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La nanotechnologie en médecine: un énorme potentiel, mais quels sont les risques?

La nanotechnologie, la manipulation de la matière à l’échelle atomique et moléculaire pour créer des matériaux aux propriétés remarquablement variées et nouvelles, est un domaine de recherche en expansion rapide avec un potentiel énorme dans de nombreux secteurs allant des soins de santé à la construction et à l’électronique. En médecine, il promet de révolutionner l’administration de médicaments, la thérapie génique, les diagnostics et de nombreux domaines de recherche, de développement et d’application clinique.

Cet article ne cherche pas à couvrir l’ensemble du domaine, mais offre, au moyen de quelques exemples, quelques aperçus de la technologie de pointe, susceptibles de changer la médecine, tant dans le laboratoire de recherche que sur le plan clinique, tout en abordant certains des défis soulève.

Qu’est-ce que la nanotechnologie?

Le préfixe « nano » vient du grec ancien pour « nain ». En science, cela signifie un milliardième (10 à moins 9) de quelque chose, donc un nanomètre (nm) est un milliardième de mètre, ou 0,000000001 mètres. Un nanomètre mesure environ trois à cinq atomes de large, soit 40 000 fois plus petit que l’épaisseur des cheveux humains. Un virus a typiquement une taille de 100 nm.

La capacité de manipuler des structures et des propriétés à l’échelle nanométrique en médecine est comme avoir un laboratoire sous-microscopique sur lequel vous pouvez manipuler des composants cellulaires, des virus ou des morceaux d’ADN, en utilisant une gamme de minuscules outils, robots et tubes.

Main de scientifique tenant le modèle moléculaire de la sphère de graphite

Manipulation de l’ADN

Les thérapies qui impliquent la manipulation de gènes individuels, ou les voies moléculaires qui influencent leur expression, sont de plus en plus étudiées comme une option pour traiter les maladies. Un objectif hautement recherché dans ce domaine est la capacité d’adapter les traitements en fonction de la constitution génétique de chaque patient.

Cela crée un besoin d’outils qui aident les scientifiques à expérimenter et développer de tels traitements.

Imaginez, par exemple, être en mesure d’étirer une section d’ADN comme un brin de spaghetti, de sorte que vous puissiez l’examiner ou opérer, ou construire des nanorobots qui peuvent « marcher » et effectuer des réparations à l’intérieur des composants cellulaires. La nanotechnologie rapproche cette rêverie scientifique de la réalité.

Par exemple, des scientifiques de l’Université nationale australienne ont réussi à fixer des billes de latex enduites aux extrémités de l’ADN modifié, puis à utiliser un «piège optique» comprenant un faisceau de lumière focalisé pour maintenir les billes en place, ils ont étiré le brin d’ADN dans afin d’étudier les interactions de protéines de liaison spécifiques.

Nanobots et Nanostars

Pendant ce temps, les chimistes de l’Université de New York (NYU) ont créé un robot à l’échelle nanométrique à partir de fragments d’ADN qui marchent sur deux pattes d’une longueur de 10 nm. Dans un article de 2004 publié dans la revue Nano Letters, ils décrivent comment leur «nanowalker», avec l’aide des molécules de psoralène attachées aux extrémités de ses pieds, prend ses premiers pas: deux en avant et deux en arrière.

L’un des chercheurs, Ned Seeman, a dit qu’il envisage de créer une ligne de production à l’échelle moléculaire, où l’on déplace une molécule jusqu’au bon endroit, et où un nanobot fait un peu de chimie, un peu comme « soudure » sur la ligne d’assemblage acar. Le laboratoire de Seeman à NYU cherche également à utiliser la nanotechnologie de l’ADN pour fabriquer un ordinateur biopuce, et pour découvrir comment les molécules biologiques se cristallisent, un domaine qui est actuellement rempli de défis.

Le travail que Seeman et ses collègues font est un bon exemple de «biomimétique», où avec la nanotechnologie, ils peuvent imiter certains des processus biologiques dans la nature, tels que le comportement de l’ADN, pour inventer de nouvelles méthodes et peut-être même les améliorer.

