou à la culture du virus effectuée pour les plates-formes vaccinales classiques. En effet, les approches classiques exigent pour chaque « candidat vaccin » des étapes sur mesure, longues et coûteuses.

Les détails qui suivent sont donnés parce qu’ils illustrent ce qu’a été le premier développement d’un vaccin à ARN messager à usage général, qui plus est, mis au point au cours d’une pandémie. Dans un modèle animal (macaque rhésus) d’infection par le SARS-CoV-2, l’injection de deux doses de 30 ou 100 micromètres (µg) d’ARNm du vaccin de Pfizer-BioNTech permettait de réduire les niveaux d'ARNm viral détectable chez les animaux vaccinés puis infectés par voie nasale et trachéale. Dans les essais de phase 1 et 2 chez l’humain, les titres d’anticorps neutralisants obtenus après deux doses de vaccin étaient comparables ou supérieurs à ceux des plasmas de patients convalescents. Ils étaient généralement plus élevés chez les 18-55 ans par rapport aux 65-85 ans, mais les réponses étaient comparables aux niveaux observés chez les patients convalescents dans les deux groupes d'âge. La dose de 30 μg d’ARNm a été choisie pour les essais de phase 2-3. La phase 3 conduite sur 40 000 personnes a démontré une efficacité de 95 % de protection contre la Covid-19.

Avec le vaccin de Moderna, qui utilise la même vectorisation, l’injection de deux doses de 10 ou 100 µg d’ARNm permettait d’obtenir l’indétectabilité du SARS-CoV-2 au niveau pulmonaire chez des macaques rhésus vaccinés puis infectés par voie nasale et trachéale. Seule la dose de 100 µg permettait en revanche de stériliser tous les prélèvements, pulmonaires et nasaux. Dans les essais de phase 1, des taux satisfaisants d’anticorps neutralisants similaires à ceux de convalescents étaient observés après deux doses. Les taux d’anticorps étaient plus élevés avec la dose la plus forte (100 μg) et on observait une augmentation significative après la deuxième dose. Une réponse similaire a été décrite chez des personnes plus âgées. Enfin, la persistance de ces anticorps à un taux significatif a été démontrée jusqu’à 119 jours après la première dose parmi les participants à ces phases précoces, taux supérieur à celui observé chez les convalescents. Les résultats de la phase 3, conduite sur 30 000 participants, ont conclu à un taux d’efficacité de protection de 95 %.

Logiquement sur la base de ces résultats, le vaccin développé par Pfizer-BioNTech [BNT162b2] a été approuvé par l’Agence européenne des médicaments (EMA) le 21 décembre 2020 pour la prévention de la Covid-19 chez les sujets de plus de seize ans et enregistré sous le nom de Comirnaty®. Quant à celui développé par Moderna [mRNA-1273], il a été approuvé par l’EMA le 6 janvier 2021 pour la prévention de la Covid-19 chez les sujets de plus de dix-huit ans et enregistré sous le nom de Covid-19 Vaccine Moderna®. Ces deux vaccins ont constitué en 2021 le fondement de la lutte vaccinale contre la pandémie de Covid-19.

Mode d’action des vaccins à ARNm

La période de mise au point des vaccins, puis le suivi vaccinal de populations ont montré que le mécanisme d’action par lequel cette nouvelle classe de vaccins induit une forte réponse immunitaire contre le SARS-CoV-2 est bien celui attendu des travaux précédents : lors de l’injection du vaccin intramusculaire, l’ARNm vaccinal pénètre dans les cellules du muscle, les myocytes, puis les cellules dendritiques (cellules spécialisées dans la présentation des antigènes au système immunitaire), également présentes dans les ganglions drainants. Les ARNm sont internalisés dans les cellules via les endosomes avant d’être libérés dans le cytoplasme par fusion entre les lipides des nanoparticules et les lipides de la face interne de la membrane des endosomes. Ils stimulent l’immunité innée en interagissant avec les récepteurs Toll-like 7/8, et sont traduits dans le cytoplasme en protéine S. Dans les cellules dendritiques et les macrophages, la protéine S est présentée aux lymphocytes T de deux manières possibles : soit par traduction de l’ARNm vaccinal en protéine S (en parallèle de la stimulation du système immunitaire inné) si les cellules produisent la protéine elles-mêmes, soit par phagocytose de cellules exprimant la protéine S. Les lymphocytes B naïfs capables de reconnaître cette protéine sont activés. Ces interactions permettent la production d’anticorps neutralisants par les lymphocytes B et la génération de lymphocytes B « mémoires », et une réponse lymphocytaire T cytotoxique et la génération de lymphocytes T « mémoires ». En cas de rencontre ultérieure avec le coronavirus, ces cellules mémoires pourront détecter et combattre efficacement le virus par une réaction humorale (anticorps) et la destruction des cellules infectées par le SARS-CoV-2 (réponse cytotoxique).

