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Une nanostructure parfaite en forme de cage pourrait acheminer des molécules médicamenteuses dans les cellules

Des chercheurs financés par l’UE ont créé une minuscule structure polyédrique de taille nanométrique qui pourrait agir comme un conteneur capable de se glisser à l’intérieur des cellules et d’y libérer des agents thérapeutiques. La réalisation de cet agencement complexe mais élégant, de seulement 10 nm de diamètre, pourrait un jour contribuer à la lutte contre le cancer.

Santé

La nanotechnologie offre un moyen prometteur de fournir et de contrôler la libération de nouveaux médicaments et une formidable opportunité de réactualiser les anciens traitements en améliorant leur sécurité et leur efficacité. Des nanoparticules fonctionnelles encapsulant des molécules médicamenteuses peuvent révéler sélectivement leur action thérapeutique à proximité du tissu ou de la cellule cible sans inonder la circulation sanguine de médicaments.

Aider les nanoparticules à tenir leur promesse

L’objectif du projet NanoIntra, qui a reçu un financement dans le cadre du programme Marie Skłodowska-Curie, consistait à abattre un obstacle majeur pour rendre possible l’administration de médicaments sous forme de nanoparticules. En plus de parvenir à un contrôle et à une libération plus précis des substances thérapeutiques à l’échelle nanométrique, nous devons comprendre l’itinéraire du médicament une fois que la nanoparticule est absorbée par la cellule. En particulier, les molécules médicamenteuses peuvent être rendues complètement inefficaces si elles restent dans les endosomes. En fusionnant l’expertise de différents domaines, comme la chimie, la biologie et la physique, les chercheurs du projet NanoIntra ont créé plusieurs nanoparticules innovantes, notamment des points quantiques semi-conducteurs luminescents, des nanocristaux de métaux plasmoniques et des nanoparticules de silice pour une bio-imagerie précise et une analyse de biodétection. Dans un second temps, ils ont fonctionnalisé leur surface avec des ligands organiques pour favoriser leur absorption cellulaire (endocytose) et leur évasion ultérieure des endosomes. «Une partie importante du travail a consisté à étudier l’interaction entre les nanomatériaux hybrides et les cellules. Nous avons finalement conçu une nouvelle approche de fonctionnalisation de surface utilisant des ligands zwitterioniques. En ajustant soigneusement la densité du ligand, nous avons réussi à trouver un bon équilibre entre une stabilité colloïdale élevée et une absorption cellulaire efficace», explique Tangi Aubert, coordinateur de NanoIntra.

Un super-réseau guidant l’autoassemblage de nanoparticules

Une des découvertes les plus remarquables du projet a été que les nanoparticules de silice forment une structure de nanocage avec une symétrie dodécaédrique bien définie dans des conditions spéciales. «Des études ont montré que de minuscules particules de silice peuvent facilement et en toute sécurité traverser le corps et être excrétées dans l’urine, plutôt que de rester coincées dans le foie. Peut-être que de telles nanocages de silice pourraient être utilisées comme conteneurs pour des médicaments anticancéreux ou pour transporter des molécules de diagnostic», remarque Tangi Aubert. Les chercheurs ont utilisé une technique relativement simple pour créer cette structure polyédrique. Pour un modèle, ils ont immergé des molécules de savon dans une solution aqueuse. Ces molécules ont formé de minuscules sphères appelées micelles. Ils ont ensuite ajouté un précurseur de silice dans le mélange. Peu à peu, les amas de silice chargés négativement formés par le précurseur ont été attirés vers la surface du modèle de micelle chargée positivement, constituant ainsi une structure de type cage. À la surprise des chercheurs, ce processus s’est déroulé sans aucune intervention — les nanoparticules se sont autoassemblées autour des micelles. «D’un point de vue fondamental, les nanocages offrent une occasion unique d’étudier les premiers stades des mécanismes de croissance de matériaux mésoporeux ordonnés. L’observation de l’autoassemblage de nanoblocs de construction en super-réseaux 2D de cages de silice est un pas supplémentaire dans cette direction», ajoute Tangi Aubert. Pour pouvoir observer ces nanocages évasives, les chercheurs ont eu recours à la cryomicroscopie électronique. Après avoir analysé toutes les différentes orientations structurales avec des algorithmes d’apprentissage automatique, ils ont reconstruit un dodécaèdre parfait.

Impression 3D de nanoparticules de type éponge

Les nanoparticules poreuses ont des surfaces améliorées qui les rendent très utiles pour des applications «hôte-invité», comme la biodétection. Elles contrôlent également mieux la libération des molécules thérapeutiques. En fonctionnalisant la nanocage de silice avec des ligands photosensibles, les chercheurs du projet NanoIntra ont réussi à imprimer des matériaux mésoporeux avec une grande surface et des formes arbitraires. «En plaçant des cages de silice fonctionnalisées par ligand aux endroits souhaités du matériau mésoporeux imprimé final, nous pouvons construire des plateformes bioanalytiques hautement efficaces», conclut Tangi Aubert.

Mots‑clés

NanoIntra, nanocage, ligand, biodétection, molécules médicamenteuses, nanoparticules de silice, mésoporeux, endosomes, autoassemblage

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