On ne sait toujours pas quel est l'impact sur les humains, animaux et végétaux de nanomatériaux synthétiques rejetés dans l'environnement ou utilisés dans des produits. Il est très difficile de détecter ces nanomatériaux dans l'environnement car les concentrations sont si faibles et les particules si petites. Désormais, les partenaires du projet NanoUmwelt ont développé une méthode capable d'identifier même des quantités infimes de nanomatériaux dans des échantillons environnementaux.

De minuscules nains gardent nos matelas propres, réparer les dommages à nos dents, arrêter les œufs qui collent à nos casseroles, et prolonger la durée de conservation de nos aliments. Nous parlons de nanomatériaux - "nano" vient du mot grec pour "nain". Ces particules ne mesurent que quelques milliardièmes de mètre, et ils sont utilisés dans une large gamme de produits de consommation. Cependant, jusqu'à présent l'impact de ces matériaux sur l'environnement était largement méconnu, et les informations manquent sur les concentrations et les formes sous lesquelles elles y sont présentes. « Il est vrai que de nombreuses études en laboratoire ont examiné l'effet des nanomatériaux sur les cellules humaines et animales. À ce jour, bien que, il n'a pas été possible de détecter de très petites quantités dans les échantillons environnementaux, " déclare le Dr Yvonne Kohl de l'Institut Fraunhofer de génie biomédical IBMT à Sulzbach.

Un millionième de milligramme par litre

C'est précisément l'objectif du projet NanoUmwelt. L'équipe projet interdisciplinaire est composée d'éco-toxicologues et d'humains toxicologues, physiciens, chimistes et biologistes, et ils viennent de réussir leur premier grand pas en avant dans la réalisation de leur objectif :ils ont développé une méthode pour tester une variété d'échantillons environnementaux tels que l'eau de rivière, tissu animal, ou l'urine et le sang humains qui peuvent détecter les nanomatériaux à un niveau de concentration de nanogramme par litre (ppb – parties par milliard). Cela équivaut à un demi-cube de sucre dans le volume d'eau contenu dans 1000 piscines de compétition. En utilisant la nouvelle méthode, il est désormais possible de détecter non seulement de grandes quantités de nanomatériaux dans des fluides clairs, comme c'était le cas auparavant, mais aussi très peu de particules dans des mélanges de substances complexes tels que des échantillons de sang humain ou de sol. L'approche est basée sur le fractionnement champ-flux (FFF), qui peut être utilisé pour séparer des mélanges hétérogènes complexes de fluides et de particules en leurs composants - tout en triant simultanément les composants clés par taille. Ceci est obtenu par la combinaison d'un débit de fluide contrôlé et d'un champ de séparation physique, qui agit perpendiculairement sur la suspension qui s'écoule.

Pour que le processus de détection fonctionne, les échantillons environnementaux doivent être traités de manière appropriée. L'équipe du département Bioprocessing &Bioanalytics de Fraunhofer IBMT a préparé l'eau de rivière, urine humaine, et du tissu de poisson à insérer dans le dispositif FFF. "Nous préparons les échantillons avec des enzymes spéciales. Dans ce processus, nous devons nous assurer que les nanomatériaux ne sont pas détruits ou modifiés. Cela nous permet de détecter les quantités et les formes réelles des nanomatériaux dans l'environnement, " explique Kohl. Les scientifiques ont une expertise particulière lorsqu'il s'agit de fournir, le traitement et le stockage d'échantillons de tissus humains. Fraunhofer IBMT gère la « Banque allemande de spécimens environnementaux (ESB) – Échantillons humains » depuis janvier 2012 pour le compte de l'Agence allemande pour l'environnement (UBA). Chaque année, l'institut de recherche collecte des échantillons de sang et d'urine auprès de 120 volontaires dans quatre villes d'Allemagne. Les échantillons individuels sont un outil précieux pour cartographier les tendances dans le temps de l'exposition humaine aux polluants. "En outre, des échantillons de sang et d'urine ont été donnés pour le projet NanoUmwelt et mis en cryoconservation chez Fraunhofer IBMT. Nous avons utilisé ces échantillons pour développer notre nouvelle méthode de détection, " dit le Dr Dominik Lermen, responsable du groupe de travail Biomonitoring &Cryobanks chez Fraunhofer IBMT. Après approbation par l'UBA, certains des échantillons humains des archives de l'ESB peuvent également être examinés à l'aide de la nouvelle méthode.

Développer de nouveaux modèles de culture cellulaire

Les nanomatériaux se retrouvent dans l'environnement par différentes voies, entre autres le système d'égouts. Les êtres humains et les animaux les absorbent vraisemblablement à travers des barrières biologiques telles que les poumons ou l'intestin. L'équipe du projet simule ces processus dans des boîtes de Pétri afin de comprendre comment les nanomatériaux sont transportés à travers ces barrières. "C'est un processus très complexe impliquant une gamme extrêmement large de cellules et de couches de tissus, " explique Kohl. Les chercheurs reproduisent les processus d'une manière aussi réaliste que possible. Ils le font en, par exemple, mesurer les flux électriques à l'intérieur des barrières pour déterminer la fonctionnalité de ces barrières - ou en simulant l'interaction poumon-air à l'aide de nuages ​​de brouillard artificiel. Dans la première phase du projet NanoUmwelt, l'équipe IBMT a réussi à développer plusieurs modèles de culture cellulaire pour le transport de nanomatériaux à travers les barrières biologiques. L'IBMT a collaboré avec l'Institut Fraunhofer de biologie moléculaire et d'écologie appliquée IME, qui a utilisé des cellules souches pluripotentes pour développer un modèle d'étude de la cardiotoxicité. Empa, le partenaire suisse du projet, a livré un modèle de barrière placentaire pour étudier le transport des nanomatériaux entre la mère et l'enfant.

Prochain, les partenaires souhaitent utiliser leur méthode pour mesurer les concentrations de nanoparticules dans une grande variété d'échantillons environnementaux. Ils analyseront ensuite les résultats obtenus afin d'être mieux à même d'évaluer le comportement des nanomatériaux dans l'environnement et leur dangerosité potentielle pour l'homme, animaux, et l'environnement. "Notre prochain objectif est de détecter des particules en quantités encore plus petites, " dit Kohl. Pour y parvenir, les scientifiques prévoient d'utiliser des filtres spéciaux pour éliminer les éléments gênants des échantillons environnementaux, et ils sont impatients de développer de nouvelles techniques de traitement.