Le chimiste des matériaux de Sandia National Laboratories, Dale Huber, travaille depuis 15 ans sur le défi de fabriquer des nanoparticules à base de fer exactement de la même taille.

Maintenant, lui et ses collaborateurs de longue date chez Imagion Biosystems utiliseront ces nanoparticules magnétiques pour leur premier essai clinique sur le cancer du sein plus tard cette année. Les nanoparticules adhèrent aux cellules cancéreuses du sein, permettant la détection et l'élimination même de petites métastases.

Imagion Biosystems et Huber travaillent ensemble à la synthèse de nanoparticules depuis l'ouverture du Center for Integrated Nanotechnologies en 2006.

« Avoir accès au vivier de talents du CINT avec des experts comme Dale Huber a été utile, " a déclaré Bob Proulx, PDG d'Imagion Biosystems. "En outre, le fait que le CINT dispose d'un programme utilisateur qui permet à l'industrie d'accéder aux installations et aux équipements qui, autrement, serait trop cher pour une petite entreprise comme la nôtre était précieux. Le travail initial que nous avons effectué avec le CINT pour développer une méthode permettant de contrôler avec précision la taille de la nanoparticule était essentiel pour notre technologie de relaxométrie magnétique MagSense pour la détection du cancer. »

Le CINT est une installation utilisateur exploitée conjointement par Sandia et le Laboratoire national de Los Alamos pour le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie des États-Unis. CINT offre un accès gratuit à des équipements de pointe et à des scientifiques de renommée mondiale pour les chercheurs en nanosciences dans les universités et l'industrie, à condition de publier les résultats dans des revues scientifiques.

Les nanoparticules magnétiques sont recouvertes d'anticorps anticancéreux, qui adhèrent spécifiquement aux cellules cancéreuses. Une minuscule impulsion magnétique - de la force d'un aimant de réfrigérateur et des centaines de fois plus faible que celle produite par un appareil d'IRM - peut détecter la différence entre les nanoparticules collées aux cellules cancéreuses et celles qui flottent librement, permettant la détection de très petites métastases.

Synthèse de précision de nanoparticules magnétiques

Cependant, pour que la méthode de détection du cancer d'Imagion Biosystems fonctionne, toutes les nanoparticules doivent avoir presque exactement la même taille.

"Une variation de 2% est la différence entre parfait et à peu près inutile, " dit Huber. Il a ajouté en riant, "Ça m'a ouvert les yeux et si j'avais su ça au début, Je n'aurais peut-être pas relevé le défi."

Erika Vreeland, qui a travaillé avec Huber pendant sa thèse de doctorat pour développer une synthèse reproductible et a été embauchée par Imagion Biosystems pour être leur scientifique en chef des nanoparticules après avoir obtenu son diplôme, a déclaré :"Nous avons éliminé toute la sorcellerie de la réaction."

La méthode standard pour fabriquer des nanoparticules de fer consiste à combiner les ingrédients et à chauffer le mélange à environ 650 degrés Fahrenheit. La vitesse à laquelle la chaleur augmente détermine la taille des nanoparticules, dit Huber. Cependant, comme votre four à la maison, il dépassera la température critique, puis se refroidira jusqu'à ce qu'il se stabilise. Dans quelle mesure la température dépasse cette température critique affecte également la taille, produisant des nanoparticules plus de 15 pour cent plus grandes ou plus petites.

Au lieu, Vreeland et Huber ont développé une méthode où ils ajoutent lentement les ingrédients à un bain de métal en fusion dont la température varie de moins d'un demi-degré. Cela produit des nanoparticules avec moins de 2% de variation de taille. Huber a dit, "Ce n'est pas la façon la plus simple de fabriquer des particules, mais c'est pourquoi ils sont tellement meilleurs."

Non seulement l'équipe a découvert une méthode hautement reproductible pour fabriquer les minuscules particules, ils ont également transféré le processus deux fois, une fois à Imagion et une fois à ChemConnection, un fabricant de nanoparticules aux Pays-Bas qui peut fabriquer les nanoparticules conformément aux réglementations strictes de la Food and Drug Administration des États-Unis et de l'Union européenne nécessaires pour une utilisation dans les essais cliniques sur les patients.

