Les nanotechnologies révolutionnent de manière profonde de nombreux domaines. La santé est sans doute un de ceux qui vont bénéficier largement de l'apport des nanosciences. Alors que les traitements se font à l'heure actuelle de manière macroscopique, la nanomédecine ouvre la voie à des traitements ciblés et personnalisés. Ce domaine est très présent à Houston qui accueille, face à face, l'université où sont nées les nanotechnologies en 1985 et qui reste le leader mondial en science des matériaux, Rice University, et le plus grand centre médical du monde, le Texas Medical Center.

Le Methodist Hospital au coeur du Texas Medical Center

Le Texas Medical Center de Houston a été créé en 1945, suite à la mise en place de la fondation M.D. Anderson en 1937. Ce riche industriel texan avait en effet remarqué qu'à sa mort, une grande partie de sa fortune reviendrait à l'état et il était décidé à ce que cela n'arrive pas. Il avait en réaction mis en place une fondation pour financer des projets dans les sciences médicales qui reçu 19 millions de dollars à son décès en 1939.

Les fonds permirent d'acheter un terrain au sein de Houston dédié uniquement à la construction d'hôpitaux et de centre médicaux. Aujourd'hui, 49 institutions liées aux sciences médicales se sont implantées sur le site. Près de 100.000 personnes - dont plus de 20.000 cliniciens et chercheurs - y travaillent chaque jour et 6 millions de patients y sont soignés annuellement. Les hôpitaux disposent aussi de centres de recherche qui brassent plus de 6 milliards de dollars de dépenses en recherche médicale chaque année.

Parmi les institutions de recherche phares du Medical Center se trouvent le MD Anderson Cancer Center [1], le Brown Institute for Molecular Medicine [2] ou encore le Methodist Hospital Research Institute (TMHRI) [3,4]. Dirigé par le Prof Mauro Ferrari, ce dernier s'est installé dans des locaux flambants neufs il y a quelques mois. Plus de 40.000 m2 dédiés à la recherche médicale et à l'enseignement sur les techniques de pointe. Parmi les équipes constituées, un groupe de chercheurs travaille sur l'application des nanotechnologies à la détection et aux traitements des maladies, notamment du cancer.

Les travaux en nanomédecine au TMHRI

Les processus biologiques assurant la vie se produisent à l'échelle des molécules, c'est-à-dire à l'échelle nanométrique. Les nanoobjets présentent alors l'avantage, par leur taille, de pouvoir interagir directement avec les processus biologiques à l'intérieur des cellules vivantes. Pour assurer cette interaction, il faut choisir les matériaux en fonction de leur taille, de leur composition, de leur forme ou encore de leurs propriétés. Pour obtenir les outils adéquats, le travail des chercheurs est semblable à l'assemblage d'un jeu de légo : trouver un matériau qui va servir de moyen de transport et y accrocher divers molécules. Certaines qui permettent de cibler des cellules données, cancéreuses par exemple. D'autres qui, sous l'effet d'une excitation extérieure, vont devenir luminescentes pour fournir une image des tissus. D'autres encore qui serviront de médicament et viendront traiter la cellule en question ou alors qui viendront la détruire.

L'équipe Nanomédecine du Méthodist travaille sur un concept de structure à "plusieurs étapes" (multistage) [5]. Les chercheurs ont développé des nanoparticules de silicium poreux dont la taille est de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Ce matériau présente les avantages de pouvoir être produit facilement en grande quantité, d'être biodégradable via des processus différents en fonction de sa taille et de sa forme et d'être biocompatible. Ces nanoparticules en forme de coupelle, de disques, de sphères ou de bâtonnets servent de vecteur. Au sein de leurs pores peuvent être ajoutées d'autres nanoparticules plus petites comme des nanosphères d'or fonctionnalisées pour l'imagerie ou le traitement.

Les nanoparticules de silicium poreux s'intègrent dans les membranes des cellules. Les cellules ainsi chargées ne voient pas leur activité modifiée et peuvent ainsi continuer leur évolution et même endurer une mitose. Une fois intégrées, les nanoparticules qui ont été transportées au sein des particules de silicium poreux peuvent être libérées directement dans la cellule ciblée. La difficulté des traitements repose ainsi sur la possibilité de franchir les différentes barrières naturelles à toutes les échelles (organe, tissu, cellule) afin d'apporter au bon endroit l'élément qui va interagir avec le processus moléculaire défaillant. La technique multistage permet d'atteindre le niveau ultime : les réactions internes à la cellule. A la clé de ces processus, différents traitements sont possibles. Cibler les cellules cancéreuses pour provoquer leur autodestruction. Cibler des organes comme la rate pour provoquer une réaction vaccinale. Délivrer des antibiotiques ou des antalgiques de manières extrêmement précise afin de réduire les doses.

