Un domaine en pleine croissance appelé nanotechnologie permet aux chercheurs de manipuler des molécules et des structures beaucoup plus petites qu'une seule cellule pour améliorer notre capacité à voir, surveiller et détruire les cellules cancéreuses dans le corps.

L'équipage du Proteus a une chance désespérée de sauver la vie d'un homme. Rétréci à la taille d'une grosse bactérie, le sous-marin contient une équipe de scientifiques et de médecins qui se précipitent pour détruire un caillot de sang dans le cerveau d'un transfuge soviétique. Le groupe voyage à travers le corps, en évitant les globules blancs géants et les minuscules anticorps en voyageant à travers le cœur, l'oreille interne et le cerveau pour atteindre et détruire le blocage.

Bien que les événements du film Voyage fantastique étaient tirés par les cheveux lors de sa sortie en 1966, ils sont maintenant réalisés chaque jour dans des laboratoires du monde entier, notamment dans le traitement du cancer. Un domaine en pleine croissance appelé nanotechnologie permet aux chercheurs de manipuler des molécules et des structures beaucoup plus petites qu'une seule cellule pour améliorer notre capacité à voir, surveiller et détruire les cellules cancéreuses dans le corps.

Des dizaines de milliers de patients ont déjà reçu des médicaments de chimiothérapie délivrés par des nanoparticules appelées liposomes, et des dizaines d'autres approches sont actuellement en cours d'essais cliniques. D'ici cinq à dix ans, Les plus grands défenseurs de notre corps sont peut-être plus petits que nous n'aurions jamais pu l'imaginer.

« Sensibilité et précision exquises »

"La nanotechnologie offre une sensibilité et une précision exquises qu'il est difficile d'égaler avec toute autre technologie, " a déclaré Sam Gambhir, MARYLAND, Doctorat, professeur et directeur de radiologie à la Faculté de médecine. « Au cours de la prochaine décennie, la nanomédecine va changer la voie du diagnostic et du traitement du cancer dans ce pays. »

Le domaine a de gros bailleurs de fonds :le National Cancer Institute dépense maintenant environ 150 millions de dollars chaque année dans la recherche et la formation en nanotechnologie pour lutter contre la maladie; d'autres instituts et centres des National Institutes of Health consacrent 300 millions de dollars supplémentaires à la recherche en nanotechnologie pour le cancer et d'autres troubles. Et une alliance nationale créée par le NCI en 2004 pour rassembler des chercheurs de la biologie à l'informatique en passant par la chimie et l'ingénierie porte maintenant ses fruits - sous la forme de dizaines d'essais cliniques - sur des campus et des entreprises à travers le pays, y compris Stanford.

"Nous pouvons désormais détecter seulement quelques molécules associées au cancer ou cellules tumorales circulantes dans le corps dans quelques millilitres de sang ou de salive, ou cartographier les limites d'une tumeur cérébrale en quelques millimètres pour évaluer sa réponse au traitement ou pour planifier une intervention chirurgicale, " Gambhir a déclaré. "Nous avons spécialement conçu des nanoparticules qui peuvent renvoyer un massivement amplifié, signal énorme lorsqu'ils se lient aux cellules cancéreuses du côlon, et nous travaillons sur des moyens de déclencher l'auto-assemblage de nanoparticules lorsqu'elles pénètrent dans une cellule cancéreuse. Le domaine a énormément progressé au cours des 10 à 15 dernières années. »

Gambhir, le Virginia et le D.K. Professeur Ludwig d'investigation clinique en recherche sur le cancer, co-dirige le Stanford Center for Cancer Nanotechnology and Excellence for Translational Diagnostics, financé par le NCI, avec Shan Wang, Doctorat, professeur de science et génie des matériaux et de génie électrique.

La capacité de diagnostiquer les tout premiers signes de problèmes est cruciale pour les efforts visant à stopper la maladie avant que les symptômes ou les complications n'apparaissent, ce qui est un élément clé de ce que l'on appelle la santé de précision.

« Un diagnostic précoce est absolument essentiel, et nécessite un type d'approche et de technologie totalement différent de celui sur lequel nous nous sommes appuyés dans le passé, " dit Gambhir. " Sans nanomédecine, nous n'aurions aucune chance d'atteindre notre objectif principal :garder nos hôpitaux vides."

