Nanotechnologie, la manipulation de la matière à l’échelle atomique et moléculaire pour créer des matériaux présentant des variations remarquables et de nouvelles propriétés, est un domaine de recherche en pleine expansion avec un énorme potentiel dans de nombreux secteurs, allant des soins de santé à l’immobilier.
La construction et l’électronique. En médecine, elle promet de révolutionner l’administration des médicaments, la thérapie génique, le diagnostic et de nombreux domaines de la recherche, du développement et de l’application clinique.
Cet article ne tente pas de couvrir l’ensemble du domaine, mais offre, à l’aide de quelques exemples, quelques aperçus sur la façon dont la nanotechnologie a le potentiel de changer la médecine, tant en laboratoire de recherche qu’en clinique, tout en abordant certains des aspects de la recherche financée par les défis et les préoccupations qu’il soulève.
Qu’est-ce que la nanotechnologie ?
Le préfixe nano vient du grec ancien nain. En science, cela signifie un milliardième (10 à moins 9) de quelque chose, donc un nanomètre (nm) est un milliardième de mètre, soit 0,00000000001 mètre. Un nanomètre a une largeur d’environ trois à cinq atomes, ou environ 40 000 fois plus petit que l’épaisseur des cheveux humains. Un virus a généralement une taille de 100 nm.
La capacité de manipuler des structures et des propriétés à l’échelle nanométrique en médecine, c’est comme avoir un banc de laboratoire sub-microscopique sur que vous pouvez manipuler des composants cellulaires, des virus ou des morceaux d’ADN, à l’aide d’une gamme d’outils minuscules, de robots et de tubes.
Manipulation de l’ADN
Les thérapies qui impliquent la manipulation de gènes individuels, ou les voies moléculaires qui influencent leur expression, sont les suivantes de plus en plus étudiée en tant qu’option pour le traitement des maladies. L’un des objectifs les plus recherchés dans ce domaine est la capacité d’adapter les produits aux besoins des clients. les traitements en fonction de la constitution génétique de chaque patient. Cela crée un besoin d’outils qui aident les scientifiques à expérimenter et à mettre au point de tels traitements.
Imaginez, par exemple, être capable d’étirer une section d’ADN comme un brin de spaghetti pour l’examiner ou l’opérer, ou en construisant des nanorobots qui peuvent marcher et effectuer des réparations à l’intérieur des composants cellulaires. La nanotechnologie apporte aux scientifiques de quoi rêver au plus près de la réalité.
Par exemple, des scientifiques ont réussi à fixer des perles de latex enduites aux extrémités de perles de latex modifiées. ADN, puis à l’aide d’un piège optique comprenant un faisceau de lumière focalisé pour maintenir les perles en place, ils ont étiré les perles de l’ADN afin d’étudier les interactions de protéines de liaison spécifiques.
Nanobots et Nanostars
Pendant ce temps, des chimistes de l’Université de New York (NYU) ont créé un robot nanométrique à partir de fragments d’ADN qui marche sur deux jambes de seulement 10 nm de long. Dans un article publié en 2004 dans la revue, ils décrivent comment leur nanowalker, avec à l’aide de molécules de psoralène attachées à l’extrémité de ses pieds, fait ses premiers pas de bébé : deux en avant et deux en arrière.
L’un des chercheurs, a dit qu’il envisage la possibilité de créer une chaîne de production à l’échelle de la molécule, où vous pourriez déplacer une molécule jusqu’à ce que le bon emplacement soit atteint, et un nanobot fait un peu de chimie dessus, un peu comme soudage par points sur un espace d’assemblage de voitures. Le laboratoire cherche également à utiliser la nanotechnologie de l’ADN pour fabriquer un ordinateur à biopuce, et pour découvrir comment les molécules biologiques se cristallisent, un domaine qui est actuellement confronté à de nombreux défis.
Le travail que font ces collègues est un bon exemple de biomimétique, où avec la nanotechnologie, ils peuvent imiter certains des processus biologiques de la nature, comme le comportement de l’ADN, pour mettre au point de nouvelles méthodes et peut-être même améliorer la qualité de l’ADN. Des nanorobots à base d’ADN sont également créés pour cibler les cellules cancéreuses. Par exemple, des chercheurs ont récemment raconté dans le magazine Science comment ils ont fait un rapport d’étape sur l’élaboration d’un origami nanorobot de l’ADN pour transporter une charge moléculaire. Le nanobot en forme de tonneau peut transporter des molécules contenant des instructions qui font que les cellules se comportent d’une manière particulière. Dans leur étude, l’équipe a démontré avec succès comment elle a réussi à livrer des molécules qui déclenchent le suicide cellulaire dans les cellules leucémiques et lymphomatiques.