Les nanomatériaux peuvent aussi servir d'échafaudages pour améliorer la régénération des tissus, surtout des os dans le cas de fractures actuellement non réductibles et nécessitant l'amputation. Une autre voie de recherche concerne le développement de systèmes permettant de délivrer de manière contrôlée dans le temps des médicaments à travers des nanocanaux. Ces travaux pourraient permettre de créer des glandes artificielles et d'améliorer aussi les traitements dans le cadre de la chronothérapie.

Il reste encore à étudier la potentielle toxicité pour l'organisme de ces nanoparticules en fonction des dosages utilisés et de leur évolution dans le corps. Mais, même si ces travaux en sont encore au stade expérimental, ils témoignent du potentiel des nanotechnologies dans leur application aux sciences médicales.

Des possibilités de financement et de collaboration

Ce potentiel s'exprime par l'importance des financements aujourd'hui déployés notamment pour les recherches sur le traitement du cancer pour lequel les nanotechnologies présentent une réelle avancée. Au Texas, la recherche sur le cancer fait l'objet d'une attention particulière avec le développement du Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) [6]. Ce programme, approuvé par référendum en 2007, autorise l'état du Texas à financer la recherche de pointe sur le traitement du cancer à hauteur de 3 milliards de dollars sur 10 ans. L'équipe de nanomédecine du Methodist Hospital en a déjà bénéficié.

Par ailleurs, afin de développer ses activités de recherche par des collaborations, le Methodist Hospital a mis en place récemment la Methodist Academy, un programme permettant de financer la mobilité des étudiants et des chercheurs pour que ces derniers viennent effectuer des séjours au sein des équipes de recherche du TMHRI [7].

 

SOURCE: Vincent Reillon - Visite de l'équipe Nanomédecine du TMHRI, Houston - 29-30 août 2011

Des chercheurs issus de l'Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN), un institut singapourien du BMRC de l'Agence singapourienne pour la Science, la Technologie et la Recherche (A*STAR) et de IBM Research - Almaden, situé près de San José en Californie (USA), ont développé des nanoparticules à base de polymères biodégradables, afin de combattre des super bactéries résistantes aux antibiotiques conventionnels, telle que la "Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus" (MRSA). Ces bactéries sont très présentes sur la peau et peuvent être contractées dans de nombreux lieux publics tels que les écoles ou les hôpitaux.

Ces polymères synthétiques, qui transportent donc des charges de médicaments, possèdent des propriétés antimicrobiennes très intéressantes et un mode d'interaction aux cellules infectées particulier dont voici le mécanisme :

1) Dans l'organisme, ils s'auto-assemblent d'abord en nanoparticules quand ils se dissolvent dans l'eau. Avant d'interagir avec la membrane bactérienne, contrairement à d'autres polymères, ces nanoparticules créent donc de nouvelles structures qui sont attirées vers la membrane des cellules infectées par le biais d'interactions électrostatiques. La structure cible ainsi sélectivement.

2) Avec précision, les antibiotiques peuvent ainsi pénétrer dans la cellule et la détruire de l'intérieur après avoir été déposés par les nanoparticules.

3) Les nanoparticules, étant biodégradables, sont ensuite éliminées naturellement par le corps.

A noter que ces nanoparticules ont la capacité d'éliminer des bactéries sans provoquer d'hémolyse, c'est-à-dire sans détruire de globules rouges sains, et, étant biodégradables, elles ont un grand potentiel pour traiter des maladies infectieuses in-vivo. Comme seule une faible concentration est requise, leur toxicité pour l'organisme humain est limitée.

Cette découverte de première importance a été conçue en 2007 et les polymères antimicrobiens ont été testés sur des échantillons cliniques microbiens par le State Key Laboratory for Diagnosis and Treatment of Infectious Diseases, First Affiliated Hospital, College of Medicine lié à l'université de Zhejiang en Chine.

Bulletins Electroniques

Une équipe de l'Hôpital Princesse Margaret [1] a créé une nanoparticule organique non-toxique, biodégradable et qualifiée d' " ingénieuse " si l'on considère la façon dont elle utilise la lumière et la chaleur pour traiter le cancer et administrer des médicaments. D'après les auteurs de l'étude, cette découverte est importante car la nouvelle nanoparticule a une structure unique et polyvalente qui pourrait changer la façon de traiter les tumeurs.

