Le scientifique vietnamien Nguyen Duc Thanh conçoit des dispositifs médicaux biodégradables grâce à 25 millions de dollars de financements de recherche

Un calendrier vaccinal intégré à un minuscule patch

Un patch testé sur des rats a administré des doses de Prevnar-13, un vaccin contre les bactéries pneumocoques, à des intervalles programmés allant de quelques jours à plus d’un mois. Les animaux ont développé des réponses immunitaires similaires à celles observées après plusieurs injections et ont survécu à une exposition à une dose létale de bactéries. À l’origine de ces travaux se trouve Nguyen Duc Thanh, un scientifique vietnamien dont les recherches à l’Université du Connecticut ont attiré des millions de dollars pour des dispositifs médicaux conçus pour disparaître après avoir rempli leur fonction.

Connu dans les publications scientifiques sous le nom de Thanh D. Nguyen, ce professeur associé travaille dans les domaines du génie mécanique, du génie biomédical et de la science des matériaux. Ses projets comprennent des patchs vaccinaux, des structures destinées à favoriser la réparation des os endommagés et des dispositifs d’échographie biodégradables conçus pour aider les médicaments de chimiothérapie à atteindre les tumeurs cérébrales.

L’Université du Connecticut indique qu’il a obtenu 25 millions de dollars de financements de recherche pour l’établissement depuis son arrivée en 2016. Les chiffres rendus publics en octobre 2024 faisaient état de plus de 9,5 millions de dollars provenant de quatre bourses R01 des National Institutes of Health et de 6,6 millions de dollars issus de deux subventions approuvées par la Fondation Bill & Melinda Gates.

L’idée centrale relie plusieurs problèmes médicaux apparemment différents : concevoir un matériau qui transporte un médicament, génère un signal électrique ou produit des ultrasons, puis le laisser se dégrader dans l’organisme. Pour les patients, les bénéfices escomptés vont de la réduction du nombre de rendez-vous vaccinaux à l’évitement d’une opération destinée à retirer un implant.

Les données publiées les plus détaillées concernent le patch vaccinal. Nguyen était l’auteur correspondant de l’étude sur le vaccin administré par microneedles, publiée en ligne le 23 novembre 2020 dans Nature Biomedical Engineering et intégrée à son volume de 2021. La recherche a testé cette technologie sur des rats ; son utilisation pour la vaccination courante chez l’humain reste un objectif de développement.

De Da Nang à un laboratoire du Connecticut

Nguyen est né en 1984 à Da Nang, dans le centre du Vietnam. Il a étudié la physique au lycée d’élite Le Quy Don avant d’intégrer le programme d’ingénierie destiné aux élèves talentueux en physique de l’ingénieur à l’Université des sciences et technologies de Hanoï.

Après avoir obtenu son diplôme en 2007, il a reçu en 2008 une bourse de la Vietnam Education Foundation pour préparer un doctorat à l’Université de Princeton. Il a soutenu sa thèse en 2013, puis a poursuivi ses travaux comme chercheur postdoctoral au Massachusetts Institute of Technology.

Son parcours universitaire l’a mené de la mécanique et de l’ingénierie aérospatiale vers les technologies biomédicales. Au Connecticut, où il a rejoint les départements de génie mécanique et biomédical en 2016, il a créé un laboratoire travaillant sur les biomatériaux, les médicaments, les vaccins, la médecine régénérative et les dispositifs médicaux miniatures. Il est devenu professeur associé en 2022.

Plusieurs dates jalonnent le développement de ces travaux :

• 2017 : Nguyen reçoit le prix NIH Trailblazer, destiné aux jeunes chercheurs.
• 2018 : Son laboratoire présente une technologie médicale utilisant des polymères piézoélectriques biodégradables.
• 23 novembre 2020 : L’étude sur le patch vaccinal programmable est publiée en ligne.
• 30 août 2022 : Un brevet sur les microneedles à structure cœur-coquille, désignant Nguyen et Khanh Tran, est délivré.
• 2024 : Nguyen est élu membre senior de la National Academy of Inventors.