Une question d'échelle

Alors, qu'est-ce que la nanotechnologie a de si spécial ? Comme vous pouvez le deviner, c'est une question d'échelle. Un nanomètre est un milliardième de mètre. Un cheveu humain vaut environ 100, 000 nanomètres de diamètre. Une cellule moyenne, environ 10, 000. Le Protée, dans Le Voyage Fantastique, était d'environ 1, 000 nanomètres de long, et les anticorps qui ont attaqué ses passagers avaient une taille d'environ 10 nanomètres.

Les nanoparticules à usage médical sont définies comme des molécules ou des structures ne dépassant pas environ 100 nanomètres, dont la taille est comparable aux dizaines de milliers de molécules dans le corps qui glissent dans et hors des cellules intactes et se tortillent sans danger à travers les parois des vaisseaux sanguins et dans les tissus. Comme le Proteus et son équipage, ils peuvent rechercher et interagir avec des cellules individuelles et leur contenu. Mais les règles d'engagement ont changé, tout comme l'ampleur possible de l'effet des visiteurs.

Des molécules à l'échelle nanométrique opèrent dans un enfer sombre où les lois de la physique vacillent au bord d'une galaxie quantique. Les électrons se comportent étrangement sur une si petite scène. Par conséquent, les propriétés essentielles des nanoparticules, y compris leur couleur, point de fusion, fluorescence, conductivité et réactivité chimique, peuvent varier selon leur taille.

Les particules à l'échelle nanométrique présentent également d'énormes quantités de surface par rapport aux particules plus grosses. Un cube d'or dont les côtés mesurent 1 centimètre de long a une surface totale de 6 centimètres carrés. Mais le même volume rempli de nanosphères d'or d'un diamètre de 1 nanomètre a une surface supérieure à la moitié d'un terrain de football.

Nanoparticules « Tuning »

Des chercheurs comme Gambhir et ses collègues ont appris à tirer parti de bon nombre de ces propriétés dans leurs quêtes pour rechercher et détruire les cellules cancéreuses dans le corps, ou pour les prélever à partir d'un échantillon de sang pour une étude plus approfondie. En changeant la taille des particules, les scientifiques peuvent « régler » les nanoparticules pour qu'elles se comportent de manière spécifique :en faisant varier des couleurs fluorescentes à des fins d'imagerie, par exemple, ou saisir puis libérer des cellules cancéreuses pour étude. Certains peuvent être conçus pour absorber l'énergie lumineuse afin d'alimenter de minuscules vibrations acoustiques qui signalent la présence d'une tumeur ou pour libérer de la chaleur pour tuer les cellules de l'intérieur.

Les chercheurs capitalisent également sur la vaste surface des particules, les enrober d'anticorps ou de protéines qui abritent les cellules cancéreuses, ou avec des molécules de signalisation qui sont libérées par dizaines de milliers lorsqu'une cellule cancéreuse est localisée.

Gambhir pense que la nanotechnologie sera particulièrement utile dans le diagnostic et le traitement précoces. "Ce n'est pas que nos thérapies sont mauvaises, c'est que nous les appliquons trop tard, ", a-t-il déclaré. "La nanotechnologie a le potentiel de détecter et même de tuer les cellules cancéreuses précoces présentes dans des centaines ou des milliers par rapport aux milliards déjà présents dans les tumeurs actuellement diagnostiquées."

Lui et ses collègues envisagent un jour dans un avenir pas si lointain où des nanocapteurs seront implantés dans notre corps, ou encore dans les appareils électroménagers comme les toilettes, peut nous alerter des premiers signes de problèmes, souvent sans notre participation consciente. Il compare l'approche à celle du pilotage d'un avion à réaction.

« Le moteur d'un avion est surveillé en permanence, et les informations sont envoyées à un portail mondial pour diagnostiquer les problèmes en temps réel, " a-t-il dit. " Cela nous manque dans les soins de santé aujourd'hui. "

Mais peut-être pas pour longtemps.