Cette nouvelle nanoparticule a été synthétisée en laboratoire à l'aide de deux molécules d'origine naturelle (de la chlorophylle et un lipide). Cette nanoparticule se révèle très prometteuse pour différentes applications se basant sur la lumière (biophotonique). La structure des nanoparticules - similaire à un ballon d'eau miniature coloré - permet également d'envisager d'y encapsuler des éléments actifs pour cibler le traitement sur la tumeur.

La capacité de ces nanoparticules à absorber une forte quantité de lumière et à s'accumuler dans les tumeurs, fait de ces nanoparticules des candidates idéales dans le traitement thérapeutique du cancer. On se trouve ici dans le cadre de la thérapie photo-thermique dont le principe est d'utiliser la lumière la chaleur pour détruire les tumeurs. Ainsi, une fois les nanoparticules accumulées dans la tumeur, un laser peut être utilisé afin de chauffer rapidement les nanoparticules et donc détruire la tumeur après qu'elle ait atteint une température de 60°C. De plus, une fois que les nanoparticules atteignent leur cible tumorale, elles deviennent fluorescentes, et peuvent donc également être utilisées pour effectuer une imagerie photoacoustique - technique alliant son et lumière pour produire une image de très haute résolution - et ainsi détecter des tumeurs.

L'importante versatilité de ces nanoparticules élargit les possibilités de traitement par combinaison d'imagerie et traitement proprement dit. La non-toxicité dans le corps de ces nanoparticules est sans précédent.

--

[1] l'Hôpital Princesse Margaret fait partie du " University Health Network " (UHN), un réseau de trois grands hôpitaux de la région de Toronto. L'UHN est affiliée à la faculté de médecine de l'Université de Toronto.

 

SOURCE:

-Dr Gang Zheng - University Health Network, Ontario Cancer Institute (OCI) Primary LAB, MaRS Centre & University of Toronto, Ontario, Canada - tél. : (001) 416-581-7666 - email : gang.zheng@uhnres.utoronto.ca

-Cette étude a été publiée en ligne le 20 mars dans le journal scientifique Nature Materials: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat2986.html

-Christian Turquat.

 

La mise en place de réglements afin d'assurer une gestion efficace des risques posés par les nanomatériaux et assurer leur développement responsable est au coeur des efforts de nombreux pays. Aux Etats-Unis, l'Environment Protection Agency (EPA) est responsable de l'application de la réglementation sur les composés chimiques par le Toxic Substance Control Act (TSCA) et sur les pesticides par le Federal Insecticide, Fungicide, and Rodenticide Act (FIFRA).

Le Government Accountability Office (GAO) vient de publier un rapport concernant les réglements de l'EPA sur les nanomatériaux, qui met en avant les difficultés actuelles sur ces questions [1]. L'American National Standards Institute (ANSI) a, lui, proposé aux acteurs américains de débattre d'une norme ISO en préparation concernant l'étiquetage des produits contenant des nanomatériaux.

Le GAO pointe la faiblesse des réglementations actuelles et de l'action de l'EPA

Dans son rapport, le GAO soulève les mêmes obstacles à une régulation efficace que ceux exposés dans un récent rapport publié par la Mission pour la Science et la Technologie aux Etats-Unis sur les questions d'environnement, santé et sécurité posés par les nanomatériaux [2]. Ces obstacles comprennent notamment l'absence d'une métrologie commune pour caractériser les nanomatériaux ou pour comparer les études de toxicité et la faiblesse de la réglementation qui n'est pas adaptée pour prendre en compte les nanomatériaux.

Le GAO remet en cause le principe d'identité moléculaire ("identique en substance") sur lequel est bâtie, dans le TSCA, la distinction entre matériau existant et nouveau matériau nécessitant une estimation des risques. Il invite l'EPA à considérer tous les nanomatériaux comme des nouveaux matériaux, même si ces derniers sont déjà approuvés dans leur usage macroscopique. Le GAO soutient ainsi les évolutions du TSCA proposées récemment [3].

Le GAO demande à l'EPA de créer de nouvelles réglementations pour tenir compte des propriétés particulières des nanomatériaux. Il appelle ainsi à modifier le FIFRA afin d'obliger les fabricants à indiquer la présence de nanomatériaux dans leurs produits, et ce même pour les produits déjà enregistrés. Enfin le GAO note que l'EPA devrait utiliser plus largement la réglementation actuelle afin de collecter des données sur la production des nanomatériaux.