Des nanobots à base d’ADN sont également créés pour cibler les cellules cancéreuses. Par exemple, des chercheurs de la Harvard Medical School aux États-Unis ont récemment rapporté dans Science comment ils ont fabriqué un «nanorobot origami» à partir d’ADN pour transporter une charge utile moléculaire. Le nanobot en forme de tonneau peut transporter des instructions contenant des molécules qui font que les cellules se comportent d’une manière particulière. Dans leur étude, l’équipe démontre avec succès comment elle a livré des molécules qui déclenchent le suicide cellulaire dans les cellules de leucémie et de lymphome.

Nanobots fabriqués à partir d’autres matériaux sont également en développement. Par exemple, l’or est le matériau utilisé par les scientifiques de l’Université Northwestern pour fabriquer des «nanostars», des nanoparticules simples, spécialisées et en forme d’étoiles, capables de délivrer des médicaments directement aux noyaux des cellules cancéreuses. Dans le journal ACS Nano, ils décrivent comment les nanostars chargés de médicaments se comportent comme de minuscules auto-stoppeurs, qui après avoir été attirés par une protéine surexprimée à la surface des cellules cancéreuses cervicales et ovariennes, déposent leur charge utile dans les noyaux de ces cellules. .

Les chercheurs ont trouvé que donner à leur nanobot la forme d’une étoile aidait à surmonter l’un des défis de l’utilisation des nanoparticules pour administrer les médicaments: comment libérer les médicaments avec précision. Ils disent que la forme aide à concentrer les impulsions de lumière utilisées pour libérer les puces précisément aux points de l’étoile.

Nanofactories qui fabriquent des drogues in situ

Les scientifiques découvrent que les médicaments à base de protéines sont très utiles car ils peuvent être programmés pour délivrer des signaux spécifiques aux cellules. Mais le problème avec la livraison conventionnelle de tels médicaments est que le corps brise la plupart d’entre eux avant qu’ils n’atteignent leur destination.

Mais que se passerait-il s’il était possible de produire de tels médicaments in situ, directement sur le site cible? Eh bien, dans un récent numéro de NanoLetters, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux Etats-Unis montrent comment il est possible de faire exactement cela. Dans leur étude de preuve de principe, ils démontrent la faisabilité de «nanofactories» auto-assemblées qui fabriquent des composés protéiques, sur demande, sur des sites cibles. Jusqu’à présent, ils ont testé l’idée chez la souris, en créant des nanoparticules programmées pour produire soit la protéine fluorescente verte (GFP) ou la luciférase exposée à la lumière UV.

L’équipe du MIT a trouvé l’idée en essayant de trouver un moyen d’attaquer les tumeurs métastatiques, celles qui proviennent des cellules cancéreuses qui ont migré du site d’origine vers d’autres parties du corps. Plus de 90% des décès par cancer sont dus au cancer métastatique. Ils travaillent maintenant sur des nanoparticules capables de synthétiser des médicaments anticancéreux potentiels, ainsi que sur d’autres moyens de les activer.

Chercheur travaillant avec un instrument optique dans un laboratoire de nanotechnologie.

Nanofibres

Les nanofibres sont des fibres dont le diamètre est inférieur à 1 000 nm. Les applications médicales comprennent des matériaux spéciaux pour les pansements et les textiles chirurgicaux, les matériaux utilisés dans les implants, l’ingénierie tissulaire et les composants d’organes artificiels.

Les nanofibres en carbone sont également prometteuses pour l’imagerie médicale et des outils de mesure précis. Mais il y a des défis à surmonter, l’un des principaux étant la façon de les rendre constamment de la bonne taille. Historiquement, cela a été long et fastidieux.

Mais l’année dernière, des chercheurs de la North Carolina State University ont révélé comment ils avaient développé une nouvelle méthode de fabrication de nanofibres de carbone de tailles spécifiques. L’écriture dans ACS Applied Materials & Interfaces en Mars 2011, décrivent howthey ont réussi à croître des nanofibres de carbone de diamètre uniforme, en utilisant des nanoparticules de nickel revêtues d’une enveloppe faite de ligands, de petites molécules organiques avec des éléments fonctionnels qui lient directement aux métaux.

Les nanoparticules de nickel sont particulièrement intéressantes car à haute température, elles aident à la croissance des nanofibres de carbone. Le researchersalso a constaté qu’il y avait un autre avantage à l’utilisation de ces nanoparticules, ils pourraient définir où les nanofibres ont grandi et par correctplacement des nanoparticules ils pourraient se développer les nanofibres dans un modèle spécifique souhaité: une caractéristique importante pour les matériaux de usefulnanoscale.

