Applications des nanoparticules en biologie et en médecine

Génie tissulaire

La surface des os naturels contient assez souvent des caractéristiques d’environ 100 nm de diamètre. Si la surface d’un implant osseux artificiel était laissée lisse, l’organisme tenterait de le rejeter. En raison de cette surface lisse est susceptible de provoquer la production d’un tissu fibreux couvrant la surface de l’implant. Cette couche réduit le contact entre l’os et l’implant, ce qui peut entraîner un relâchement de l’implant et une nouvelle inflammation. Il a été démontré qu’en créant des caractéristiques de taille nanométrique à la surface de la prothèse de la hanche ou du genou, on pouvait réduire les risques de rejet et stimuler la production d’ostéoblastes. Les ostéoblastes sont les cellules responsables de la croissance de la matrice osseuse et se trouvent sur la surface d’avancement de l’os en développement.

L’effet a été démontré avec des matériaux polymères, céramiques et, plus récemment, métalliques. Plus de 90% des cellules osseuses humaines en suspension ont adhéré à la surface métallique nanostructurée, mais seulement 50% dans l’échantillon témoin. Au final, ces résultats permettraient de concevoir des prothèses de hanche ou de genou plus durables et plus longues et de réduire les risques que l’implant se détache.

Le titane est un matériau de réparation osseuse bien connu et largement utilisé en orthopédie et en dentisterie. Il présente une résistance à la fracture, une ductilité et un rapport poids/résistance élevés. Malheureusement, il souffre d’un manque de bioactivité, car il ne favorise pas bien l’adhésion et la croissance des cellules. Les revêtements d’apatite sont connus pour être bioactifs et pour se lier à l’os. Par conséquent, plusieurs techniques ont été utilisées dans le passé pour produire un revêtement d’apatite sur le titane. Ces revêtements souffrent d’une épaisseur non uniforme, d’une mauvaise adhérence et d’une faible résistance mécanique. En outre, une structure poreuse stable est nécessaire pour soutenir le transport des nutriments à travers la croissance cellulaire.

Il a été montré que l’utilisation d’une approche biomimétique – une croissance lente d’un film d’apatite nanostructuré à partir du fluide corporel simulé – a entraîné la formation d’une couche nanoporeuse fortement adhérente et uniforme . La couche s’est avérée être construite de cristallites de 60 nm, et posséder une structure nanoporeuse stable et une bioactivité.

Un véritable os est un matériau nanocomposite, composé de cristallites d’hydroxyapatite dans la matrice organique, qui est principalement composée de collagène. Grâce à cela, l’os est mécaniquement résistant et, en même temps, plastique, de sorte qu’il peut récupérer après un dommage mécanique. Le mécanisme nanométrique réel menant à cette combinaison utile de propriétés est encore débattu.

Un matériau hybride artificiel a été préparé à partir de nanoparticules céramiques de 15-18 nm et d’un copolymère de poly (méthacrylate de méthyle) . En utilisant l’approche tribologique, un comportement viscoélastique (cicatrisation) des dents humaines a été démontré. Un matériau hybride étudié, déposé comme revêtement sur la surface de la dent, a amélioré la résistance aux rayures ainsi que possédé un comportement de guérison similaire à celui de la dent.

Traitement du cancer

La thérapie photodynamique du cancer est basée sur la destruction des cellules cancéreuses par l’oxygène atomique généré par laser, qui est cytotoxique. Une plus grande quantité d’un colorant spécial utilisé pour générer l’oxygène atomique est absorbée par les cellules cancéreuses par rapport à un tissu sain. Ainsi, seules les cellules cancéreuses sont détruites lorsqu’elles sont exposées à un rayonnement laser. Malheureusement, les molécules de colorant restantes migrent vers la peau et les yeux et rendent le patient très sensible à l’exposition à la lumière du jour. Cet effet peut durer jusqu’à six semaines.

Pour éviter cet effet secondaire, la version hydrophobe de la molécule de colorant a été enfermée dans une nanoparticule poreuse . Le colorant est resté piégé dans la nanoparticule Ormosil et ne s’est pas répandu dans les autres parties du corps. Dans le même temps, sa capacité à générer de l’oxygène n’a pas été affectée et la taille des pores d’environ 1 nm a librement permis à l’oxygène de diffuser vers l’extérieur.

Codage optique multicolore pour les essais biologiques

La recherche sans cesse croissante en protéomique et en génomique génère un nombre croissant de données de séquence et nécessite le développement de technologies de criblage à haut débit. De manière réaliste, les diverses technologies de réseaux qui sont actuellement utilisées dans l’analyse parallèle sont susceptibles d’atteindre la saturation lorsqu’un nombre d’éléments de réseaux dépasse plusieurs millions. Une approche tridimensionnelle, basée sur le « codage à barres » optique de particules de polymère en solution, n’est limitée que par le nombre d’étiquettes uniques que l’on peut produire et détecter de manière fiable.

Des points quantiques simples de semi-conducteurs composés ont été utilisés avec succès pour remplacer les colorants organiques dans diverses applications de balisage biologique . Cette idée a été poussée un peu plus loin en combinant des points quantiques de taille différente et donc ayant des couleurs fluorescentes différentes, et en les combinant dans des microbilles polymères . Un contrôle précis des ratios de points quantiques a été réalisé. La sélection de nanoparticules utilisée dans ces expériences comportait 6 couleurs différentes ainsi que 10 intensités. Cela suffit pour coder plus d’un million de combinaisons. L’uniformité et la reproductibilité des billes étaient élevées laissant pour les billes des précisions d’identification de 99,99%.