L'ANSI met en débat une norme à venir sur l'étiquetage des produits contenant des nanomatériaux

L'American National Standards Institute (ANSI) est l'institution représentant les Etats-Unis dans le Comité Technique pour les nanotechnologies de l'International Organization for Standardization (ISO), le TC 229. Elle fait le lien entre les travaux menés par le comité et les acteurs américains concernés. A ce titre, elle a proposé une réunion publique sur internet afin d'obtenir notamment l'avis des industriels sur le document en préparation.

La rédaction de cette Technical Specification, l'ISO/DTS 13830 [4], est conduite par le Comité Européen de Normalisation (CEN) [5]. L'ANSI cherche donc à obtenir l'avis des acteurs américains afin de défendre au mieux leurs intérêts. Cette nouvelle norme risquerait en effet d'avoir des répercussions importantes pour les industriels dans le domaine des cosmétiques, de l'alimentation et de l'industrie chimique.

L'enjeu du coté américain sur ces questions de sureté et de maitrise des risques est généralement abordé sous l'angle des répercussions économiques. L'action de l'ANSI en est un nouveau témoignage. Au même moment, en Europe, c'est la question de la sécurité des personnes qui incite les parlementaires à prendre des mesures concernant les nanomatériaux [6]. L'exemple des mesures prises pour réglementer les nanomatériaux illustre ainsi comment différentes politiques analysent les questions posées par les travaux de recherche et les innovations et y apportent des réponses.

 

Source:

- EPA's oversight of nanomaterials questioned, RSC News, R. Trager, 30/06/2010 - http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2010/June/30061001.asp - ANSI News, 29/06/2010 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/LR6P0
Rédacteur :	Vincent Reillon, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org

 

Qu'on le sache ou non, on retrouve les nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) dans la plupart des produits cosmétiques, dans les crèmes solaires, dans les colorants alimentaires et dans les compléments nutritionnels. Bien que le TiO2 à l'état macroscopique et microscopique soit chimiquement inerte, il a déjà été montré qu'à l'échelle nanoscopique le TiO2 a un impact sur la santé : il existe une cancérogénèse pulmonaire chez le rat, (non transposable à l'homme selon de nombreux auteurs). Cependant, les mécanismes de génotoxicité (c'est-à-dire qui peut compromettre l'intégrité du génome) n'ont pas été définis clairement et jusqu'à maintenant ont été très peu étudiés dans des conditions in vivo. Une étude conduite par des chercheurs de Univesity of California à Los Angeles (UCLA), au Jonsonn Comprehensive Cancer Center, est la première à montrer un tel effet génotoxique des nanoparticules de TiO2 sur des souris vivantes, d'après Robert Schiestl, professeur de pathologie, radiation et oncologie à UCLA, et auteur principal de l'étude.

L'étude porte sur des souris à qui les chercheurs ont donné à boire de l'eau contenant des nanoparticules de TiO2. Une fois que les nanoparticules de TiO2 sont entrées dans le système, elles s'accumulent dans différents organes et le corps n'a aucun moyen de les éliminer en totalité. Et parce qu'elles sont très petites (de 20nm à 200nm), elles peuvent pénétrer les cellules, et peuvent interférer avec les mécanismes intracellulaires causant le stress oxydant et les inflammations pulmonaires qui avaient déjà été mis en évidence chez le rat. Plus les particules sont petites, plus la surface générée par l'agglomération des particules est importante (de manière exponentielle), plus le stress oxydant et les inflammations sont importants, c'est ce que l'on appelle la réactivité de surface.

Outre le stress oxydant et les inflammations, un nouveau mécanisme de toxicité plus particulièrement inquiétant a été mis en évidence par les chercheurs chez les souris vivantes. En effet ils montrent des modifications des chaines d'ADN : des cassures dans l'ADN double hélice ont été mises en évidence.

La manufacture de TiO2 représente une industrie importante, avec une production d'environ deux millions de tonnes par an. Les personnes les plus exposées aux nanoparticules sont évidemment les employés de cette industrie, mais les résultats de cette étude devraient susciter les inquiétudes quant à l'exposition aux nanoparticules des consommateurs, d'après le professeur Schiestl. Les souris exposées aux nanoparticules de TiO2 ont commencé à montrer des dommages génétiques à partir du 5e jour. L'équivalent humain serait d'une année et demie d'exposition aux nanoparticules dans un environnement industriel. Cependant il n'est pas clair si l'exposition régulière et quotidienne augmente exponentiellement avec le temps.-

"Nanoparticles used in common household items caused genetic damage in mice", 16 Novembre 2009
http://www.nanowerk.com/news/newsid=13559.php
- Abstract de la publication dans Cancer Research : "Titanium Dioxide Nanoparticles Induce DNA Damage and Genetic Instability In vivo in Mice" - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/HCFLg