Le plomb est une autre substance qui est de trouver une utilisation comme nanofibres, si bien que neurochirurgien à être Matthew MacEwan, qui isstudying à l’école de médecine de l’Université Washington à St. Louis, a commencé sa propre société de nanomédecine vise atrevolutionizing le maillage chirurgical qui est utilisé dans les salles d’opération du monde entier.

Le produit principal est un polymère synthétique comprenant des brins individuels de nanofibres, et a été développé pour réparer les blessures au cerveau et à la moelle épinière, mais MacEwan pense qu’il pourrait également être utilisé pour réparer les hernies, les fistules et autres blessures.

Actuellement, les mailles chirurgicales utilisées pour réparer la membrane protectrice qui recouvre le cerveau et la moelle épinière sont faites d’un matériau épais et rigide, ce qui est difficile à travailler. Le filet de nanofibres de plomb est plus mince, plus souple et plus susceptible de s’intégrer aux propres tissus du corps, dit MacEwan. Chaque fil de la maille de nanofibres est des milliers de fois plus petit que le diamètre de la cellule unique. L’idée est d’utiliser le matériau de nanofibres non seulement pour faciliter les opérations chirurgicales, mais aussi pour réduire les complications postopératoires chez les patients, parce qu’il se décompose naturellement avec le temps.

Des chercheurs de l’Institut polytechnique de l’Université de New York (NYU-Poly) ont récemment démontré une nouvelle façon de transformer les protéines en makenanofibers. Écrivant récemment dans la revue Advanced Functional Materials, les chercheurs disent qu’ils ont trouvé leur découverte presque par hasard: ils étudiaient certaines protéines en forme de cylindre dérivées du cartilage, quand ils remarquaient qu’à des concentrations élevées, certaines protéines se réunissaient spontanément et s’auto-assemblaient intonanofibres.

Ils ont effectué d’autres expériences, telles que l’ajout d’acides aminés reconnaissant les métaux et de différents métaux, et ont découvert qu’ils pouvaient contrôler la formation des fibres, modifier leur forme, et comment il se lient aux petites molécules. Par exemple, l’ajout de nickel a transformé les fibres en tapis agglomérés, qui pourraient être utilisés pour déclencher la libération d’une molécule de médicament attachée.

Les chercheurs espèrent que cette nouvelle méthode améliorera grandement la livraison de médicaments pour traiter le cancer, les troubles cardiaques et la maladie d’Alzheimer. Ils peuvent également voir des applications dans la régénération du tissu humain, des os et du cartilage, et même comme un moyen de développer des microprocesseurs plus puissants et plus puissants pour une utilisation dans les ordinateurs et l’électronique grand public.

Moléculaire
Une illustration schématique montrant comment les nanoparticules ou d’autres médicaments contre le cancer pourraient être utilisés pour traiter le cancer. Cette illustration a été faite pour le Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

Qu’en est-il de l’avenir et des préoccupations entourant les nanomatériaux?

Les dernières années ont vu une explosion du nombre d’études montrant la variété des applications médicales de la nanotechnologie et des nanomatériaux. Dans cet article, nous avons seulement entrevu une petite section de ce vaste champ. Cependant, à travers la gamme, il existe des défis considérables, dont les plus importants semblent être comment augmenter la production de matériaux et d’outils, et comment réduire les coûts et les délais.

Mais un autre défi consiste à savoir comment assurer rapidement la confiance du public que cette technologie en expansion rapide est sûre. Et jusqu’ici, il n’est pas clair si cela est fait.

Il y a ceux qui suggèrent que les inquiétudes concernant la nanotechnologie peuvent être exagérées. Ils soulignent le fait que le fait que les nanomatériaux soient nanomatériaux ne signifie pas qu’ils sont dangereux. En effet, les nanoparticules existent depuis la naissance de la Terre et se produisent naturellement dans les cendres volcaniques et les embruns, par exemple. En tant que sous-produits de l’activité humaine, ils ont été présents à l’âge de pierre, dans la fumée et la suie.

L’Institut national du cancer des États-Unis a indiqué qu’il existe des manynanoparticules naturellement présentes dans l’environnement, qui sont «souvent à des niveaux plus élevés que les particules fabriquées», d’après les essais menés sur l’innocuité des nanomatériaux. À de nombreux égards, ils soulignent que «la plupart des nanoparticules d’ingénierie sont beaucoup moins toxiques que les produits de nettoyage ménagers, les insecticides utilisés sur les animaux domestiques et les remèdes contre les pellicules en vente libre», par exemple, les ascarriers de la chimiothérapie. , ils sont beaucoup moins toxiques que les médicaments qu’ils portent.

