Les ultrasons ouvrent des cages supramoléculaires et libèrent le cisplatine, un médicament anticancéreux

Les cages supramoléculaires comptent parmi les structures les plus fascinantes de la chimie moderne. Elles sont constituées de blocs de construction moléculaires individuels qui s’auto-assemblent pour former des architectures tridimensionnelles. La recherche sur ces nanostructures se concentre sur des applications telles que les chambres de réaction moléculaires, les capteurs ou les systèmes potentiels d’administration de médicaments à visée thérapeutique. Si leur assemblage ciblé est bien compris, leur désassemblage sélectif reste un défi.

C’est là qu’intervient l’étude menée à Düsseldorf, qui vient d’être publiée dans la prestigieuse revue scientifique *Nature Communications*. Les chercheurs ont ajouté des chaînes polymères flexibles – qui fonctionnent en substance comme de minuscules cordes moléculaires – à des cages moléculaires à base de palladium. Lorsque ces systèmes sont soumis à un rayonnement ultrasonore, les chaînes polymères transmettent des forces mécaniques à la structure porteuse de la nanostructure, ce qui permet de rompre sélectivement les liaisons et d’ouvrir les cages de manière contrôlée. Ce mécanisme est important, notamment pour permettre l’administration ciblée de médicaments thérapeutiques dans l’organisme.

« Les molécules auto-assemblées sont souvent décrites comme des systèmes dynamiques. À ce jour, cependant, aucune méthode permettant une intervention mécanique ciblée dans ces processus n’était disponible. Nos travaux montrent que les ultrasons peuvent constituer un outil extrêmement efficace pour contrôler de telles nanostructures », explique le Dr Bernd M. Schmidt.

Il convient tout particulièrement de noter que les chercheurs ont non seulement pu observer le désassemblage des structures, mais qu’ils ont également réussi, dans des conditions appropriées, à réassembler entièrement les systèmes activés.

Les chercheurs ont directement appliqué ces avantages pratiques à un autre axe de l’étude, à savoir la libération contrôlée du cisplatine, un médicament anticancéreux. Dans un premier temps, le médicament a été encapsulé dans ces conteneurs moléculaires. L’irradiation par ultrasons a ensuite déclenché l’ouverture sélective des vecteurs de médicament afin de permettre la libération du principe actif.

« La libération du cisplatine a servi de modèle de recherche, démontrant que des forces mécaniques peuvent être utilisées pour libérer de manière ciblée une charge moléculaire de l’intérieur de nanostructures supramoléculaires », explique l’auteur principal, Tim David. « Cela ouvre des perspectives intéressantes à long terme pour le développement de systèmes de transport intelligents. »

Afin de comprendre les observations expérimentales au niveau moléculaire, les chercheurs ont combiné leurs expériences avec des simulations informatiques avancées. La taille et la complexité des systèmes étudiés ont constitué un défi particulier. Selon leur architecture, les structures solvatées comprennent entre plusieurs centaines et plus de 4 000 atomes. L’interaction entre ces atomes doit être calculée avec un haut degré de précision afin de garantir que les ruptures de liaisons induites par la force mécanique soient représentées correctement. Les méthodes de simulation conventionnelles atteignent rapidement leurs limites dans ce domaine : soit une puissance de calcul trop importante est nécessaire pour des systèmes aussi vastes, soit les méthodes ne permettent tout simplement pas de représenter les ruptures de liaisons avec suffisamment de précision.

Par conséquent, l’équipe dirigée par le professeur Jan Meisner a utilisé un potentiel interatomique spécial issu de l’apprentissage automatique, qu’elle a optimisé spécifiquement pour la description des liaisons métal-ligand. Cela a permis de réaliser des simulations bien plus rapides que les calculs de chimie quantique classiques, tout en reproduisant les réactions chimiques avec pratiquement le même degré de précision. Les chercheurs ont ainsi pu déterminer les forces à partir desquelles les liaisons individuelles palladium-azote se rompent, ainsi que le processus de désassemblage des cages sous contrainte mécanique.

« Ces nouvelles simulations nous ont permis de déterminer quelles forces sont nécessaires pour rompre les liaisons individuelles au sein des cages », explique le professeur Jan Meisner. « Cela nous donne un aperçu direct de processus pratiquement impossibles à observer expérimentalement. Le recours à l’apprentissage automatique nous a permis de simuler efficacement des systèmes vastes et complexes et d’étudier la réactivité induite par des processus mécanochimiques. »

Cette étude apporte ainsi des connaissances fondamentales sur la manière dont les forces mécaniques peuvent être transmises à travers des systèmes supramoléculaires. Parallèlement, elle ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux adaptatifs, de systèmes moléculaires commutables et de futurs systèmes d’administration de médicaments.