Comment un seul patch pourrait remplacer plusieurs visites

Le patch vaccinal de Nguyen a à peu près la taille d’un bout de pouce et contient des centaines de minuscules aiguilles. Au lieu d’utiliser une seringue classique pour administrer séparément chaque dose, il dépose dans la peau de petits réservoirs de vaccin en une seule application.

Chaque microneedle possède un cœur contenant le vaccin et une enveloppe extérieure constituée d’un polymère biodégradable appelé poly(acide lactique-co-acide glycolique), ou PLGA. Les chercheurs fabriquent et assemblent ces éléments miniatures de manière à ce que les enveloppes, dont les vitesses de dégradation diffèrent, libèrent leur contenu à des moments différents.

L’objectif est de déclencher plusieurs libérations à intervalles déterminés, comme lors d’injections séparées. Une dose peut être libérée après un court délai, tandis qu’une autre reste enfermée jusqu’à plus tard. Modifier la conception de l’enveloppe et les propriétés du matériau permet de changer le calendrier de libération.

Nguyen, alors professeur assistant en ingénierie au Connecticut, a expliqué le bénéfice attendu pour les patients :

Le patient n’aurait pas besoin de se souvenir du calendrier vaccinal, explique Nguyen. Il n’aurait pas besoin de recevoir un autre patch pour recevoir les vaccins à plusieurs reprises.

L’étude sur les rats portait sur le Prevnar-13, contre Streptococcus pneumoniae. La comparaison avec des injections répétées est pertinente, car l’objectif pratique est de maintenir la protection tout en réduisant le nombre de visites nécessaires pour recevoir le traitement.

Ce que la réduction du nombre de rendez-vous pourrait changer

Les familles qui vivent loin d’un centre de soins doivent parfois organiser leur transport, s’absenter du travail et revenir à plusieurs dates pour terminer un cycle vaccinal. Un patch qui intègre son propre calendrier de doses pourrait réduire ces déplacements et le risque de manquer une dose ultérieure.

L’approche de Nguyen s’inscrit dans un champ de recherche plus vaste consacré aux microneedles. Mark Prausnitz, directeur du Center for Drug Design, Development and Delivery de Georgia Tech, a travaillé sur des patchs contre la grippe et la rougeole. Il explique que des aiguilles courtes peuvent franchir la fine barrière externe de la peau sans avoir la longueur d’une aiguille d’injection classique.

Certaines formulations à base de microneedles pourraient aussi faciliter la distribution des vaccins en réduisant la dépendance à la réfrigération. La stabilité en stockage dépend du vaccin et de la formulation du patch ; chaque produit envisagé doit donc être testé individuellement. Pour le patch programmable de Nguyen, la précision du calendrier et la préservation du vaccin pendant le stockage sont toutes deux essentielles à l’utilisation prévue.

Darin Zehrung, responsable du programme consacré aux dispositifs médicaux et aux technologies de santé chez PATH, a relevé plusieurs difficultés pratiques pour les patchs vaccinaux : l’engagement des industriels, la capacité de production à grande échelle et un coût raisonnable. Les travaux publiés par Nguyen apportent des preuves chez l’animal d’une administration à intervalles programmés ; transformer ce dispositif en produit médical largement distribué nécessite également une mise au point industrielle et des essais cliniques.

Des brevets qui élargissent la plateforme d’administration

Nguyen et son co-inventeur Khanh Tran ont déposé leur demande de brevet sur les microneedles à structure cœur-coquille le 5 mars 2019. Le brevet américain 11,426,570 a été délivré le 30 août 2022, l’Université du Connecticut en étant titulaire.

L’invention décrit des aiguilles biodégradables qui peuvent s’enfoncer dans la peau et libérer des quantités contrôlées de médicament ou de vaccin en plusieurs décharges rapides à des moments prévisibles. Une demande connexe désignant les mêmes inventeurs a été déposée le 22 juillet 2022.

