Vectorisation et délivrance ciblée de médicaments ou gènes inductibles par des nanoparticules

Dans le domaine agricol

Dans la plupart des pays ACP(Afrique Caraibe Pacifique) dont 10 pays enclavés, 26 îles et 16 pays classés parmi les nations les moins développées, l’économie repose essentiellement sur l’agriculture. Celle-ci fournit des moyens de subsistance à plus de 60 à 70 % de la population [19].
On lit assez souvent que les OGM (Organisme Génétiquenent Modifiés), et surtout les OGM de nouvelle génération, vont sonner le glas de l’approche plusclassique de croisement-sélection pour inventer de nouvelles variétés végétales et animales mieux adaptées aux besoins des agriculteurs et des éleveurs [28].
Il convient de savoir que les OGM sont obtenus par transfert d’un gèned’intérêt dans une plante donnée (maïs, soja…) afin de lui faire fabriquer une protéine qui la rend résistante à l’action de certains agresseurs : insectes ravageurs du maïs comme la pyrale, ou herbicides utilisés par l’homme pour détruire les mauvaises herbes [29, 30].
La protéine fabriquée par la plante doit être évidemment dépourvue de toute action toxique ou allergisante pour les consommateurs [31]. Ce type de propriété est à priori correctement testé par les sociétés produisant des OGM. La finalité noble des OGM est normalement de réduire les quantités de pesticides ou d’herbicides qui doivent être utilisées dans l’agriculture.
En moins de dix ans, la surface totale cultivée dans le Monde avec des variétés d’OGM est passée de rien à près de 80 millions d’hectares (Figure 3).
Aujourd’hui, plus des deux tiers du soja cultivé dans le Monde est transgénique, c’est la variété résistante au glyphosate.

Avancées dans le domaine médical

Actuellement en plein essor, les nanotechnologies ont, durant la dernière décennie, ouvert la voie à de nombreuses avancées, tant en biologie qu’en médecine, et ont permis l’apparition de nouvelles techniques thérapeutiques ou diagnostiques. En proposant des exposés variés sur les molécules vectrices, l’imagerie médicale.

Le domaine Thérapeutique

Vectorisation et délivrance ciblée de médicaments ou gènes inductibles par des nanoparticules

L’homme rêve depuis toujours de pénétrer dans le corps humain pour l’explorer, comme l’illustre si bien le roman d’Isaac Asimov « Fantastic Voyage» paru en 1966, décrivant les aventures d’un vaisseau sous-marin qui est miniaturisé pour aller s’immiscer dans les profondeurs du corps humain [36].
Toutefois, les membranes biologiques constituent de véritables barrières de protection et de défense. La plus part des biomolécules, notamment les drogues hydrophobes, sont incapables de les franchir pour accéder au milieu intracellulaire. L’une des avancées majeures dans le domaine de la nanotechnologie appliquée à la biomédecine est le développement d’outils «vecteurs», organiques ou inorganiques, permettant de transporter des biomolécules et facilitant leur pénétration dans les cellules, tissus et organes ainsi que leur ciblage spécifique vers des types cellulaires spécifiques, cellules cancéreuses ou tumeurs [37].
La vectorisation est un phénomène qui consiste à administrer des médicaments directement à la cellule malade afin d’éviter de faire subir l’actionde ce médicament à toutes les cellules du corps humain [38].
Le vecteur est l’élément transportant la molécule médicamenteuse. Son rôle est de protéger la molécule thérapeutique des attaques causées par les anticorps humains mais aussi de cibler l’endroit oû cette molécule ira se fixer. Son site d’action peut être de différentes natures: il peut être de nature cellulaire,subcellulaire ou encore tissulaire [39]. Ainsi elle ouvre des perspectivesparticulièrement innovantes dans le domaine thérapeutique grâce à ces variantes:

