Les cellules sont très efficaces pour protéger leur précieux contenu et, par conséquent, il est très difficile de pénétrer leurs parois membranaires pour délivrer des médicaments, nutriments ou biocapteurs sans endommager ou détruire la cellule. Un moyen efficace de le faire, découvert en 2008, est d'utiliser des nanoparticules d'or pur, recouvert d'une fine couche d'un polymère spécial. Mais personne ne savait exactement pourquoi cette combinaison fonctionnait si bien, ou comment il a traversé la paroi cellulaire.
Maintenant, des chercheurs du MIT et de l'Ecole Polytechnique de Lausanne en Suisse ont compris comment le processus fonctionne, et les limites sur les tailles de particules qui peuvent être utilisées. Leur analyse paraît dans la revue Lettres nano , dans un article des étudiants diplômés Reid Van Lehn, Prabhani Atukorale, Yu-Sang Yang et Randy Carney et les professeurs Alfredo Alexander-Katz, Darrell Irvine et Francesco Stellacci.
Jusqu'à maintenant, dit Van Lehn, l'auteur principal de l'article, "le mécanisme était inconnu. … Dans ce travail, nous voulions simplifier le processus et comprendre les forces" qui permettent aux nanoparticules d'or de pénétrer dans les parois cellulaires sans endommager de façon permanente les membranes ni rompre les cellules. Les chercheurs l'ont fait grâce à une combinaison d'expériences en laboratoire et de simulations informatiques.
L'équipe a démontré que la première étape cruciale du processus consiste à fusionner les nanoparticules d'or enrobées avec les lipides, une catégorie de graisses naturelles, cires et vitamines, qui forment la paroi cellulaire. Les scientifiques ont également démontré une limite supérieure à la taille de ces particules pouvant pénétrer dans la paroi cellulaire, une limite qui dépend de la composition du revêtement de la particule.
Le revêtement appliqué aux particules d'or consiste en un mélange de composants hydrophobes et hydrophiles qui forment une monocouche (une couche d'une seule molécule d'épaisseur) à la surface de la particule. N'importe lequel de plusieurs composés différents peut être utilisé, expliquent les chercheurs.
"Les cellules ont tendance à engloutir les choses à la surface, " dit Alexandre-Katz, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, mais il est "très inhabituel" que des matériaux traversent cette membrane à l'intérieur de la cellule sans causer de dommages majeurs. Irvine et Stellacci ont démontré en 2008 que des nanoparticules d'or recouvertes d'une monocouche pouvaient le faire; ils ont depuis travaillé pour mieux comprendre pourquoi et comment cela fonctionne.
Puisque les nanoparticules elles-mêmes sont complètement enrobées, le fait qu'ils soient en or n'a aucun effet direct, sauf que les nanoparticules d'or sont un système modèle facile à préparer, disent les chercheurs. Cependant, il existe des preuves que les particules d'or ont des propriétés thérapeutiques, ce qui pourrait être un avantage secondaire.
Les particules d'or sont également très efficaces pour capturer les rayons X, donc si on pouvait les faire pénétrer dans les cellules cancéreuses, et ont ensuite été chauffés par un faisceau de rayons X, ils pourraient détruire ces cellules de l'intérieur. "Alors le fait que ce soit de l'or peut être utile, " dit Irvine, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et d'ingénierie biologique et membre de l'Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer.
Significativement, le mécanisme qui permet aux nanoparticules de traverser la membrane semble également sceller l'ouverture dès que la particule est passée. "Ils passeraient sans laisser passer même de petites molécules derrière eux, ", dit Van Lehn.
Irvine dit que son laboratoire est également intéressé à exploiter ce mécanisme de pénétration cellulaire comme moyen d'administrer des médicaments à l'intérieur de la cellule, en les liant au matériau de revêtement de surface. Une étape importante pour en faire un processus utile, il dit, trouve des moyens de permettre aux revêtements de nanoparticules d'être sélectifs quant aux types de cellules auxquelles ils se fixent. "Si ce sont toutes les cellules, ce n'est pas très utile, " il dit, mais si les revêtements peuvent cibler un type cellulaire particulier qui est la cible d'un médicament, cela pourrait être un avantage important.
Une autre application potentielle de ce travail pourrait être la fixation ou l'insertion de molécules de biodétection sur ou dans certaines cellules, dit Van Lehn. De cette façon, les scientifiques pourraient détecter ou surveiller des marqueurs biochimiques spécifiques, telles que les protéines qui indiquent l'apparition ou le déclin d'une maladie ou d'un processus métabolique.
En général, l'attachement aux revêtements de surface des nanoparticules pourrait fournir une clé à l'intérieur des cellules pour « des molécules qui n'auraient normalement aucune capacité à traverser la membrane cellulaire, " dit Irvine.