Des marqueurs fluorescents qui aident le chirurgien à repérer en temps réel les contours de la tumeur maligne qu’il opère. Des médicaments « intelligents » capables d’être activés à distance dès qu’ils ont atteint leur cible... Comme d’autres domaines de la médecine, la cancérologie se met à l’heure des nanotechnologies. La plupart de ces minuscules outils, dont la taille est de l’ordre du milliardième (« nano » en grec) de mètre, n’en sont qu’au stade de la recherche. Mais ils ouvrent, à moyen terme, des perspectives passionnantes tant pour diagnostiquer que pour soigner les cancers. Un symposium international, récemment organisé à Paris par l’Institut national du cancer (Inca) et l’Inserm, a fait le point sur ces recherches en « onconano ».

Côté diagnostic, l’un des défis majeurs consiste à mettre au point des nanosondes capables de se fixer sur les cellules cancéreuses. Injectées dans l’organisme, elles peuvent ainsi révéler la présence d’une tumeur en émettant un signal, radioactif ou optique par exemple. « Le traceur idéal, qui marque à 100 % les cellules cancéreuses, et uniquement celles-ci, est sans doute un mythe », note d’emblée Philippe Rizo, directeur scientifique de Fluoptics, une start-up du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) qui travaille sur deux pistes prometteuses dont l’une, la nanoémulsion de fluorophore, permet d’illuminer le système lymphatique.

Ce traceur, à l’essai chez l’animal, repère les ganglions drainant une tumeur, c’est-à-dire les voies par lesquelles les cellules cancéreuses se disséminent dans le corps du patient. « En protégeant le fluorophore, notre nanémulsion permet d’obtenir une brillance très importante et une très grande stabilité, ce qui permettra d’appliquer cette technique à de nombreux types de cancer », poursuit M. Rizo.

Plus spectaculaire encore, Fluoptics développe un marqueur de la néoangiogénèse, autrement dit la formation de nouveaux vaisseaux sanguins qui accompagne la croissance des tumeurs cancéreuses. Chez un malade sur quatre, ce traceur fluorescent se fixe aussi sur la tumeur elle-même. Couplé au système optique développé par Fluoptics, « cela aidera le chirurgien à visualiser directement les cellules potentiellement cancéreuses et les limites de la tumeur pendant l’intervention », prédit M. Rizo en précisant que les cancers de la cavité abdominale devraient être les premiers concernés.

Actuellement à l’étude chez de petits animaux, ce marqueur devra cependant passer par le même circuit de validation qu’un médicament. Selon le directeur scientifique de Fluoptics, les premiers essais cliniques sont prévus vers 2011.

« Les techniques de diagnostic par imagerie moléculaire sont prometteuses à assez court terme », confirme le Pr Jean-Yves Blay, cancérologue au centre Léon-Bérard, à Lyon.

Mais pour ce praticien, les nanotechnologies auront bien d’autres applications dans le dépistage des cancers. « À l’avenir, ces outils permettront de réaliser de minuscules prélèvements, beaucoup moins traumatisants pour les malades que les biopsies d’aujourd’hui. Les laboratoires sur puce seront aussi très utiles pour étudier de façon très fine les caractéristiques des tumeurs, avec une série de biomarqueurs. » Un profilage indispensable en vue de traitements personnalisés.

Le versant thérapeutique des nanotechnologies est également en pleine ébullition. Le principe est séduisant : en plaçant les substances médicamenteuses dans des nanoenveloppes, on modifie profondément leur diffusion dans l’organisme. Soixante-dix fois plus petits qu’un globule rouge, les « nanovecteurs » franchissent aisément les barrières biologiques, à commencer par les membranes cellulaires.

Au final, l’efficacité est augmentée, et la toxicité du traitement réduite. Plusieurs nanomédicaments (notamment à base de liposomes et de protéines pegylées) sont déjà commercialisés. L’équipe du Pr Patrick Couvreur de la faculté de Chatenay-Malabry (Hauts-de-Seine) développe de nouvelles générations de nanovecteurs.

Un composé à base de gemcitabine - une chimiothérapie déjà ancienne - et de squalène (le cholestérol du requin) est ainsi à l’étude. L’association de ces deux substances, qui entraîne la formation spontanée de nanoparticules, a déjà obtenu des résultats spectaculaires dans plusieurs types de cancers chez l’animal. Des travaux consistant à envelopper le duo gemcitabine-squalène dans des particules d’oxyde de fer sont également en cours. Objectif : activer le médicament à distance par un aimant quand il a atteint sa cible tumorale.