Les émulsions de PICKERING

L’effet de stabilisation des émulsions par des particules fines est connu depuis un siècle [40].Ces émulsions sont appelées «émulsions de Pickering» du nom d’un des premiers chercheurs qui a décrit ce type de stabilisation. Cependant, la première description de ce phénomène est due à Ramsden [41,42]. Les émulsions de Pickering sont des dispersions de deux liquides non misciblesstabilisés par des particules solides.
L’utilisation des particules colloïdales pour préparer et stabiliser les émulsions de «Pickering» a eu un intérêt croissant au cours des dernières années. Contrairement aux émulsions classiques, qui sont généralementthermodynamiquement instables et stabilisées par des agents tensioactifs oucopolymères linéaires amphiphiles, les émulsions de Pickering sont souvent plus stables en raison de l’adsorption quasi irréversible des particules colloïdales à l’interface huile/eauen raison de leur haute énergie d’attachement, ce qui rend les émulsions finales extrêmement stables avec des durées de conservation allant jusqu’à voire des années [43,44].
Des études récentes ont résumé une grande variété de matériaux solides pour stabiliser les émulsions H/E et E/H et ont prouvé que l’efficacité du solide dans la stabilisation des émulsions dépend de la taille des particules, de la forme, de la concentration, de la mouillabilité et de l’intéraction entre eux [45].
L’utilisation des émulsions stabilisées par des particules solides constituentune nouvelle stratégie pour l’encapsulation et le transport des médicaments dansla formulation pharmaceutique et cosmétique.
Par exemple, des médicaments sont encapsulés dans des émulsions huile dans eau (H/E) et administrés aux patients par différentes voies: orale, parentérale, ophtalmique, topique et transdermique [46].Grâce à l’émulsion de Pickering on arrive à protéger des principes actifs labiles (par exemple dégradés par un milieu de pH défavorable ou par des enzymes des fluides digestifs) et permettre leur libération contrôlée mais aussi à augmenter l’index thérapeutique en diminuant la toxicité ou en augmentant l’efficacité (ciblage) et aussi augmenter la solubilité. De même, il est aussi possible d’utiliser ces émulsionspour des injections locales par exemple, ou encore d’incorporer deux principesactifs différents dans une même formulation [47].

Ciblage des cellules cancéreuses

Les techniques actuelles de thérapie du cancer ne sont pas toujours très efficaces. La chimiothérapie et ou radiothérapie, par exemple, peuvent détruire des cellules saines mais le contrôle de quantités injectées n’est pas encore très bien maitrisé d’où la survenue de cancer radio induit estimé à 1346 au Royaume-Uni [48,49].
La nanobiotechnologie nous propose la vectorisation à l’aide de nanoparticules. Cette recherche s’appuie sur de nouveaux concepts physicochimiques, étant donné qu’il est beaucoup question d’étudier les interactions entre les différentes molécules d’une cellule cible [50].
Le ciblage moléculaire, consistant à concevoir un médicament qui va spécifiquement reconnaître et interagir avec une cible précise responsable du développement du cancer, plutôt que d’agir sur un mécanisme cellulaire, consistant à diriger l’agent thérapeutique spécifiquement vers les cellules cancéreuses. Les assemblages nano-particulaires sont de plus couplés à des agents stabilisateurs pour permettre une diffusion prolongée dans l’organisme et réduire leur reconnaissance et leur opsonisation par le système immunitaire.
La thérapie ciblée est ainsi née dans les années 1990 avec pour conséquence un impact net sur l’efficacité des médicaments, et la réduction des effets secondaires lors de leur administration au patient. Le défit thérapeutique consiste à proposer des médicaments plus spécifiques et donc moins délétères pour l’organisme.

