Des nanomatériaux magnétiques à haut rendement sans compromis sur la sécurité biologique
Les nanozymes magnétiques à base d’oxyde de fer constituent une nouvelle classe d’enzymes artificielles qui reproduisent remarquablement l’action des enzymes naturelles, tout en conservant la capacité unique d’être facilement guidées et récupérées au moyen de champs magnétiques externes. Il reste toutefois difficile de prévoir et de maîtriser leur sélectivité, leur robustesse, leur reproductibilité et leur sécurité biologique dans des environnements réels. Financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), le projet NESTOR(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) a été créé pour lever ce verrou. «Au lieu de simplement synthétiser différents matériaux nanoparticulaires afin d’optimiser des propriétés individuelles, nous avons cherché à comprendre comment concevoir les surfaces d’oxyde de fer de manière à contrôler l’activité catalytique, la réponse magnétique et la sécurité biologique au sein d’une même plateforme matérielle», explique Gerardo F. Goya, coordinateur du projet.
Des essais empiriques à un schéma directeur de conception
Pour y parvenir, NESTOR a fait évoluer le domaine des nanozymes d’une approche purement empirique fondée sur les essais et les erreurs vers un cadre mécanistique robuste. L’étude a révélé comment les caractéristiques de surface d’une nanoparticule, notamment sa charge atomique, ses défauts, ses revêtements et son échauffement magnétique, déterminent les voies chimiques qu’elle emprunte pour générer ou détruire des molécules réactives. Les types spécifiques de réactions chimiques étudiés comprenaient notamment des processus de type Fenton, peroxydase et catalase. Cette compréhension est importante, car un même matériau peut se comporter très différemment selon le pH, son agglomération ou l’environnement biologique qui l’entoure. En comparant l’incidence des variations de la répartition des cations, de l’état d’oxydoréduction et de la structure de surface sur les performances et la réponse biologique, l’équipe a pu prévoir des comportements auparavant totalement inattendus. «Nous avons compris très tôt qu’une activité catalytique plus élevée n’était pas toujours préférable. Le stress oxydatif étant un mécanisme à double tranchant, il peut être exploité à des fins antimicrobiennes, pour la dépollution de l’environnement et dans des traitements liés au cancer, mais il doit être soigneusement maîtrisé afin d’éviter des dommages cellulaires involontaires», explique Gerardo F. Goya. «Afin de trouver un équilibre réaliste et sûr entre performances chimiques et biocompatibilité, nous avons systématiquement évalué la cytotoxicité et la génotoxicité dans des modèles in vitro avancés.» Pour établir cet équilibre, les chercheurs ont associé ces essais biologiques à des techniques de caractérisation avancées, notamment la microscopie électronique à haute résolution, l’analyse spectroscopique et la magnétométrie. Ils ont également adopté une approche à plusieurs niveaux pour évaluer la capacité des particules à générer ou à moduler les espèces réactives de l’oxygène à différents degrés de complexité, depuis les essais catalytiques élémentaires et la détection des radicaux libres jusqu’aux essais réalisés à l’intérieur de cellules vivantes.
Une vision globale des nanoparticules
«La principale valeur ajoutée de NESTOR réside dans le lien qu’il a établi entre la physicochimie des nanoparticules magnétiques et leurs conséquences biologiques. Nous avons pu considérer les nanozymes non seulement comme des catalyseurs, mais aussi comme des matériaux dont les propriétés de surface, magnétiques et toxicologiques doivent être conçues conjointement», précise Gerardo F. Goya. Gerardo F. Goya explique également que la surface d’une nanoparticule agit comme un réseau dense de sites actifs d’oxydoréduction pouvant être commandés magnétiquement. En ajustant l’état de surface de l’oxyde de fer, les chercheurs peuvent contrôler le transfert des électrons vers les espèces réactives. «Comme ces nanozymes sont magnétiques, elles peuvent être activées, guidées, séparées et réutilisées au moyen de champs externes. Cela leur confère un avantage pratique considérable par rapport à de nombreux catalyseurs conventionnels dans les soins de santé, le traitement environnemental de l’eau et les biotechnologies industrielles», ajoute-t-il.
Accroître la production et nouer de nouveaux partenariats
Les prochaines étapes porteront sur l’augmentation de la production des matériaux, la normalisation des indicateurs d’activité des nanozymes et la poursuite des validations précliniques. «L’héritage le plus durable de NESTOR réside peut-être dans son esprit de collaboration. Les profondes qualités humaines et la synergie interdisciplinaire des partenaires ont permis de surmonter des obstacles administratifs complexes, tout en donnant naissance à au moins sept nouveaux projets collaboratifs», conclut Gerardo F. Goya.