"La synthèse a été transférée au laboratoire aux Pays-Bas tout en maintenant un contrôle de taille, " dit Huber. " C'est énorme. Tout change, même les points d'ébullition, parce que les Pays-Bas sont essentiellement au niveau de la mer."

Essai clinique pour détecter la propagation du cancer du sein cet automne

Une fois que ChemConnection a effectué plusieurs lots, Imagion Biosystems effectuera des essais précliniques pour vérifier que les particules ne sont pas toxiques. Ensuite, ChemConnection produira un petit lot de nanoparticules, comparable à une demi-cuillère à café de sucre, pour les essais cliniques sur le cancer du sein d'Imagion Biosystems.

"Parce que les nanoparticules sont uniformes et ont d'excellentes propriétés magnétiques, nous n'avons pas besoin de beaucoup. Nous nous attendons à ce qu'un patient reçoive au plus 1 milligramme de particules, " dit Vreeland.

Tous les patients pour le premier essai clinique seront sélectionnés parce que le régime de traitement de leurs oncologues comprend l'ablation des ganglions lymphatiques et la biopsie. Avant que chaque patient se fasse retirer chirurgicalement plusieurs ganglions lymphatiques, les nanoparticules magnétiques, enrobés d'anticorps spécifiques du cancer du sein, sera injecté au site des tumeurs connues. Après l'ablation mais avant la biopsie, Le système de détection d'Imagion Biosystems examinera les ganglions lymphatiques prélevés pour rechercher la propagation du cancer.

Vreeland a déclaré qu'elle espérait que la méthode d'Imagion Biosystems serait aussi précise qu'un pathologiste, dans le but éventuel d'utiliser cette méthode d'abord pour rechercher un cancer et éliminer le besoin d'enlever les ganglions lymphatiques non cancéreux.

« Notre aspiration n° 1 est de voir les nanoparticules être utilisées régulièrement en clinique avec notre technologie de détection du cancer MagSense. Au-delà de cela, nous pensons que les nanoparticules peuvent jouer un rôle déterminant dans une grande variété d'applications biomédicales, notamment dans le traitement du cancer ou d'autres maladies, " dit Proulx.

Poursuite de la collaboration pour caractériser les nanoparticules et résoudre les problèmes

Le CINT et Imagion Biosystems ont poursuivi la collaboration au-delà de l'effort visant à produire des nanoparticules magnétiques de taille identique. Vreeland a dit, "Nous rencontrons toujours toutes sortes de problèmes tout le temps, donc pouvoir parler avec Dale ou d'autres scientifiques de certains des défis auxquels nous sommes confrontés est vraiment inestimable."

Le bio-ingénieur de Sandia, George Bachand, a participé aux premières études de toxicologie et de ciblage cellulaire. Le chercheur de Sandia John Reno a aidé à caractériser la taille et la forme des nanoparticules, utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles.

La diffusion des rayons X aux petits angles est une méthode pour déterminer la taille et la distribution des tailles de matériaux à l'échelle nanométrique. « Avec l'instrument de diffusion des rayons X du CINT, nous pouvons déterminer exactement la taille des particules en 15 minutes. Il y a sept ou huit ans, il fallait une semaine pour déterminer la même chose en utilisant la microscopie électronique, " dit Huber.

Cette mesure de taille presque en temps réel a permis à Vreeland de prédire comment la réaction se terminerait et de valider qu'ils étaient sur la bonne voie, elle a dit. L'équipe a utilisé d'autres instruments CINT pour caractériser la force magnétique et les revêtements des nanoparticules.

En plus d'accéder aux experts et équipements du CINT via son programme utilisateur, le partenariat avec Imagion Biosystems a été soutenu par plusieurs subventions du New Mexico Small Business Assistance Program, qui peuvent soutenir la recherche exclusive.

L'équipe a publié plusieurs articles de la collaboration, dont un dans Chimie des Matériaux en 2015.