Nanotechnologies et Cancer

1) Apparition et fabrication :

 

Deux inventions révolutionnèrent les rapports qu'entretient l'homme avec le nanomonde.

La première, le microscope à effet tunnel, fut inventé en 1981 par la société IBM. Il utilise un phénomène nommé «effet tunnel» pour déterminer la morphologie et la densité d'états électroniques. Il s'agit d'une pointe métallique  qui balaye à moins de 0.6 nm le matériau à cartographier atome par atome. Une tension électrique est exercée entre la pointe et le matériau et crée un courant d'électrons qui transitent grâce à l'effet tunnel. Ce microscope est très performant quand il s'agit de cartographier des matériaux conducteurs ou semi-conducteurs mais il est inefficace avec les matériaux isolants car le transit d'électrons pointe/matériau est inexistant.

La seconde invention prouvant une avancée très importante dans le domaine du nanomonde est le microscope à force atomique. C'est un type de microscope à sonde locale qui sert à visualiser la topographie de la surface d'un échantillon. Le principe se base sur les interactions entre l'échantillon et une pointe montée sur un microlevier. La pointe scanne (balaie) la surface à représenter, et l'on agit sur sa hauteur selon un paramètre de rétroaction. Un ordinateur enregistre cette hauteur et peut ainsi reconstituer une image de la surface.

  • Principe de fonctionnement d'un microscope à effet tunnel :

  •  Principe de fonctionnement d'un microscope à force atomique :

Deux techniques de fabrication de nanotechnologies existent : le top down et le bottom up. La voie descendante, ou top down permet de miniaturiser le matériau qui est sculpté afin d'atteindre la dimension souhaitée. A l'inverse, la voie ascendante ou bottom up assemble atome par atome des agrégats, puis des molécules afin de construire la matière. Cette deuxième méthode est la même que celle suivie par la nature mais est très longue.

Les nanosciences apportent un regard nouveau sur la médecine et les espoirs dans ce domaine sont grands notamment dans le domaine de la  cancérologie, de l’infectiologie ou des pathologies d’origine génétique.

Actuellement lorsqu’une substance médicamenteuse pénètre notre corps la molécule est dégradée et métabolisée par des enzymes ; on doit donc administrer des doses importantes de médicament pour qu’une petite proportion atteigne finalement la cible d’action ; cela entraîne une performance thérapeutique diminuée et des effets secondaires parfois importants car les cellules saines subissent autant que les cellules malades les conséquences de l’administration du médicament. Avec les chimiothérapies actuelles par exemple il est donc souvent difficile de cibler la molécule anticancéreuse injectée vers l’organe, le tissu ou la cellule voulu. Les principes actifs du médicament peuvent être libérés loin du site d’action visé, ils perdent  alors de leur efficacité et entraînent des effets secondaires toxiques pour des zones saines de l’organisme. Les nanomédicaments contournent ces obstacles pour rendre les traitements plus spécifiques, plus efficaces et moins toxiques en entraînant le principe actif directement vers la cible souhaitée.

 

2) Nanotechnologies dans le diagnostic du cancer :

  • Les quantum dots (boites quantiques) dans le diagnostic précoce du cancer:

Le dépistage précoce du cancer est souhaitable .C’est d'ailleurs une étape décisive dans l’éradication totale du cancer.
Actuellement, la plupart des tumeurs cancéreuses sont détectables seulement quand elles atteignent une certaine taille et qu’elles contiennent des millions de cellules qui ont déjà métastasé.   

Les quantum dots présentent des propriétés uniques qui les rendent idéal pour la détection très précoce des tumeurs.

Il s'agit notamment d’une intense fluorescence stable pour une longue période

 

 

Différents types de marqueurs biologiques des cellules tumorales (tels que des protéines  ou des séquences d’ARNm) ont été identifiés pour le diagnostic du cancer et peuvent recouvrir les quantums dots afin de cibler les cellules cancéreuses
  • Biocapteurs à transduction électrique du signal : application au diagnostic des cancers 

La spécificité de nanodispositifs ultra-sensibles permettant une détection à l’échelle de la molécule individuelle (une seule molécule cible étant capable de donner lieu à un signal), promet à terme l’amélioration du diagnostic des cancers d’où l’intérêt particulier des travaux du groupe Nano du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) dans ce domaine. 

