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Applications des nanotechnologies en biologie et santé
L’avantage indéniable des nanotechnologies dans ce domaine est dû à une combinaison de facteurs. Tout d’abord, la faible taille des objets, et par conséquent leur large ratio surface/volume, permet une interaction plus importante avec le milieu environnant. D’autre part, le large panel de leur composition multiplie leurs applications possibles. En nanomédecine, plusieurs stratégies de fabrication sont adoptées. En effet, la composition initiale peut varier énormément en fonction de l’application. Une base organique permet une meilleure biocompatibilité mais une plus faible stabilité en milieu biologique notamment in vivo. A l’inverse, une base inorganique présentera une plus forte stabilité mais avec des risques de toxicité potentielle.
Afin d’améliorer les propriétés biologiques des objets manufacturés, certaines modifications de surface peuvent ensuite être apportées :
Le revêtement par le Polyéthylène glycol (PEG) est très utilisé car ce polymère hydrosoluble permet une furtivité immunitaire ainsi qu’une stabilisation des colloïdes. Ces deux facteurs sont d’une importance capitale pour des applications nécessitant l’introduction dans la circulation sanguine car le temps de demi-vie s’en trouve largement augmenté. L’utilisation de molécules organiques endogènes (acide folique , transferrine, Poly(L)Lysine) ou exogènes (peptide TAT issu du VIH) permet d’améliorer l’internalisation des nano-objets pour le marquage cellulaire par exemple. Le revêtement de polymères naturels (chitosan , dextran ) ou synthétiques utilisés dans l’industrie agro-alimentaire permet de diminuer la toxicité. Enfin, le ciblage cellulaire, notamment de cellules cancéreuses peut être réalisé par ajout de molécules organiques endogènes (anticorps…).
La combinaison de différents agents de revêtement est également une stratégie largement adoptée notamment en thérapie anticancéreuse pour profiter d’un temps de circulation plus long et d’un ciblage cellulaire efficace. Ainsi, comme mentionné précédemment, les nanotechnologies trouvent de nombreuses applications en biologie et médecine.
Thérapie
Historiquement, la première application médicale des nanotechnologies fût la thérapie anticancéreuse. En effet, le premier médicament sur le marché (approuvé en 1995) utilisant des nanotechnologies fut le Doxil®, un liposome encapsulant de la doxorubicine et recouvert d’un dérivé de polyéthylène glycol. Depuis lors, la vectorisation des principes actifs n’a cessé de prendre de l’ampleur jusqu’à atteindre 43 composés pharmaceutiques approuvés en 2014 . Ce type de formulation permet une délivrance plus ciblée et plus spécifique tout en limitant les dommages aux tissus sains. Si la majorité des médicaments approuvés repose sur l’utilisation de liposomes ou de polymères , d’autres stratégies d’encapsulation sont à l’étude, notamment par l’utilisation de dendrimères ou de nanoparticules inorganiques de silice mésoporeuses ou d’or .
Par la suite, d’autres applications thérapeutiques ont vu le jour, notamment via l’ingénierie tissulaire et la production de biomatériaux assemblables sous forme de réseaux de fibres de collagène, d’hydroxyapatite ou bien de nanotubes de carbone. Les applications principales de ce types de matériaux sont de fournir un support mécanique (matrice extracellulaire par exemple) pour la prolifération cellulaire et la reconstruction tissulaire (osseuse, dentaire…) ou la guérison de plaies .
Enfin, les propriétés intrinsèques de certains matériaux combinées à leur taille nanométrique ont donné lieux à l’apparition de nouvelles formes de thérapies ou à l’amélioration de thérapies existantes. Ceux-ci sont par exemple capables d’emmagasiner de l’énergie reçue par onde(s) électromagnétique(s) et de la restituer localement sous d’autres formes induisant des lésions tissulaires (principalement la destruction tumorale). Les exemples les plus marquants sont la radiosensibilisation, consistant en la potentialisation de la radiothérapie anticancéreuse via l’utilisation de nanomatériaux comme les nanoparticules d’or ou l’hyperthermie locale pour destruction tumorale via l’utilisation de différents matériaux et différentes ondes adaptées (magnétique, micro-onde, infrarouge) .
Analyse
La médecine moderne tendant de plus en plus vers une thérapie personnalisée, la détection précoce et fiable d’un grand nombre de marqueurs spécifiques de pathologies est essentielle afin d’établir un diagnostic. Les nanotechnologies permettent d’atteindre de tels résultats notamment via le développement et l’utilisation de nanocapteurs (« nanosensors ») améliorant grandement la vitesse et la sensibilité de détection simultanée, et à large échelle, de nombreux biomarqueurs. Ces technologies reposent principalement sur la variation de courant électrique le long de nanofils de silice auxquels sont liés des molécules biologiques (anticorps, sonde ADN, protéine…) . A terme, les évolutions dans ce secteur permettront la création de « Lab-on-a-chip », véritable laboratoires miniatures permettant l’extraction de plasma sanguin suivi de la détection de nombreux biomarqueurs.