"Avaler le docteur"

Le concept de minions médicaux miniatures n'est pas nouveau. En 1959, le célèbre physicien Richard Feynman, Doctorat, discuté de la possibilité d'"avaler le médecin" lors d'une conférence au California Institute of Technology, et les chercheurs britanniques ont réalisé pour la première fois le potentiel des liposomes pour l'administration de médicaments en 1961. Ces sphères peuvent être conçues pour contenir des médicaments solubles dans l'eau à l'intérieur, tout en éliminant hydrophobe, ou insoluble, médicaments dans leur membrane graisseuse. Une ingénierie minutieuse peut aboutir à des structures à base de liposomes qui délivrent plusieurs médicaments dans des proportions précises et à des niveaux élevés sans les toxicités qui peuvent survenir lors de la délivrance des médicaments sans ces structures. Ils s'accumulent naturellement dans le tissu tumoral, ou peuvent être ciblés sur des types cellulaires spécifiques par l'ajout d'anticorps ou d'autres molécules à leur surface.

La technique a été approuvée pour la première fois par la Food and Drug Administration des États-Unis en 1995 pour administrer le médicament chimiothérapeutique doxorubicine aux patients atteints du sarcome de Kaposi lié au sida. Il existe maintenant plus d'une douzaine de médicaments conditionnés dans des liposomes sur le marché, and researchers have begun to explore ways to use other types of nanoparticles to deliver not just drugs, but also small RNA molecules to block the expression of specific genes, or a payload of radioactivity to kill the cell.

"From a practical perspective, nano-based techniques aren't the wave of the future. This is the now, " said Heather Wakelee, MARYLAND, an associate professor of medicine at Stanford who focuses on the treatment of lung cancer patients. "And it's changing how we treat patients in the clinic."

Nanosensing technology

Researchers are working on technology for use outside the bodyto identify and characterize tumor cells present at minuscule levels in all manner of bodily fluids—tracking the course of a known disease or even pinpointing its inception long before symptoms arise.

Wakelee has worked with center co-director Wang to design a kind of "magnetic sifter" that quickly sorts cancer cells from normal blood, based on magnetic nanotags engineered to coat the cancer cells' surface. A key component of the technique is the ability to swiftly release the bound, living cells for further study. Another approach, also launched in Wang's lab, involves a magneto-nanosensor—a silicon-based chip smaller than a dime that can detect and quantify magnetic nanotags on cancer cells or cancer-associated DNA or protein molecules based on changes in the chip's external magnetic field.

This approach is being tested in clinical trials by MagArray, a company based in Milpitas, Californie, for its ability to detect multiple lung and prostate cancer biomarkers in patients' blood. Like other nanotechnology, it is exquisitely sensitive.

'Toward a simple blood draw'

These techniques may allow researchers to not just count the circulating tumor cells in a patient, but also to sequence cells' genomes or assess the levels of expression of cancer-associated proteins on their surfaces. Wakelee is also working with colleagues to develop ways to capture and sequence tumor DNA that circulates freely in the blood of cancer patients.

"We're looking for specific gene mutations that could change therapy, " she said. "In this way, we're moving away from invasive biopsies for our patients and toward a simple blood draw to learn more about an individual's specific cancer."

Gambhir is working to design gold and silica nanoparticles for use inside the body to detect colon cancer. Les particules, which would be swallowed as pills, coat pockets of tumor cells that would normally be invisible during a colonoscopy, and can be visualized with a special endoscope designed by the team. The technique is under review by the FDA.

"Cancer is a very difficult disease to treat, and it's also difficult to diagnose early, " said Piotr Grodzinski, Doctorat, who directs the NCI's nanotechnology for cancer programs. "The alliance was created to bring together engineers and materials scientists, par exemple, with biologists and oncologists to understand, first, how nanoparticles interact with biological systems and, seconde, how they interact with cancer cells and what they can do to the tumor."

"Stanford, in the heart of Silicon Valley, is a unique place for this kind of technology to develop, " said Gambhir. "The collaborative atmosphere brings together people to solve specific problems in cancer diagnosis and detection."

The crew on the Proteus managed to band together to save the defector—in the nick of time, of course—escaping through a tear duct after destroying the blood clot in his brain just before ballooning back to normal size. Nanomedicine for future patients will likely be less fraught with urgency, but the outcome will be more important. Après tout, the patient could be you.