Autres moyens thérapeutiques

Implants osseux

Combler une perte de substance osseuse est un problème quasi quotidien en chirurgie orthopédique et en traumatologie. C’est très fréquemment que nous sommes confrontés à une perte de substance osseuse, qu’elle soit d’origine traumatique, tumorale, infectieuse ou dégénérative [60].
En 10 ans, l’implantologie a connu une évolution fulgurante. Le patient n’est plus et ne peut être traité au début 2008 comme en 1999.
Des biomatériaux comme les polymères, la céramique, et les métaux sont largement répandus dans l’os. Pour des thérapies régénératrices, ils sont utilisés dans les greffes d’os et dans de tissu aussi bien que pour les implants provisoires ou de constances pour stabiliser des ruptures ou pour remplacer des joints [61].
Ces dernières années, des matières biologiques en général les matériaux et os-connexes d’implant en particulier ont été considérablement raffinées avec l’objectif de développer, fonctionnaliser des matériaux, prétendus matériaux futés, contenant les molécules bioactives pour influencer directement le comportement de cellules [62, 63].
Dans ce contexte les nanoparticules qui sont dans la même classe de grandeur que les pièces intégrales de l’os normal, tel que des cristaux d’hydroxyapatite ou des compartiments cellulaires [64], sont les candidats prometteurs pour des applications locales. Localement les nanoparticules peuvent convenir pour de nombreux usages potentiels en ce qui concerne l’amélioration de la régénération de tissus, l’ostéo-intégration et la préventiondes infections osseuses [65].

Hyperthermie

La signification étymologique du mot «hyperthermie» est génération de la chaleur. En thérapie de cancer, le terme est employé pour impliquer le traitement basé sur la génération de la chaleur à l’emplacement de tumeurs [66].
L’approche implique de soulever la température de l’environnement local d’une tumeur ayant pour résultat de changer la physiologie des cellules malades menant finalement à l’apoptose [67].
Traditionnellement, le traitement par hyperthermie était administré par des dispositifs externes pour transférer de l’énergie aux tissus par irradiation avec de la lumière ou des ondes électromagnétiques. Les techniques actuellement disponibles pour l’induction de l’hyperthermie sont: ultrasons, radiofréquence, micro-ondes, le rayonnement infrarouge, grains thermiques magnétiques excitables, et les tubes avec de l’eau chaude. Cependant, chacune de ces méthodes souffre de ses propres limites [68].
Avec la possibilité de convertir l’énergie magnétique dissipée en énergie thermique, l’application de matériaux magnétiques pour le traitement du cancer par hyperthermie a été proposée en 1957 et depuis lors, l’approche a évolué dans un champ bien documenté grâce à l’introduction de nanoparticules magnétiques [69].
Pour une utilisation thérapeutique, les nanoparticules doivent tout d’abord être accumulées dans la zone tumorale, par injection localisée ou par intraveineuse avec vectorisation, puis excitées par un champ magnétique alternatif d’amplitude H et de fréquence f. Cette modalité de traitement complète des traitements actuellement disponibles comprenant la chimiothérapie, lathérapie radiologique, la chirurgie, la thérapie génique et l’immunothérapie pourle cancer [70].

Domaine diagnostic

Le développement des techniques scientifiques actuelles améliore, de jour en jour, la qualité de la santé, du travail, et de la vie de l’homme.
Les progrès de la nanobiotechnologie dans le domaine du diagnostic en général ont permis une amélioration considérable des techniques de diagnostic médical, biologique, radiologique etc.
Celles-ci permettent de visualiser l’intérieur d’un organisme de façon non évasive, sont les exemples même de ce progrès scientifique.

Domaine de l’imagerie

Imagerie par résonance magnétique (IRM)