Des nanobots fabriqués à partir d’autres matériaux sont également en cours de développement. Par exemple, l’or est le matériau des scientifiques utilise les nanoparticules pour fabriquer des nanostars, des nanoparticules simples, spécialisées et en forme d’étoile qui peuvent délivrer des médicaments directement au noyau des cellules cancéreuses. Dans la revue ACS Nano, ils décrivent comment les nano-étoiles chargées de médicaments se comportent comme de minuscules auto-stoppeurs, qu’après être attirés par une protéine surexprimée à la surface des cellules cancéreuses du col de l’utérus et de l’ovaire, déposent leur charge utile correctement dans le noyau de ces cellules.
Les chercheurs ont découvert que le fait de donner à leur nanobot la forme d’une étoile a aidé à surmonter l’un des défis de l’utilisation des nanoparticules pour l’administration des médicaments : comment libérer les médicaments avec précision. Ils disent que la forme aide à concentrer les impulsions lumineuses utilisées pour libérer l’énergie.
Nanofactories qui fabriquent des médicaments in situ
Les scientifiques découvrent que les médicaments à base de protéines sont très utiles parce qu’ils peuvent être programmés pour délivrer des signaux spécifiques aux cellules. Mais le problème avec l’administration conventionnelle de ces médicaments, c’est que l’organisme les décompose 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 Nano.
Des lettres, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technologie (MIT) aux États-Unis montrent comment il est possible d’y parvenir. Dans leur preuve de principe, ils démontrent la faisabilité de l’auto-assemblage de nanofactories qui fabriquent des composés protéiques, à la demande, sur des sites cibles. Jusqu’à présent, ils ont testé l’idée chez la souris, en créant des nanoparticules programmées pour produire.
Protéine fluorescente verte (GFP) ou luciférase exposée à la lumière UV.
L’équipe du MIT a eu cette idée en essayant de trouver un moyen d’attaquer les tumeurs métastatiques, celles qui se développent à partir 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 à un cancer métastatique. Ils travaillent maintenant sur des nanoparticules qui peuvent synthétiser des médicaments anticancéreux potentiels, ainsi que sur d’autres façons des allumer.
Nanofibres
Les nanofibres sont des fibres dont le diamètre est inférieur à 1 000 nm. Les applications médicales comprennent les matériaux spéciaux pour les pansements de plaies et les textiles chirurgicaux, les matériaux utilisés dans les implants, l’ingénierie tissulaire et les composants d’organes artificiels.
Les nanofibres de carbone sont également prometteuses pour l’imagerie médicale et les outils de mesure scientifiques précis. L’un des principaux défis à relever est de savoir comment les rendre toujours de la bonne taille. Historiquement, cela a été coûteux et chronophage.
Mais l’an dernier, des chercheurs ont révélé comment ils avaient mis au point une nouvelle méthode de fabrication des nanofibres de carbone de tailles spécifiques. Rédigé dans ACS en mars 2011, ils décrivent comment ils ont réussi à cultiver des nanofibres de carbone de diamètre uniforme, en utilisant des nanoparticules de nickel recouvertes d’une coque faite de ligands, petites molécules organiques dont les parties fonctionnelles se lient directement aux métaux.
Les nanoparticules de nickel sont particulièrement intéressantes car, à haute température, elles contribuent à la croissance des nanofibres de carbone. Les chercheurs a également constaté qu’il y avait un autre avantage à utiliser ces nanoparticules, elles pouvaient définir l’endroit où les nanofibres se développaient et en corrigeant la croissance des nanofibres.
Ils pourraient faire croître les nanofibres selon un modèle spécifique désiré : une caractéristique importante pour les nanoparticules utiles.
Le plomb est une autre substance qui est utilisée comme nanofibre, à tel point qu’un futur neurochirurgien étudiant à l’École de médecine a lancé sa propre entreprise de nanomédecine dans le but de révolutionner le maillage chirurgical 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 le cerveau et la moelle épinière. Mais il pense qu’il pourrait aussi être utilisé pour soigner les hernies, les fistules et d’autres blessures.