"Nous fabriquons des électrodes interdigitées à l’échelle nanométrique, de 20 nm de large environ et espacées de 10-20 nm", explique Christophe Vieu. "Les molécules adsorbées entre les électrodes font des "ponts" permettant le passage d’un courant électrique dont on peut dès lors mesurer les variations". Ceci laisse envisager, dans le futur, des applications importantes en immunologie. Des tests in vitro permettraient en effet un diagnostic instantané de la présence d’anticorps spécifiques. Une autre perspective est le diagnostic précoce des cancers. 

Un partenariat est d’ailleurs déjà en cours avec l’hôpital Claudius Regaud à Toulouse.

Il s’agit pour l’instant d’évaluer la pertinence du dispositif pour la détection des protéines rho (G), spécifiques du devenir des tumeurs cancéreuses". précise Christophe Vieu. 
Les protéines spécifiques des cellules cancéreuses sont détectées parce qu’elles sont "piégées" sur des capteurs spécifiques contenant les anticorps correspondants, ce qui se traduit par une modification de la conduction électrique.

  • Laboratoires sur puces : les puces ADN

Ces dispositifs in vitro, permettent d'analyser en quelques heures l'expression génétique d'une cellule grâce à des oligonucléotides fixés sur un support solide, activant un signal lumineux ou électrique lorsqu'ils reconnaissent la séquence d'ADN complémentaire. Inconnues il y a encore une dizaine d'années, ces puces sont maintenant largement utilisées pour diagnostiquer les perturbations de l'expression génétique dans les cellules de très petits échantillons qu'il était impossible d'analyser par les méthodes classiques – par exemple dans le cas de biopsies exécutées sur des patients atteints de cancer gastrique.

Le but ultime de la nanomédecine est d'identifier la transformation tumorale dès la première cellule affectée.  Les techniques permettant d'analyser rapidement les combinaisons protéiques de la surface cellulaire – pour y rechercher la signature des cellules tumorales – sont, en effet, à une phase de développement avancé. Elles utilisent des puces à protéines, qui fonctionnent sur le même principe que les puces à ADN, mais avec des anticorps reconnaissant des peptides exprimés à la surface des cellules cancéreuses en lieu et place des oligonucléotides.

 

Délivrance génétique par ultrason. La présence de gaz dans les microbulles contenant un gène permet de libérer celui-ci par ultrason.

De façon plus futuriste, on parle maintenant de laboratoires sur puces. Cette expression désigne des systèmes miniaturisés permettant de réaliser, en parallèle, dans de minuscules cavités alimentées par des microfluides, plusieurs centaines d'analyses biochimiques.

 

3) Nanotechnologies dans le traitement du cancer

  • Neutronthérapie (thérapie par capture de neutrons)

Irradier des cellules avec des neutrons thermiques est sans danger pour les cellules…sauf si celles-ci contiennent des nanoparticules à base de gadolinium auquel cas l’irradiation aux neutrons les détruit immédiatement. Si on parvient à préparer ces nanoparticules afin qu’elles ne ciblent et n’incorporent que les cellules cancéreuses (avec une sonde adéquate par exemple), on peut ensuite les détruire spécifiquement en soumettant l’organisme à un faisceau de neutrons tout en épargnera toutes les cellules saines ! 

Les nanoparticules d’oxyde de gadolinium (Gd2O3) sont capables d’interagir très facilement avec les neutrons (en particulier les neutrons thermiques c’est-à-dire de faible énergie) ce qui les rend très attrayantes. La capture d’un neutron engendre en effet une cascade d’événements physiques très énergétiques.
"Sachant que l’internalisation par des cellules de nanoparticules de Gd2O3 ou que l’irradiation de cellules par des neutrons thermiques n’entravent pas leur développement mais que la conjonction des deux (l’irradiation neutronique de cellules contenant des nanoparticules) induit l’émission de particules énergétiques capables de détruire les cellules, ces nanoparticules pourraient être utilisées dans le cadre de la thérapie par capture de neutrons" explique Stéphane Roux. 
Cette thérapie est actuellement en cours de développement aux USA et au Japon essentiellement mais avec des molécules à base d’isotope 10 du bore (10B) dont la capacité à capter les neutrons est 66 fois inférieure à celles dont sont dotées les molécules à base de gadolinium (157Gd). 

