Depuis quelques années, la nanotechnologie se profile comme un domaine émergent de la science et de la technologie qui nous conduit vers une nouvelle révolution industrielle.
Les nanotechnologies au service de la santé
La nanotechnologie est définie comme le « développement de la science et de la technologie aux niveaux atomique et moléculaire, à une échelle d’environ 1 à 100 nm, pour acquérir une compréhension fondamentale des phénomènes et des matériaux à cette échelle nanométrique et pour créer et utiliser des structures, dispositifs et systèmes qui ont de nouvelles propriétés et fonctions dues à leur taille ». Nanomètre (du latin nanus, nain) signifie un milliardième de mètre. L’aspect le plus intéressant des nanotechnologies n’est pas la possibilité de travailler avec de petits matériaux, mais le changement souvent radical des propriétés physiques et chimiques de la matière lorsqu’on travaille à cette échelle : conductivité électrique, couleur, résistance ou élasticité, entre autres propriétés, se comportent différemment du matériau volumétrique.
C’est pourquoi la nanotechnologie est largement utilisée dans différents domaines, notamment les matériaux, l’électronique, la médecine et l’énergie. Des avancées significatives ont déjà été réalisées dans la fabrication de matériaux de plus grande dureté et résistance, d’ordinateurs plus rapides avec une plus grande capacité de traitement grâce à des microprocesseurs à composants nanotechnologiques, des diagnostics médicaux plus efficaces ou l’obtention d’énergie à moindre coût et respectueux de l’environnement. Il existe déjà sur le marché une multitude de produits « nanotechnologiques », tels que des cosmétiques plus efficaces et protecteurs, des raquettes de tennis plus souples et plus résistantes, des lunettes qui ne grattent pas, des vêtements qui ne se froissent pas ou ne tachent pas, pour ne citer que quelques exemples.
La nanomédecine ouvre de nouvelles opportunités
L’émergence des nanotechnologies dans les sciences de la santé a donné naissance à une nouvelle discipline appelée nanomédecine, dont l’objectif principal est le développement d’outils pour diagnostiquer, prévenir et traiter les maladies lorsqu’elles sont encore à un stade avancé ou au début de leur développement. La nanomédecine étudie les interactions à l’échelle nanométrique à l’aide de dispositifs, de systèmes et de technologies qui comprennent des nanostructures capables d’interagir à l’échelle moléculaire et qui s’interconnectent au niveau micro pour interagir au niveau cellulaire.
L’un des grands défis de ce processus réside dans le développement de « nanothérapies » visant spécifiquement les tissus et organes malades, évitant ainsi d’endommager les cellules saines environnantes et donc d’éviter les effets secondaires redoutables des traitements actuels. A l’origine de la nanotechnologie, on prévoyait la fabrication de « nanorobots », qui seraient injectés directement et attaqueraient sélectivement les tissus endommagés, les protégeant même des agressions extérieures et réparant d’éventuels dommages. Bien qu’il s’agisse encore de science-fiction, on peut dire que des progrès considérables ont été réalisés dans la conception de nanostructures qui incorporent différentes fonctionnalités et peuvent jouer un rôle très similaire.
L’augmentation progressive observée dans les maladies graves telles que le cancer, les maladies cardiovasculaires, le diabète ou les maladies neurodégénératives (Alzheimer et Parkinson), pour lesquelles il n’existe pas de traitement définitif, nécessite de nouvelles méthodes diagnostiques et thérapeutiques plus rapides, plus efficaces et spécifiques que les méthodes actuelles et qui permettent de réduire autant que possible les coûts impliqués.
La nanomédecine promet de résoudre certains de ces défis majeurs grâce à la capacité de détecter rapidement la présence de maladies (comme le cancer) ou de régénérer les organes et tissus endommagés dans l’organisme, en fournissant un diagnostic précoce, un traitement adéquat et un suivi efficace de l’évolution du patient. Dans un proche avenir, des traitements individualisés à distance pourraient même être disponibles à domicile ou sur le lieu de travail du patient. La nanomédecine regroupe trois domaines principaux :
Le nanodiagnostic
Le nanodiagnostic consiste à mettre au point des systèmes d’analyse et d’imagerie pour détecter une maladie ou un dysfonctionnement cellulaire le plus tôt possible, in vivo et in vitro.
La délivrance contrôlée de médicaments (nanothérapie)
La nanothérapie vise à cibler les nanosystèmes actifs contenant des éléments de reconnaissance pour agir ou transporter et libérer des médicaments exclusivement dans les cellules ou zones affectées, afin d’obtenir un traitement plus efficace, minimisant les effets secondaires.
La médecine régénérative
La médecine régénérative vise à réparer ou à remplacer les tissus et organes endommagés en utilisant des outils nanotechnologiques.