Actuellement, les mailles chirurgicales utilisées pour réparer la membrane protectrice qui recouvre le cerveau et la moelle épinière sont faites de tissu épais et résistant, rigide, difficile à travailler. Le maillage en nanofibres de plomb est plus mince, plus souple et plus susceptible de s’intégrer à la structure de l’appareil.
Selon lui, chaque fil de la maille de nanofibres est des milliers de fois plus petit que le diamètre d’un fil d’acier. L’idée est d’utiliser le matériau nanofibre non seulement pour faciliter les interventions chirurgicales, mais aussi pour réduire le nombre d’interventions. Les complications post-opératoires pour les patients, car elles se résorbent naturellement avec le temps.
Des chercheurs de l’Institut polytechnique de l’Université de New York (NYU-Poly) ont récemment fait la démonstration d’une nouvelle façon de faire des nanofibres de protéines. Dans un article paru récemment dans la revue, les chercheurs affirment qu’ils sont venus à travers leur découverte presque par hasard : ils étudiaient certaines protéines cylindriques dérivées du cartilage, lorsqu’ils ont découvert que l’appareil a remarqué qu’à de fortes concentrations, certaines des protéines se sont spontanément rassemblées et se sont auto-assemblées en nanofibres.
Ils ont mené d’autres expériences, comme l’ajout d’acides aminés reconnaissant les métaux et de différents métaux, et ont constaté qu’ils pouvaient contrôler la formation des fibres, d’en modifier la forme et de savoir comment elles se lient aux petites molécules. Par exemple, l’ajout de nickel a transformé les fibres en nattes agglomérées pourraient être utilisées pour déclencher la libération d’une molécule médicamenteuse qui y est fixée.
Les chercheurs espèrent que cette nouvelle méthode améliorera grandement l’administration des médicaments pour traiter le cancer, les troubles cardiaques et la maladie d’Alzheimer. Ils peuvent également voir des applications dans la régénération des tissus humains, des os et du cartilage, et même comme un moyen de développer des tissus plus fins et des microprocesseurs plus puissants pour les ordinateurs et l’électronique grand public.
Qu’est-ce que l’avenir et préoccupations relatives aux nanomatériaux environnants ?
Ces dernières années, on a assisté à une explosion du nombre d’études montrant la variété des applications médicales de la nanotechnologie et des nanotechnologies nanomatériaux. Dans cet article, ils n’ont aperçu qu’une petite partie de ce vaste domaine. Cependant, dans l’ensemble de la gamme, il existe des défis considérables, dont les plus importants semblent être la façon d’accroître la production de matériaux et d’outils et la façon d’améliorer la qualité de l’environnement et de réduire les coûts et les délais. Mais un autre défi consiste à obtenir rapidement la confiance du public que cette technologie en expansion rapide est sécuritaire. Et jusqu’à présent, ce n’est pas clairement si c’est ce qui est en train d’être fait.
D’aucuns suggèrent que les préoccupations au sujet de la nanotechnologie pourraient être exagérées. Ils soulignent le fait que ce n’est pas parce qu’une molécule est nanométrique, cela ne veut pas dire qu’elle est dangereuse, les nanoparticules existent en effet depuis la naissance de la Terre, présentes naturellement dans les cendres volcaniques et les embruns marins, par exemple. En tant que sous-produits de l’activité humaine, ils sont présents depuis que l’âge de pierre, dans la fumée et la suie.
Parmi les tentatives d’enquête sur la sécurité des nanomatériaux, le National Cancer Institute des États-Unis affirme qu’il y a tant d’études sur l’innocuité des nanomatériaux naturellement présentes dans l’environnement qu’elles sont souvent à des niveaux d’ordre de grandeur plus élevés que les nanoparticules modifiées en cours d’évaluation. A bien des égards, ils soulignent que la plupart des nanoparticules manufacturées sont beaucoup moins toxiques que les nanoparticules ménagères.
Les produits de nettoyage, les insecticides utilisés sur les animaux de compagnie et les remèdes antipelliculaires en vente libre, et que, par exemple, dans leur utilisation en tant que porteurs de produits chimiothérapeutiques dans le traitement du cancer, ils sont beaucoup moins toxiques que les médicaments qu’ils transportent. C’est peut-être davantage dans le secteur de l’alimentation que nous avons assisté à la plus forte expansion des nanomatériaux sur le plan commercial.