L’IRM est une technique de diagnostic médical puissante qui fournit des images tridimensionnelles et en coupe de grande précision anatomique.
C’est l’une des technique d’imagerie les plus récentes. Elle est apparue vers les années 80 et permet de visualiser avec une grande précision les organes et tissus mous dans différente plans de l’espace. L’IRM repose sur le principe de résonance magnétique nucléaire (RMN) qui a été décrit par F. Bloch et E.M. Purcell en 1946 [71].
L’IRM consiste à observer la résonance magnétique nucléaire des protons de l’eau contenue dans l’organisme. En effet l’eau constitue environ 70% dupoids du corps humain et le proton H + est naturellement abondant et très sensible en RMN. L’intensité du signal observé va donc dépendre de la concentration en eau, mais aussi du temps de relaxation des spins nucléaires. Ainsi on pourra obtenir une image de la répartition en eau dans le corps du patient. C’est une méthode non invasive, ce qui permet d’éviter les opérations chirurgicales pour établir des diagnostics [72].
Aujourd’hui, après plusieurs années d’évolution, l’IRM est devenue une technique majeure de l’imagerie médicale moderne. Potentiellement, elle est appelée encore à des développements importants. Ainsi pour un grand nombre d’examen d’IRM, la sensibilité de la méthode appliquée est insuffisante,l’intensité du signal est souvent insuffisante pour permettre d’observer une différence convenable entre les parties saines ou affectées de l’organisme.
Pour rendre plus performant l’IRM, on a utilisé des agents de contrastes.
Ces produits agissent comme accélérateurs de la relaxation des H +tissulaires. Vu leur importance on pourra les cibler au moyen de peptides comme en médecine nucléaire [73]. Liés à la fibrine par exemple ils permettent de localiser unthrombus vasculaire; liés à un peptide b amyloïde adéquat, ils permettent ladétection de plaques d’Alzheimer [74].Inclus dans des particules ciblées contre le facteur de croissance endothélial qu’est l’αµβ 3 intégrine, ils permettent d’objectiver le niveau de néo-angiogenèse dont l’expression est corrélée au grade tumoral (figure 7) .

Domaine biologique

L’électrophorèse

Sous le terme électrophorèse (terme d’origine grec signifiant transport) ou anciennement cataphorèse, on regroupe les méthodes de séparation reposant sur les différences de vitesse de migration de particules chargées dans une solution d’électrolytes sous l’influence d’un champ électrique.
En biologie humaine, l’électrophorèse est utilisée pour mettre en évidence des changements d’un ou de plusieurs composés connus, essentiellement des protéines dans les liquides biologiques (sérum, urine, LCR, plus rarement liquide de ponction) ou le sang total (hémoglobine), à des fins diagnostiques ou de suivi. Elle utilise le plus souvent un seul support, en une seule dimension et sans rajout d’anticorps. Parmi les supports le gel d’agarose reste encore le plus utilisé et des progrès importants ont été réalisés en ce qui concerne sa résolution et sa sensibilité. L’électrophorèse sur gel de haute résolution (HR) permet une séparation des protéines selon leur rapport charge/masse en 5 à 8 fractions [79], ainsi que leur quantification densitométrique jusqu’à une concentration de 10 g/l environ. Elle est parfaitement adaptée à l’étude des liquides pauvres en protéines comme le LCR et l’urine, après une concentration du prélèvement.
Appliquée au LCR, les gels HR permettent une étude très fine de la zone des gammaglobulines [80]. Une révélation immunologique de certaines protéines d’intérêts présentes sur le gel permet d’augmenter encore la sensibilité de l’électrophorèse HR.
Alternativement, l’analyse des protéines urinaires sans concentration préalable de l’échantillon (lorsque la concentration est supérieure à 50mg7/l) sur un gel d’agarose réalisant un tamisage moléculaire d’une manière similaire au polyacrylamide est aujourd’hui possible avec le kit hydragel protéinurie (sebia) [82, 83, 84].Il sépare les protéines selon leur masse moléculaire et permet un typage aisé des protéinuries, ainsi que la quantification de l’albumine et des chaines légères libres.
Dans les années 1980, plusieurs équipes ont montrés qu’il était possible de réaliser une électrophorèse en veine liquide en utilisant un tube de faible diamètre interne (< 200 micromètre)appelé capillaire. Dans ces conditions, un champ électrique intense peut être employé sans induire d’échauffement par effet joule. De par ces performances analytiques, l’électrophorèse capillaire est aujourd’hui une des techniques de séparation intermédiaire entre l’électrophorèse classique et la chromatographie [85, 86].Elle permet l’étude demolécules variées avec une excellente résolution et une grande rapidité.
L’utilisation de gels dans les capillaires offre un critère de séparation supplémentaire pour la séparation des acides nucléiques et des protéines dénaturées par le SDS, dont les rapports charge/masse sont relativement constants. Les gels de polyacrylamide exercent un effet de tamisage moléculairepermettant une séparation en fonction de la masse moléculaire.
En recherche, l’électrophorèse capillaire est un outil très performant permettant, par exemple, l’analyse des produits d’amplification de l’ADN, mais la lourdeur de cette technique pose encore la pertinence de son usage en routine.

