Pendant des années, les scientifiques ont travaillé pour comprendre fondamentalement comment les nanoparticules se déplacent dans le corps humain. Une grande question sans réponse est de savoir comment la forme des nanoparticules affecte leur entrée dans les cellules. Maintenant, les chercheurs ont découvert que dans des conditions de culture typiques, les cellules de mammifères préfèrent les nanoparticules en forme de disque à celles en forme de bâtonnets.

Comprendre comment la forme des nanoparticules affecte leur transport dans les cellules pourrait être un élan majeur pour le domaine de la nanomédecine en aidant les scientifiques à concevoir de meilleures thérapies pour diverses maladies, comme l'amélioration de l'efficacité et la réduction des effets secondaires des médicaments anticancéreux.

En plus de la géométrie des nanoparticules, les chercheurs ont également découvert que différents types de cellules ont des mécanismes différents pour attirer des nanoparticules de différentes tailles, qui était auparavant inconnu. L'équipe de recherche a également utilisé des modèles théoriques pour identifier les paramètres physiques que les cellules utilisent lorsqu'elles absorbent des nanoparticules.

"Cette recherche a identifié des aspects très nouveaux mais fondamentaux dans lesquels les cellules interagissent avec la forme des nanoparticules, " a déclaré Krishnendu Roy, qui a récemment rejoint le département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. Roy a mené cette recherche à l'Université du Texas à Austin en collaboration avec les professeurs. S.V. Sreenivasan et Li Shi, mais continue le travail à Georgia Tech.

L'étude devait être publiée la semaine du 7 octobre dans la première édition en ligne de la revue Actes de l'Académie nationale des sciences . Le travail a été parrainé par la National Science Foundation et les National Institutes of Health.

L'équipe de Roy a utilisé une approche unique pour fabriquer des nanoparticules de formes différentes. Les chercheurs ont adapté une technologie d'impression utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs et l'ont configurée pour fonctionner avec des molécules biologiques, dit Roy. Cette technique d'impression, qu'ils ont développé à UT-Austin, fonctionne comme un emporte-pièce mais à l'échelle nanométrique. Les médicaments sont mélangés avec une solution de polymère et distribués sur une plaquette de silicium. Ensuite, une forme est imprimée sur le mélange polymère-médicament à l'aide d'un gabarit en quartz. Le matériau est ensuite solidifié à l'aide de lumière UV. Quel que soit le gabarit de l'emporte-pièce – triangle, tige, disque - une nanoparticule avec cette forme est produite. Une autre caractéristique clé des nanoparticules est qu'elles sont chargées négativement et sont hydrophiles, attributs qui les rendent pertinents pour une utilisation clinique dans l'administration de médicaments.

"Nous avons un contrôle exquis sur les formes et les tailles, " dit Roy, qui est membre distingué de la faculté Wallace H. Coulter.

Son équipe a ensuite utilisé des particules de différentes formes et tailles pour voir comment différents types de cellules de mammifères cultivées y répondraient. Les matériaux et les charges de surface des particules étaient tous les mêmes, seules les formes différaient.

L'équipe de Roy ne s'attendait pas à ce que les cellules préfèrent les disques aux tiges. Ils ont découvert que dans la culture cellulaire, contrairement aux nanoparticules sphériques, les disques et les tiges de plus grande taille sont repris plus efficacement, une découverte qui était également inattendue. Lorsqu'ils ont effectué des calculs théoriques, ils ont découvert que l'énergie requise par une membrane cellulaire pour se déformer et s'enrouler autour d'une nanoparticule est plus faible pour les disques que pour les tiges et que les forces gravitationnelles et les propriétés de surface jouent un rôle important dans l'absorption des nanoparticules dans les cellules.

"La raison pour laquelle cela n'a pas été exploré est que nous n'avions pas les outils pour fabriquer ces nanoparticules de forme précise, " a déclaré Roy. " Ce n'est qu'au cours des sept ou huit dernières années qu'il y a eu quelques groupes qui ont mis au point ces outils pour fabriquer des particules de polymère de différentes tailles et formes, surtout à l'échelle nanométrique."

Les cellules absorbent les nanoparticules par un processus appelé endocytose, mais selon la forme et le type de cellule, des voies d'absorption spécifiques sont déclenchées, l'équipe a découvert. Certaines cellules reposent sur des protéines dans leurs membranes appelées cavéoline; d'autres utilisent une protéine membranaire différente, connu sous le nom de clathrine.

Comprendre comment les cellules réagissent aux formes des nanoparticules est important non seulement pour l'administration de médicaments, mais aussi pour comprendre la toxicité des nanomatériaux utilisés dans les produits de consommation. Le nouveau travail de Roy fournit une autre pièce pour résoudre ce puzzle.

"Les gens fabriquent différentes choses à l'échelle nanométrique avec divers matériaux sans comprendre fondamentalement leurs interactions avec les cellules, " dit Roy.

Dans un futur travail chez Georgia Tech, Le laboratoire de Roy aimerait étudier comment les formes des nanomatériaux affectent leur transport et leur fonction dans des modèles animaux. Cela donnera aux chercheurs une meilleure idée de la façon dont les particules se déplacent dans les tumeurs, traverser les surfaces muqueuses et se répartir dans les organes, et finalement aider aux thérapies cliniques.

« 99,9 % de notre travail est encore à faire, ce que nous voulons continuer à faire ici à Tech en collaboration avec des chercheurs de l'UT, " dit Roy.