Manipulation des cellules et des biomolécules

Les nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ont trouvé de nombreuses applications, y compris la séparation des cellules et le sondage ; ces applications et d’autres sont discutées dans une revue récente . La plupart des particules magnétiques étudiées jusqu’à présent sont sphériques, ce qui limite quelque peu les possibilités de rendre ces nanoparticules multifonctionnelles. D’autres nanoparticules de forme cylindrique peuvent être créées en utilisant l’électrodéposition de métal dans un modèle d’alumine nanoporeuse. En fonction des propriétés du modèle, le rayon des nanocylindres peut être choisi dans une fourchette de 5 à 500 nm, tandis que leur longueur peut atteindre 60 μm. En déposant séquentiellement diverses épaisseurs de différents métaux, la structure et les propriétés magnétiques des cylindres individuels peuvent être largement accordées.

Comme la chimie de surface pour la fonctionnalisation des surfaces métalliques est bien développée, différents ligands peuvent être sélectivement attachés à différents segments. Par exemple, des porphyrines avec des lieurs thiol ou carboxyle ont été simultanément attachées aux segments d’or ou de nickel respectivement. Ainsi, il est possible de produire des nanofils magnétiques avec des parties fluorescentes séparées dans l’espace. En outre, en raison des grands rapports d’aspect, la magnétisation résiduelle de ces nanofils peut être élevée. Par conséquent, un champ magnétique plus faible peut être utilisé pour les piloter. Il a été démontré qu’un auto-assemblage de nanofils magnétiques en suspension peut être contrôlé par de faibles champs magnétiques externes. Cela permettrait potentiellement de contrôler l’assemblage de cellules sous différentes formes. En outre, un champ magnétique externe peut être combiné avec un motif magnétique défini par lithographie (« piégeage magnétique »).

Détection des protéines

Les protéines sont la partie importante du langage, de la machinerie et de la structure de la cellule, et la compréhension de leurs fonctionnalités est extrêmement importante pour de nouveaux progrès dans le bien-être humain. Les nanoparticules d’or sont largement utilisées en immunohistochimie pour identifier l’interaction protéine-protéine. Cependant, les capacités de détection multiple et simultanée de cette technique sont assez limitées. La spectroscopie de diffusion Raman améliorée en surface est une technique bien établie pour la détection et l’identification de molécules de colorant uniques. En combinant les deux méthodes dans une seule sonde nanoparticulaire, on peut améliorer considérablement les capacités de multiplexage des sondes protéiques. Le groupe du professeur Mirkin a conçu une sonde multifonctionnelle sophistiquée construite autour d’une nanoparticule d’or de 13 nm. Les nanoparticules sont recouvertes d’oligonucléotides hydrophiles contenant un colorant Raman à une extrémité et coiffées d’un élément de reconnaissance de petites molécules (par exemple, la biotine). De plus, cette molécule est catalytiquement active et sera recouverte d’argent dans la solution d’Ag(I) et d’hydroquinone. Après avoir fixé la sonde à une petite molécule ou à un antigène qu’elle est censée détecter, le substrat est exposé à une solution d’argent et d’hydroquinone. Une argenture se produit à proximité du colorant Raman, ce qui permet de détecter la signature du colorant avec un microscope Raman standard. Outre sa capacité à reconnaître les petites molécules, cette sonde peut être modifiée pour contenir des anticorps à sa surface afin de reconnaître les protéines. Lorsqu’elle a été testée dans le format de réseau de protéines contre les petites molécules et les protéines, la sonde n’a montré aucune réactivité croisée.

Exploration commerciale

Certaines des entreprises qui sont impliquées dans le développement et la commercialisation de nanomatériaux dans des applications biologiques et médicales sont énumérées ci-dessous (voir tableau 1). La majorité de ces entreprises sont de petites spin-offs récentes de diverses institutions de recherche. Bien qu’elle ne soit pas exhaustive, cette sélection est représentative des tendances industrielles actuelles. La plupart des entreprises développent des applications pharmaceutiques, principalement pour l’administration de médicaments. Plusieurs entreprises exploitent les effets de taille quantique dans les nanocristaux semi-conducteurs pour marquer des biomolécules, ou utilisent des nanoparticules d’or bio-conjuguées pour marquer diverses parties cellulaires. Un certain nombre d’entreprises appliquent des matériaux nanocéramiques à l’ingénierie tissulaire et à l’orthopédie.

La plupart des grandes entreprises pharmaceutiques établies ont des programmes de recherche internes sur l’administration de médicaments qui portent sur des formulations ou des dispersions contenant des composants de taille nanométrique. L’argent colloïdal est largement utilisé dans les formulations et les pansements antimicrobiens. La grande réactivité des nanoparticules d’oxyde de titane, qu’elles soient seules ou illuminées par de la lumière UV, est également utilisée à des fins bactéricides dans les filtres. Les propriétés catalytiques améliorées des surfaces des nanocéramiques ou celles des métaux nobles comme le platine sont utilisées pour détruire les toxines dangereuses et autres matières organiques dangereuses.

Directives futures

À l’heure actuelle, la majorité des applications commerciales des nanoparticules en médecine sont orientées vers l’administration de médicaments. Dans le domaine des biosciences, les nanoparticules remplacent les colorants organiques dans les applications qui nécessitent une photostabilité élevée ainsi que des capacités de multiplexage élevées. Certains développements permettent de diriger et de contrôler à distance les fonctions des nanosondes, par exemple en dirigeant des nanoparticules magnétiques vers la tumeur et en les faisant ensuite libérer la charge médicamenteuse ou en les chauffant simplement afin de détruire les tissus environnants. La principale tendance dans le développement futur des nanomatériaux est de les rendre multifonctionnels et contrôlables par des signaux externes ou par l’environnement local, ce qui les transforme essentiellement en nanodispositifs.