3 exemples d’applications possibles
Un détecteur de nanotechnologie pour les crises cardiaques
Les nanocapteurs qui détectent les crises cardiaques avant qu’elles ne surviennent pourraient sauver des vies et économiser de l’argent.
C’est exactement ce sur quoi Eric Topol, MD, de Scripps Health de San Diego, a travaillé avec Axel Scherer, PhD, de Caltech. Leur technologie fait appel à de minuscules nanocapteurs qui peuvent détecter le précurseur d’une crise cardiaque. Une personne ayant une puce si petite peut recevoir un avertissement sur son téléphone intelligent ou tout autre appareil sans fil qu’elle devrait immédiatement consulter son cardiologue.
Les dernières versions de la puce mesurent 90 microns, beaucoup plus petit qu’un grain de sable. Un médecin ou une infirmière pourrait injecter le nanocapteur dans le bras du patient, où il s’écoulerait jusqu’à l’extrémité distale du doigt et s’incrusterait, examinant le sang à la recherche de cellules endothéliales qui se sont détachées de la paroi d’une artère dans une période antérieure à une crise cardiaque.
Les capteurs sont maintenant utilisés pour la détection du glucose dans les études animales. Les tests chez l’humain devraient se poursuivre par la suite.
La combinaison d’un nanocapteur et d’un smartphone appairé pourrait être utilisée pour suivre les maladies auto-immunes et le cancer. Il peut également être utilisé pour détecter le rejet chez les patients ayant subi une transplantation d’organe. Dans cette application, le nanocapteur pourrait être étalonné pour détecter l’ADN de l’organe donneur dans le sang, qui commencerait à apparaître dans le sang comme un signe précoce de rejet.
Révolutionner la chirurgie oculaire
Les scientifiques du Multi-Scale Robotics Lab de l’EPF de Zurich ont mis au point un minuscule microbot à guidage magnétique conçu pour être intégré dans l’œil afin d’effectuer des chirurgies de précision ou de déployer des quantités précises de médicaments. Les chercheurs ont démontré la viabilité de la technologie dans les tests sur les lapins.
Les robots utilisés dans ce procédé ont un diamètre de 285 µm. Les microbots magnétiques sont alimentés par des champs magnétiques externes. Connu sous le nom d’OctoMag, les robots peuvent produire des forces magnétiques et des paires en trois dimensions. Le robot est si petit qu’il pourrait être utilisé pour aider à dissoudre les caillots dans les vaisseaux de l’œil.
La taille des microrobots autonomes a toujours été limitée par les moteurs et les dispositifs de propulsion. L’OctoMag évite cette exigence en utilisant un système de contrôle magnétique externe qui peut guider un dispositif d’injection d’aiguille dans l’œil, éliminant le besoin d’ouvrir l’œil.
Sur un horizon plus proche, Folk dit : « Il y a une grande entreprise appelée Replenish Inc. [Pasadena, CA] qui a une micro-pompe implantable. Il est placé juste derrière l’œil et finit par libérer ce médicament. Et ce qui est incroyable avec leur technologie, c’est qu’ils ont des capteurs, des pompes et une technologie sans fil intégrés, le tout dans un espace de la taille de deux pièces superposées. Ils ont déjà fait leur premier test sur l’homme – ils l’ont mis derrière l’œil, et ils ont libéré les médicaments avec le temps.
Applications de la nanotechnologie au traitement du cancer
Les nanoparticules se sont révélées utiles dans l’administration des traitements anticancéreux.
Les scientifiques de l’Université Cornell, par exemple, ont pu introduire de petites particules d’alliage d’or dans le sang et dans les cellules cancéreuses, où elles peuvent être chauffées pour les tuer. Les scientifiques de Cornell ont choisi l’or, numéro 79 du tableau périodique, pour la facilité avec laquelle il absorbe la chaleur infrarouge. Les chercheurs ont découvert comment lier l’or aux anticorps qui recherchent les cellules cancéreuses colorectales et livrer l’or aux cellules cancéreuses.
« C’est une solution très, très, très, très fraîche et élégante, dit Folk, mais l’or est assez inerte, alors que se passe-t-il ensuite ? comment l’extraire du corps et avec quels organes l’or interagit-il ? Tu dois regarder tout le cycle. »
Pendant ce temps, les ingénieurs chimistes du MIT ont conçu des nanoparticules qui transportent la doxorubicine, un médicament contre le cancer, ainsi que de courtes chaînes d’ARN qui peuvent bloquer un des gènes que les cellules cancéreuses utilisent pour échapper au médicament. Les chercheurs du MIT cherchaient des moyens de traiter une forme particulièrement agressive de cancer du sein.