Une autre demande, déposée le 28 septembre 2021, désigne Nguyen et Nicholas Farrell et porte sur une administration prolongée pour le traitement de la douleur. Elle décrit un système de microneedles biodégradables conçu pour libérer un médicament à un débit presque constant pendant au moins 30 jours.

Ces deux approches répondent à des calendriers de traitement différents. La vaccination peut nécessiter des doses distinctes espacées de plusieurs jours ou semaines, tandis que le traitement de la douleur peut demander un apport continu. Dans les deux cas, la structure et la dégradation d’un matériau servent à contrôler le moment où le médicament devient disponible.

Des matériaux pour aider à réparer les os et le cartilage

Le laboratoire de Nguyen étudie également des structures biodégradables qui génèrent des signaux électriques. La propriété concernée est la piézoélectricité : un matériau produit une faible charge électrique lorsqu’il est comprimé, plié ou soumis à une autre contrainte mécanique.

Pour les blessures graves des os longs, comme le fémur et le tibia, l’équipe met au point un échafaudage biologique, une structure temporaire destinée à favoriser la réparation. Son matériau peut produire des impulsions électriques conçues pour stimuler la guérison lorsque les mécanismes naturels de réparation de l’organisme risquent d’être insuffisants.

Un projet des NIH a alloué 2,1 millions de dollars à des recherches visant à améliorer la guérison des lésions graves des os longs. L’échafaudage associe un soutien physique à une stimulation électrique, au lieu de servir uniquement de structure passive.

Des travaux connexes publiés en 2022 ont utilisé des nanofibres d’acide poly-L-lactique, ou PLLA, pour favoriser la régénération du cartilage dans les articulations endommagées. Les mouvements, comme la marche, exercent une force sur le matériau et produisent de faibles signaux électriques destinés à stimuler les cellules qui participent à la réparation des tissus.

Le cartilage et les os nécessitent des stratégies de réparation différentes. Le principe d’ingénierie commun consiste à conférer une fonction biologique utile à un matériau temporaire, puis à le laisser se dégrader pendant la récupération des tissus.

Des ultrasons pour aider les médicaments à atteindre le cerveau

Les recherches de Nguyen sur le cancer du cerveau appliquent les matériaux biodégradables à un autre problème complexe d’administration de médicaments. De nombreux médicaments peinent à atteindre le tissu cérébral, car la barrière hémato-encéphalique, une frontière étroitement régulée autour des vaisseaux sanguins, limite les substances qui peuvent la franchir.

Son équipe a mis au point de petites puces souples à ultrasons destinées à être implantées à proximité du tissu cérébral. Ces dispositifs produisent des ondes sonores conçues pour aider les médicaments de chimiothérapie à pénétrer dans le cerveau et à atteindre les cellules cancéreuses. L’approche envisagée permettrait des séances de traitement répétées avant la dégradation de l’implant.

Une subvention de 2,16 millions de dollars des NIH soutient des recherches visant à améliorer la chimiothérapie grâce à une technologie d’ultrasons biodégradable. Un dispositif qui disparaît après le traitement pourrait éviter au patient une nouvelle intervention chirurgicale pour le retirer.

Les travaux sur les ultrasons prolongent l’intérêt du laboratoire pour l’électronique temporaire. En 2018, Nguyen et ses collègues ont mis au point un capteur utilisant un matériau biodégradable associé aux fils de suture chirurgicaux résorbables. Le dispositif était conçu pour transmettre des informations sans fil, puis se dégrader : le suivi et la disparition du dispositif reposaient ainsi sur un même matériau.

Un projet lié à la pandémie, au-delà des implants

Pendant la pandémie de COVID-19, l’équipe de Nguyen a étudié la possibilité d’utiliser également ses membranes polymères biodégradables comme filtres pour masques. En janvier 2021, le groupe a présenté un prototype conçu pour approcher les performances de filtration d’un masque N95 tout en supportant la stérilisation et la réutilisation.