 

  • Activation magnétique des cellules tumorales

Plusieurs types de nanoparticules peuvent également être activés à distance, par un champ magnétique par exemple. En Allemagne, l’équipe berlinoise du Professeur Maier-Hauff a ainsi soigné un glioblastome (une tumeur cérébrale) ainsi qu’une tumeur cancéreuse sous-claviculaire, après avoir injecté des nanoparticules magnétiques à base de fer, respectivement dans le cerveau et sous la clavicule. Sous anesthésie générale, ces nanoparticules, absorbées plus rapidement dans les cellules tumorales que dans les cellules saines, ont été chauffées grâce à un champ magnétique extérieur. Les cellules humaines étant détruites par une élévation de température à 45° pendant deux ou trois heures, les cellules tumorales soumises à un tel traitement ont bien 
été détruites. 

  • Vectorisation des médicaments :

 Les nanoparticules sont particulièrement efficaces pour administrer les médicaments. Sous diverses formes (liposomes, nanosphères, nanocapsules ...), elles peuvent en contenir les principes actifs, eux-aussi à l'état nanoparticulaire. La petite taille de ces dispositifs thérapeutiques les fait aisément pénétrer dans l'organisme. 

Grâce aux nombreux mécanismes de contrôle mis au point, ils pourront libérer leur précieux contenu au moment voulu et dans les seules cellules qui en auront besoin.

Les nanoparticules peuvent servir de "véhicules" pour transporter une substance donnée (un médicament, un gène…) au cœur d’un tissu, d’une cellule, d’un compartiment cellulaire. Elles sont habituellement constituées de polymères biodégradables car, comme elles sont supposées pénétrer profondément dans les tissus pour en atteindre les cellules, il s’agit d’éviter tout problème lié à leur accumulation éventuelle. Elles peuvent avoir des formes diverses, comme celle d’une nanocapsule, d’une nanosphère ou encore d’un liposome. 

Les liposomes ressemblent à des cellules, ils sont biomimétiques : ce sont des vésicules de phospholipides organisés en bicouche qui entourent un compartiment aqueux, tout comme les membranes cellulaires. Le médicament y est incorporé directement. Plus précisément, il est dissous dans le compartiment aqueux s’il est hydrophile ; dans la bicouche, s’il est lipophile. 

Les nanocapsules sont des sortes de ballon de foot, au "cœur" lipidique ou aqueux, selon le type de médicament que l’on veut y dissoudre. 

Les nanosphères ressemblent plus à une pelote de laine. Elles sont constituées d’un système matriciel : le médicament est disséminé dans un enchevêtrement de chaînes de polymères ou de macromolécules amphiphiles qui en se biodégradant va libérer le médicament. 

4) Les nanotechnologie, un danger ?

            Pour le moment il n’existe aucune étude concluante sur l’évaluation des dangers liés aux nanotechnologies car l’état d’avancement des nanotechnologies ne permet pas de bien évaluer les risques. Cependant les domaines où les nanotechnologies ont le plus de chance de créer des problèmes sont dans la santé, la sécurité et l’environnement.

            En ce qui concerne la santé, une étude scientifique à montré que les nanoparticules de moins de 50nm réussissaient à s’infiltrer dans les cellules mais on ne sait pas où vont alors ces nanoparticules, certaines particules pourraient franchir les vaisseaux sanguins, ces particules pourraient atteindre des parties du corps qu’aucune matière inorganique n’avait réussi à atteindre.  On sait que chaque jour tous les gens sont exposés aux nanoparticules présentes dans la pollution ambiante, mais si l’augmentation du nombre de ces particules dans l’air est trop forte, il pourrait y avoir des effets néfastes pour le corps.

            Les nanotechnologies représentent un danger car comme pour beaucoup d’innovations on va s’en servir pour faire la guerre, on va donc avoir des armes nouvelles, plus dangereuses, plus petites et plus puissantes. Les scientifiques les plus pessimistes pensent que les nanotechnologies vont déclencher une guerre bactériologique.

            Et enfin l’environnement. Les nanomatériaux vont remplacer les matériaux que nous utilisons actuellement. Par exemple dans l’automobile on utiliserait les nanotechnologies pour avoir des pièces en plastiques : certes le poids du véhicule serait diminué et il y aurait moins de pollution mais le recyclage de ces matériaux serait plus difficile il faut donc trouver des méthodes pour le recyclage des nanomatériaux.

 

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