Imaginez une pilule d'or microscopique qui pourrait se rendre à un endroit spécifique de votre corps et délivrer un médicament là où il est nécessaire. C'est la promesse des nanovésicules plasmoniques.

Ces capsules minuscules peuvent naviguer dans la circulation sanguine, et, lorsqu'il est frappé par une impulsion rapide de lumière laser, changer de forme pour libérer leur contenu. Il peut alors sortir du corps, ne laissant que le paquet désiré.

Cette à la demande, la méthode de libération de médicament déclenchée par la lumière pourrait transformer la médecine, notamment le traitement du cancer. Les cliniciens commencent à tester des nanovésicules plasmoniques sur des tumeurs de la tête et du cou. Ils peuvent également aider les efforts visant à étudier le système nerveux en temps réel et fournir des informations sur le fonctionnement du cerveau.

Cependant, comme de nombreux aspects de la nanotechnologie, Le diable est dans les détails. Beaucoup de choses restent inconnues sur le comportement spécifique de ces nanoparticules - par exemple, les longueurs d'onde de la lumière auxquelles elles répondent et la meilleure façon de les concevoir.

Écrit dans le numéro d'octobre 2017 de Matériaux optiques avancés , Zhenpeng Qin, professeur adjoint de génie mécanique et de bio-ingénierie à l'Université du Texas à Dallas, son équipe, et collaborateurs de l'Université de Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), ont rapporté les résultats d'enquêtes informatiques sur les propriétés optiques collectives des vésicules plasmoniques complexes.

Ils ont utilisé les supercalculateurs Stampede et Lonestar du Texas Advanced Computing Center , ainsi que des systèmes du Centre de calcul ROMEO de l'Université de Reims Champagne-Ardenne et du Centre de calcul intensif de San Diego (via l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment) pour effectuer des expériences virtuelles à grande échelle de vésicules frappées par la lumière.

"Beaucoup de gens fabriquent des nanoparticules et les observent en microscopie électronique, " Qin a dit. "Mais les calculs nous donnent un angle unique au problème. Ils fournissent une meilleure compréhension des interactions et des informations fondamentales afin que nous puissions mieux concevoir ces particules pour des applications spécifiques. »

L'or biomédical percutant

Les nanoparticules d'or sont un exemple prometteur de nanomatériau plasmonique. Contrairement aux substances normales, les nanoparticules plasmoniques (généralement constituées de métaux nobles) ont une diffusion inhabituelle, absorbance, et les propriétés de couplage dues à leurs géométries et caractéristiques électromagnétiques. Une conséquence de ceci est qu'ils interagissent fortement avec la lumière et peuvent être chauffés par la lumière visible et ultraviolette, même à distance, conduisant à des changements structurels dans les particules, de la fusion à l'expansion à la fragmentation.

Les liposomes recouverts de nanoparticules d'or - des sacs sphériques renfermant un noyau aqueux qui peuvent être utilisés pour transporter des médicaments ou d'autres substances dans les tissus - ont été démontrés comme des agents prometteurs pour la libération de contenu induite par la lumière. Mais ces nanoparticules doivent pouvoir nettoyer le corps par le système rénal, ce qui limite la taille des nanoparticules à moins de quelques nanomètres.

La forme spécifique de la nanoparticule, par exemple, à quel point les molécules d'or individuelles sont proches les unes des autres, quelle est la taille du noyau, et la taille, forme, densité et conditions de surface de la nanoparticule - détermine comment, et comment bien, les fonctions des nanoparticules et comment elles peuvent être manipulées.

Qin s'est intéressé ces dernières années à la dynamique des amas de petites nanoparticules d'or avec des noyaux de liposomes, et leurs applications dans les domaines diagnostiques et thérapeutiques.

"Si on met les nanoparticules autour d'une nano-vésicule, nous pouvons utiliser la lumière laser pour ouvrir la vésicule et libérer des molécules d'intérêt, " at-il expliqué. " Nous avons la capacité d'assembler un nombre différent de particules autour d'une vésicule en recouvrant la vésicule d'une couche de très petites particules. Comment concevoir cette structure ? C'est un problème assez intéressant et complexe. Comment les nanoparticules interagissent-elles les unes avec les autres - à quelle distance sont-elles les unes des autres, combien y en a-t-il?"

Les simulations fournissent des informations fondamentales et pratiques

Pour mieux comprendre le fonctionnement des nanoparticules plasmoniques et comment elles peuvent être conçues de manière optimale, Qin et ses collègues utilisent la simulation informatique en plus des expériences de laboratoire.

Dans leur récente étude, Qin et son équipe ont simulé différentes tailles de noyaux de liposomes, tailles de revêtement de nanoparticules d'or, une large gamme de densités de revêtement, et les organisations de revêtement aléatoires par rapport aux organisations de revêtement uniformes. Les revêtements comprennent plusieurs centaines de particules d'or individuelles, qui se comportent collectivement.

"C'est très simple de simuler une particule. Vous pouvez le faire sur un ordinateur ordinaire, mais nous sommes l'un des premiers à examiner une vésicule complexe, " a déclaré Randrianalisoa. " C'est vraiment excitant d'observer comment les agrégats de nanoparticules entourant le noyau lipidique modifient collectivement la réponse optique du système. "

L'équipe a utilisé la méthode de calcul d'approximation dipolaire discrète (DDA) afin de prédire les caractéristiques d'absorption optique des systèmes de liposomes recouverts d'or. Le DDA permet de calculer la diffusion du rayonnement par des particules de forme et d'organisation arbitraires. La méthode a l'avantage de permettre à l'équipe de concevoir de nouvelles formes et structures complexes et de déterminer quantitativement quelles seront leurs caractéristiques d'absorption optique.

Les chercheurs ont découvert que les nanoparticules d'or qui composent la surface externe doivent être suffisamment proches les unes des autres, voire chevauchement, pour absorber suffisamment de lumière pour que le système d'administration soit efficace. Ils ont identifié une gamme intermédiaire de conditions optiques appelée « régime de l'or noir, " où les nanoparticules d'or serrées répondent à la lumière à toutes les longueurs d'onde, qui peut être très utile pour une gamme d'applications.

"Nous aimerions développer des particules qui interagissent avec la lumière dans le proche infrarouge - avec des longueurs d'onde d'environ 700 à 900 nanomètres - afin qu'elles pénètrent plus profondément dans les tissus, " expliqua Qin.

Ils prévoient que cette étude fournira des directives de conception pour les nano-ingénieurs et aura un impact significatif sur le développement ultérieur de nanostructures et de vésicules plasmoniques complexes pour des applications biomédicales.

(Dans une étude distincte publiée dans ACS Sensors en octobre 2017, Qin et ses collaborateurs ont montré l'efficacité des nanoparticules d'or pour les tests qui détectent les maladies infectieuses et d'autres cibles biologiques et chimiques.)

Inspiré par les récents développements en optogénétique, qui utilise la lumière pour contrôler les cellules (typiquement les neurones) dans les tissus vivants, Qin et son équipe prévoient d'utiliser la technologie pour développer un système à déclenchement optique polyvalent pour effectuer des études en temps réel de l'activité et du comportement du cerveau.

Il espère que la fonction de libération rapide de la nouvelle technique fournira une vitesse suffisante pour étudier la communication neuronale dans la recherche en neurosciences.

« Il existe de nombreuses possibilités d'utiliser des calculs pour comprendre les interactions et les mécanismes fondamentaux que nous ne pouvons pas mesurer, " a déclaré Qin. " Cela peut alimenter nos recherches expérimentales afin que nous puissions mieux faire progresser ces différentes techniques pour aider les gens. "