Imagerie
Les applications en imagerie préclinique et clinique sont variées : Imagerie par résonnance magnétique, imagerie optique, tomodensitométrie, imagerie nucléaire et par ultrasons . La taille, les propriétés intrinsèques et la chimie de surface des nanomatériaux permettent d’outrepasser les limitations existantes des agents de contraste classiquement utilisés . La chimie de synthèse des nanomatériaux permet de combiner plusieurs fonctionnalités au sein d’un même objet. Ainsi, imagerie et analyse peuvent être regroupées sous une thématique commune de diagnostic car elles permettent dans la majorité des cas d’identifier des marqueurs ou des zones spécifiques de pathologies. Thérapie et imagerie font l’objet d’une association qui prends son sens avec les nanosciences : le théranostic. Il est ainsi possible de combiner, par exemple, la délivrance de médicaments au site tumoral et l’imagerie associée permettant une resection ultérieure et donc une élimination des cellules cancéreuses plus drastique ou encore l’imagerie préclinique et la radiosensibilisation.
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Table des matières
I. Introduction générale
II. Etat de l’art
A. Applications des nanotechnologies en biologie et santé
1. Thérapie
2. Analyse
3. Imagerie
B. Principes et applications des méthodes d’imagerie biomédicale
1. La fluorescence
2. L’imagerie par résonance magnétique
3. La tomodensitométrie
4. Imagerie nucléaire (Tomographie par émission de positons et tomographie par émission monophotonique)
5. L’échographie
6. La multimodalité
C. Les nanoparticules à base de lanthanides : apports et avantages pour l’imagerie biologique
1. Généralités sur les lanthanides
2. Applications en imagerie
D. La thérapie cellulaire
1. Origines des cellules utilisées en thérapie
2. Les cellules stromales mésenchymateuses
E. Traceurs cellulaires et thérapie
1. Gènes rapporteurs
2. Nanoparticules
F. Projet de thèse
1. Cahier des charges pour le développement d’un nouveau traceur pour la biologie
2. Présentation des candidats
III. Développement d’outils pour l’imagerie biologique
A. Introduction
B. Synthèse des nanoparticules d’oxysulfure de gadolinium (Gd2O2S)
C. Caractérisation physico-chimique
1. Matrice d’oxysulfure de gadolinium
2. Propriétés optiques des dopants
D. Système d’imagerie proche infrarouge personnalisé
1. Mise au point de l’imageur
2. Développement de la méthode d’injection dans un organe solide
E. Conclusion
IV. Utilisation des nanoparticules d’oxysulfure de gadolinium pour l’imagerie biologique
A. Introduction
B. Oxysulfures de gadolinium dopés europium (Gd2O2S:Eu3+)
1. Suivi de la biodistribution par imagerie par résonnance magnétique
2. Métabolisme et effets secondaires
C. Oxysulfures de gadolinium dopés ytterbium thulium (Gd2O2S:Yb3+/Tm3+)
1. Suivi de la biodistribution par imagerie proche infrarouge
2. Impact sur la santé des animaux
D. Conclusion
V. Marquage et suivi cellulaire
A. Introduction
B. Mise au point du marquage cellulaire in vitro : Gd2O2S:Eu3+
1. Marquage cellulaire polyvalent
2. Marquage des cellules stromales mésenchymateuses de la moelle osseuse
3. Fiabilité du marquage
4. Vieillissement des nanoparticules
5. Imagerie cellulaire multimodale
C. Suivi des cellules stromales mésenchymateuses in vivo : Gd2O2S :Yb3+/Tm3+
1. Suivi des MSCs au cours du temps par fluorescence proche infrarouge
2. Imagerie multimodale
D. Conclusion
VI. Conclusion générale
VII. Perspectives
A. Améliorations du système d’imagerie proche infrarouge
B. Améliorations de la tolérance des NPs
C. Améliorations du marquage cellulaire
D. Améliorations du suivi des cellules injectées
E. Applications biomédicales
VIII. Valorisation des travaux
A. Publications scientifiques
B. Brevets
C. Communications orales
IX. Techniques de caractérisation
A. Diffraction des rayons X
B. Spectrophotométrie
C. Microscopie électronique
1. Microscopie électronique à transmission
2. Microscopie électronique à balayage
D. Spectrométrie à plasma induit
1. Spectrométrie à Emission Optique couplée à l’ICP (ICP-OES)
2. Spectrométrie de Masse couplée à l’ICP (ICP-MS)
X. Conclusion générale