Malgré les contraintes techniques liées, au moins au début de la vaccination de masse, à la nécessité de conserver les vaccins à ARNm à des températures très basses, ces derniers se sont imposés comme une solution très efficace contre la Covid-19. Cela est probablement lié à la capacité qu’ils possèdent d’induire à la fois une production d’anticorps très spécifiques et des lymphocytes T spécifiques de la protéine telle que rencontrée au niveau du virus. Ces vaccins permettent une adaptation rapide en cas de nouveaux variant résistants à la vaccination car il n’est pas nécessaire de changer la méthode de production mais seulement la séquence de l’ARNm pour tenir compte des variations génétiques du virus. En revanche, dans un vaccin classique, fabriquer une nouvelle protéine recombinante pour chaque variant est très complexe car ses caractéristiques physico-chimiques peuvent être différentes et faire qu’elle soit plus difficile à produire et purifier, en sorte qu’il faut réitérer l’ensemble des procédures.

Perspectives thérapeutiques des vaccins à acides nucléiques

Depuis la fin des années 1990, on disait que les vaccins à acides nucléiques (ADN, ARN) étaient les vaccins du futur. Cette fois, nous y sommes, au moins contre la Covid-19 mais sans doute aussi contre d’autres maladies infectieuses. N’importe quel vaccin, en théorie, pourrait être créé de la même manière maintenant que la plate-forme est au point avec la structure de la molécule d’ARNm et le système synthétique de vectorisation. Néanmoins, le succès d’un vaccin à ARNm reposera toujours sur la nécessité de définir la ou les protéines du virus à neutraliser par le système immunitaire pour obtenir une protection contre la maladie induite par le virus et contre la transmission du même virus. Les chercheurs sont parvenus à réunir deux éléments indispensables pour assurer le succès des vaccins à acides nucléiques, à savoir une forte expression de la protéine antigénique en parallèle de la stimulation de l’immunité innée. Cela a pu être possible en associant des compétences allant de la chimie à la biologie en passant par la physico-chimie.

En termes de perspectives, les acides nucléiques (ADN, ARN) connaissent de nouveaux développements non seulement pour d’autres vaccins mais aussi et peut-être surtout pour de nouvelles thérapies. En effet, dans les pathologies de déficit en protéine naturelle, il est tout à fait envisageable de faire exprimer les protéines déficientes par le patient lui-même en lui injectant l’ADN ou l’ARNm correspondant, afin de restaurer ou de corriger une fonction physiologique. Par exemple, l’utilisation des polymères amphiphiles avec des ARNm thérapeutiques permet leur introduction directement dans le cytoplasme des cellules. On contourne ainsi tous les détecteurs de l’immunité innée des ARNm situés dans les endosomes. Il est ainsi possible de produire des protéines thérapeutiques de façon non inflammatoire. Cette approche peut être aussi utilisée pour produire des anticorps monoclonaux d’intérêt thérapeutique directement chez l’individu. L’espoir apporté par ces approches innovantes dans la conception de vaccins ou de produits thérapeutiques à base d’acides nucléiques repose sur un nouveau paradigme thérapeutique, qui met le patient au centre de la bioproduction de son propre médicament ou vaccin.

—  Bruno PITARD

Bibliographie

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Écrit par :

  • : directeur de recherche CNRS habilité à diriger des recherches

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Pour citer l’article

Bruno PITARD, « VACCINS À ADN ET ARN », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 21 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/vaccins-a-adn-et-arn/