Bien que le nombre d’aliments contenant des nanomatériaux soit encore faible, il semble qu’il est appelé à changer au cours des prochaines années à mesure que la technologie se développe. Les nanomatériaux sont déjà utilisés pour réduire les niveaux de matières grasses et de sucre sans altérer le goût, ou pour améliorer le goût. L’emballage pour garder les aliments plus frais plus longtemps ou pour informer les consommateurs si les aliments sont abîmés. Ils sont également utilisés pour accroître la capacité de la biodisponibilité des nutriments (par exemple dans les compléments alimentaires).
Mais il y a aussi des parties concernées, qui soulignent que si le rythme de la recherche s’accélère et le marché des nanomatériaux se développe, il semble que l’on ne fasse pas assez pour en découvrir les conséquences toxicologiques.
C’est le point de vue d’un comité scientifique et technologique qui, dans un récent rapport sur les nanotechnologies et l’alimentation, soulèvent plusieurs préoccupations au sujet des nanomatériaux et de la santé humaine, en particulier le risque posé par le patient qui a ingéré des nanomatériaux.
Par exemple, un domaine qui préoccupe le comité est la taille et la mobilité exceptionnelle des nanoparticules : elles sont suffisamment petites. En cas d’ingestion, pour pénétrer les membranes cellulaires de la paroi intestinale, avec la possibilité d’accéder au cerveau et à d’autres parties du corps, et même à l’intérieur du noyau des cellules.
La solubilité et la persistance des nanomatériaux en sont un autre. Qu’arrive-t-il, par exemple, aux nanoparticules insolubles ? S’ils ne peuvent pas être décomposés et digérés ou dégradés, y a-t-il un danger qu’ils s’accumulent et endommagent les organes ? Nanomatériaux comprenant les oxydes métalliques inorganiques et les métaux sont ceux qui sont les plus susceptibles de poser un risque dans ce domaine.
De plus, en raison de leur rapport surface sur masse élevé, les nanoparticules sont très réactives et peuvent, par exemple, déclencher jusqu’à présent des réactions chimiques inconnues, ou par liaison avec des toxines, leur permettent d’entrer dans des cellules auxquelles ils n’auraient pas accès autrement.
Par exemple, avec leur grande surface, leur réactivité et leur charge électrique, les nanomatériaux créent les conditions d’un développement durable.
Les particules sont décrites comme agrégation de particules due aux forces physiques et agglomération de particules due aux forces chimiques, de sorte que l’individu
Les nanoparticules s’assemblent pour former des nanoparticules plus grandes. Cela peut conduire non seulement à des particules beaucoup plus grosses, par exemple dans l’intestin et à l’intérieur des cellules, mais pourrait aussi entraîner une désagrégation des amas de nanoparticules, ce qui pourrait modifier radicalement leurs propriétés physicochimique et la réactivité chimique.
Ces phénomènes réversibles ne font qu’ajouter à la difficulté de l’évolution de l’humanité. Comprendre le comportement et la toxicologie des nanomatériaux, explique le comité, dont la conclusion générale est que ni le gouvernement et les conseils de recherche n’accordent pas une priorité suffisante à la recherche sur la sécurité de la nanotechnologie, en particulier dans les domaines suivants
Considérant que le délai dans lequel les produits contenant des nanomatériaux peuvent être mis au point, ils recommandent qu’il y ait beaucoup plus de recherche pour s’assurer que les organismes de réglementation puissent évaluer efficacement l’innocuité des produits avant qu’ils ne soient autorisés à entrer sur le marché canadien.
Il semblerait donc que, qu’il soit réel ou perçu, le risque potentiel que la nanotechnologie présente pour la santé humaine doit être et d’être perçu comme tel. La plupart des nanomatériaux, comme le suggère le NCI, s’avéreront probablement inoffensifs. Mais lorsqu’une technologie progresse rapidement, les connaissances et la communication sur sa sécurité doivent suivre le rythme pour qu’elle puisse, surtout s’il s’agit aussi de gagner la confiance du public. ils n’ont qu’à regarder ce qui s’est passé et, dans une certaine mesure, nous sommes toujours avec des aliments génétiquement modifiés pour voir comment cela peut mal tourner.