C’est peut-être davantage dans le secteur alimentaire que nous avons assisté à la plus grande expansion des nanomatériaux sur le plan commercial. Bien que le nombre d’aliments contenant des nanomatériaux soit encore faible, il semble devoir changer au cours des prochaines années. Les nanomatériaux sont déjà utilisés pour abaisser les niveaux de graisse et de sucre sans altérer le goût, ou pour améliorer l’emballage pour garder les aliments plus frais plus longtemps, ou pour dire aux consommateurs si la nourriture est gâtée. Ils sont également utilisés pour augmenter la biodisponibilité des nutriments (par exemple dans les compléments alimentaires).

Mais, il y a aussi des parties concernées, qui soulignent que tandis que le rythme de la recherche s’accélère, et le marché des nanomatériaux, il semble que l’on ne fait pas assez pour découvrir leurs conséquences toxicologiques.

C’est l’avis d’un comité scientifique et technologique de la Chambre des Lords du Parlement britannique qui, dans un récent rapport sur la nanotechnologie et l’alimentation, a soulevé plusieurs préoccupations concernant les nanomatériaux et la santé humaine, en particulier le risque posé par les nanomatériaux.

Par exemple, un domaine qui concerne le comité est la taille et la mobilité exceptionnelle des nanoparticules: elles sont assez petites, si elles sont ingérées, pour pénétrer les membranes cellulaires de la paroi intestinale, avec le potentiel d’accéder au cerveau et à d’autres parties du corps et même à l’intérieur des noyaux des cellules.

Une autre est la solubilité et la persistance des nanomatériaux. Qu’arrive-t-il, par exemple, aux nanoparticules insolubles? S’ils ne peuvent être décomposés et digérés ou dégradés, y a-t-il un danger qu’ils s’accumulent et endommagent les organes? Les nanomatériaux comprenant des oxydes de métaux inorganiques et des métaux sont considérés comme les plus susceptibles de présenter un risque dans ce domaine.

En outre, en raison de leur rapport surface / masse élevé, les nanoparticules sont très réactives et peuvent, par exemple, se déclencher comme des réactions chimiques encore inconnues ou, en se liant à des toxines, leur permettre d’entrer dans des cellules auxquelles elles n’auraient pas accès.

Par exemple, avec leur grande surface, leur réactivité et leur charge électrique, les nanomatériaux créent les conditions d’une «agrégation de particules» due aux forces physiques et à l’agglomération des particules dues aux forces chimiques, de sorte que les nanoparticules se regroupent pour former de plus grandes. Cela peut conduire non seulement à des particules beaucoup plus grosses, par exemple dans le gutand à l’intérieur des cellules, mais aussi à une désagrégation des amas de nanoparticules, ce qui pourrait modifier radicalement leurs propriétés physico-chimiques et leur réactivité chimique.

« Ces phénomènes réversibles ajoutent à la difficulté de comprendre le comportement et la toxicologie des nanomatériaux », conclut le comité, dont la conclusion générale est que ni le gouvernement ni les conseils de recherche n’accordent une priorité suffisante à la recherche sur la sécurité des nanotechnologies. les nanomatériaux peuvent être développés « .

Ils recommandent que davantage de recherches soient nécessaires pour «s’assurer que les organismes de réglementation peuvent évaluer efficacement la sécurité des produits avant qu’ils ne soient autorisés sur le marché».

Il semblerait donc, que ce soit réel ou perçu, que le risque potentiel que la nanotechnologie fait peser sur la santé humaine doive faire l’objet d’une enquête et être perçu comme faisant l’objet d’une enquête. La plupart des nanomatériaux, comme le suggère le NCI, s’avéreront probablement inoffensifs.

Mais quand une technologie progresse rapidement, la connaissance et la communication sur sa sécurité doivent suivre le rythme pour qu’elle soit bénéfique, surtout si c’est aussi pour assurer la confiance du public. Il suffit de regarder ce qui s’est passé et, dans une certaine mesure, cela se poursuit, avec des aliments génétiquement modifiés pour voir comment cela peut mal tourner.

Écrit par Catharine Paddock PhD

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