Biologie moléculaire

Avec l’émergence des biotechnologies au cours des années 1970/80, l’innovation dans les sciences du vivant est marquée par deux sources de transformation majeures. Il s’agit d’une part d’une extension de la sphère des transactions marchandes au vivant et aux connaissances fondamentales. Cette extension est liée, on le sait, à l’évolution des règles d’octroi du brevet, qui permettent depuis les années 1980 de conférer des droits de propriété sur des matériaux biologiques, y compris sur des gènes. Cette brevetabilité du vivant a permis la création d’un véritable marché des connaissances biotechnologiques, lui-même assis sur les changements de l’économie de l’innovation [88].
Pendant des décennies la question de la prédisposition héréditaire au cancer était restée un problème d’arbres généalogiques. Le développement de lagénomique en a fait un objet de manipulations techniques et de débat public.
En 1996, les médias français et américains accordèrent une large place au séquençage d’un gène de prédisposition au cancer du sein appelé BRCA2.
Celui-ci était le second de son espèce. Deux ans plus tôt, en 1994, un groupe de chercheurs travaillant pour la firme Myriad Genetics, une start-up liée à l’Université d’Utah, avait annoncé avoir découvert et séquencé un premier gène BRCA [89]. Aujourd’hui, grâce à la nanobiotechnologie, on assiste à une maitrise parfaite du génome humain. Une autre application des nanobiotechnologies pourrait grandement augmenter le nombre de marqueurs fluorescents utilisés en biologie comme traceurs. Le séléniure de cadmium (CdSe) possède des propriétés quantiques particulières quand il est préparé sous forme de grains nanométriques. Eclairés par un rayonnement U.V., ces nanocristaux émettent une lumière dont la couleur change en fonction de leurs dimensions (Figure 8). Du bleu au rouge, la presque totalité des couleurs est ainsi disponible. Parmi de nombreuses applications [90], la fonctionnalisation de telles structures permettra la mise au point de tests d’immunoanalyse multiparamétriques en phase homogène. En biologie moléculaire ces fluorophores plus stables que la fluorescéine ou le Rouge Texas sont utilisés dans des techniques d’hybridation in situ (FISH) d’analyse des chromosomes.

LES APPLICATIONS DES NANOTECHNOLOGIES

L’objectif de ce paragraphe est de décrire les nanotechnologies à travers quelques applications développées et de montrer l’intérêt quelles peuvent apporter par rapport à l’ancien état de l’art. Ces applications sont nombreuses et variables, elles ont touché plusieurs domaines, allant des transistors jusqu’aux prothèses médicales. Nous développerons plus particulièrement celles décrites pour la biologie. Malgré l’insuffisance des recherches sur les risques que constituent les nanobiotechnologies, celles-ci s’appliquent aussi bien dans le secteur industriel que thérapeutique.

LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES NANOTECHNOLOGIES

Au niveau industriel, elles sont présentes dans l’agroalimentaire, dans le textile et dans l’aéronautique. Les produis d’usage quotidien sont de plus en plus incorporés de nanoparticules.
La Commission européenne définit les nanoaliments (nanofood) comme tout aliment où les nanotechnologies ont été utilisées pour la culture, la production, le traitement ou le conditionnement (ce qui ne signifie pas qu’il s’agisse d’aliments modifiés à l’échelle atomique, ou produits par desnanomachines). L’ensemble de la chaine agroalimentaire serait concernée, de laculture des végétaux au conditionnement et à l’absorption des aliments enpassant bien évidemment par l’élevage des animaux [1] .
En agriculture les promoteurs des nanotechnologies prétendent réduire l’utilisation de pesticides et l’amélioration des cultures et de l’élevage. Une étude récente faite par Cientifica montre qu’il y a déjà 150 applications des nanotechnologies dans l’industrie agroalimentaire, principalement dans les grands groupes tels que: Nestlé, Kraft, Heinz et Unilever.
Avec les applications des nanotechnologies émergentes, les aliments sont de plus en plus conditionnés dans les emballages «futés» et pourraient détecter les éventuelles détériorations et la présence de contaminants pathogènes. Des possibilités d’ajustement de la couleur de la saveur ou des apports nutritionnels en fonction du goût de chaque consommateur. Les nanocomposites tels que les bouteilles de bière composées de nanoparticules de nano-argile plus légères et plus résistantes qui réduiraient la perte du C02 contenu dans la bière. De même, les emballages alimentaires composés de nanoparticules sont aussi des exemples concrets d’application des nanotechnologies dans l’agroalimentaire [93].
Les nano-gestion de la production agricole avec l’utilisation des puces injectables pour assurer le suivi des animaux et les nanocapteurs et dispositifs d’administration de médicaments pour les aliments font de l’industrie agroalimentaire un secteur de développement des nanotechnologies. Le nombre de ces produits sur le marché en France reste pour l’instant relativement faible, mais des grosses industries agroalimentaires dépensent de plus en plus d’argent pour la recherche et le développement des applications aux procédésagroalimentaires, la sécurité alimentaire et les emballages. Malgré les dangers potentiels de toutes ces applications, les nanotechnologies s’étendent aussi dans l’industrie du textile et des produits d’usage quotidien [94].

LES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE MÉDICAL

Durant les dernières décennies du siècle passé, la biologie a également traversé une ère de transformations remarquable. La mise en évidence du code génétique, son décryptage, la mise en œuvre de moyens puissants de synthèse ont peu à peu, là aussi, rendu évident que la vie elle-même était une affaire d’atomes et de molécules [2]. Certes le vivant est fait de macromolécules et sa complexité est redoutable, mais de nombreux points de rapprochement entrebiologie et nanotechnologie ont peu à peu émergé, c’est le domaine desnanobiotechnologies avec de nombreuses applications.

Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE:GENERALITES SUR LES NANOBIOTECHNOLOGIES
CHAPITRE I: HISTORIQUE-DEFINITIONS-AVANCEES 
I.1 HISTORIQUE
I.2 DEFINITIONS
I.2.1 Les Nanobiotechnologies
I.2.2 Nanoscience
I.2.3 Nanotechnologies
I.2.4 Nanomatériaux
I.3 AVANCEES DES NANOBIOTECHNOLOGIES
I.3.1 Avancées dans le domaine socio-économique
I.3.2 Avancées dans le domaine médical
I.3.2.1 Le domaine Thérapeutique
I.3.2.1.1 Vectorisation et délivrance ciblée de médicaments ou gènes inductibles par des nanoparticules
I.3.2.1.2 Autres moyens thérapeutiques
b. Hyperthermie
I.3.2.2 Domaine diagnostic
I.3.2.2.1. Domaine de l’imagerie
a- Imagerie par résonance magnétique (IRM)
I.3.2.2.2 Domaine biologique
CHAPITRE II: LES APPLICATIONS DES NANOTECHNOLOGIES 
II.1 LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES NANOTECHNOLOGIES
II.2 LES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE MÉDICAL
II.2.1 Les nanomatériaux
II.2.2 Laboratoire sur puce
DEUXIEME PARTIE:ENJEUX SOCIO-ECONOMIQUES ET MEDICAUX DES NANOBIOTECHNOLOGIES
CHAPITRE I : ENJEUX SOCIO -ECONOMIQUES DES NANOBIOTECHNOLOGIES 
I.1. LE MARCHÉ DES NANOBIOTECHNOLOGIES
I.2. PERSPECTIVES
I.2.1. Perspectives du marché
I.2.2. Perspectives en termes d’emplois et de création d’entreprise
I.3 LES RISQUES SOCIO ÉCONOMIQUES
CHAPITRE II : LES ENJEUX MEDICAUX DES NANOBIOTECHNOLOGIES 
II.1. AVANTAGES DES NANOPARTICULES
II.2. PERSPECTIVES
II.3. LES RISQUES SANITAIRES
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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