Le filtre envisagé utilisait une membrane piézoélectrique capable de générer une faible tension lorsque l’air la traversait. Les chercheurs ont étudié si cet effet électrique pouvait contribuer à capter les particules, en complément de l’action filtrante physique de la membrane.

Nguyen a indiqué que le laboratoire mesurait l’efficacité de filtration, ajustait les conditions de fabrication et comparait le matériau aux masques médicaux classiques et aux respirateurs N95. L’équipe a également décrit des essais de stérilisation par chaleur et pression ou par ultrasons, tout en préservant les propriétés piézoélectriques de la membrane.

En janvier 2021, le projet en était au stade de la recherche et du développement du produit, la commercialisation étant envisagée. À la même période, le laboratoire étudiait des patchs vaccinaux contre la COVID-19. L’expérience publiée sur le patch programmable utilisait le vaccin antipneumococcique Prevnar-13.

Ce que couvrent les financements et les distinctions

Les chiffres de financement concernent plusieurs volets du programme de recherche de Nguyen. En octobre 2024, le montant de quatre bourses R01 des NIH dépassait 9,5 millions de dollars. Une bourse R01 est un important dispositif des NIH destiné à financer un projet de recherche défini.

Trois subventions précises comprenaient 2,1 millions de dollars pour la réparation des os longs, 1,5 million pour la technologie des microneedles et 2,16 millions pour des ultrasons biodégradables destinés au traitement du cancer du cerveau. La Fondation Gates a approuvé deux subventions totalisant 6,6 millions de dollars pour développer des patchs capables d’administrer plusieurs doses de vaccin.

Les financements cités des NIH et de la Fondation Gates totalisaient environ 16,1 millions de dollars, soit près de 64 % des 25 millions de dollars que Nguyen aurait obtenus pour le Connecticut depuis son arrivée à l’université, selon l’établissement. Ce montant de 25 millions couvre l’ensemble de ses financements de recherche au sein de l’institution.

Son élection au rang de membre senior de la National Academy of Inventors en 2024 l’a inscrit dans une promotion de 124 personnes issues de 60 établissements. Cette promotion détenait collectivement plus de 1 000 brevets américains et comptait plus de 340 technologies concédées sous licence ou commercialisées.

Le titre de membre senior récompense l’invention, le dépôt de brevets, le transfert de technologie et la formation des futurs inventeurs. Parmi les autres distinctions de Nguyen figurent le prix SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award de 2018, une reconnaissance parmi les jeunes innovateurs de la région Asie-Pacifique et sa sélection parmi les jeunes personnalités remarquables du Vietnam en 2019.

Dans l’ensemble de ces projets, l’ambition pratique reste la même : réduire le nombre de rendez-vous, aider les médicaments à atteindre des cibles difficiles d’accès et faire disparaître les implants temporaires une fois leur mission accomplie. L’étude vaccinale en fournit un exemple concret chez l’animal, tandis que le programme de recherche plus vaste applique les mêmes principes d’ingénierie des matériaux à la réparation, au suivi et au traitement.

Points clés

• Nguyen Duc Thanh a rejoint l’Université du Connecticut en 2016 et est devenu professeur associé en 2022.
• Son patch vaccinal programmable a administré des doses de Prevnar-13 à intervalles déterminés chez des rats, en produisant des réponses immunitaires similaires à celles obtenues après des injections répétées.
• Son laboratoire étudie également des matériaux biodégradables pour réparer les os et le cartilage, des capteurs temporaires et des dispositifs à ultrasons destinés à l’administration de médicaments dans le cerveau.
• En octobre 2024, les financements cités des NIH et de la Fondation Gates totalisaient environ 16,1 millions de dollars ; le Connecticut évaluait à 25 millions de dollars l’ensemble de ses financements de recherche.
• Nguyen a été élu membre senior de la National Academy of Inventors en 2024.
• L’utilisation courante du patch vaccinal programmable chez l’humain reste un objectif de développement.