Alors que beaucoup de gens aiment les photos colorées de paysages, fleurs ou arcs-en-ciel, certains chercheurs biomédicaux chérissent des images vives à une échelle beaucoup plus petite, aussi minuscules qu'un millième de la largeur d'un cheveu humain.

Pour étudier le micro monde et faire progresser les connaissances médicales et les traitements, ces scientifiques utilisent des nanoparticules fluorescentes.

Les points quantiques sont un type de nanoparticule, plus communément connus pour leur utilisation dans les écrans de télévision. Ce sont de très petits cristaux capables de transporter des électrons. Lorsque la lumière UV frappe ces particules semi-conductrices, ils peuvent émettre de la lumière de différentes couleurs.

Cette fluorescence permet aux scientifiques de les utiliser pour étudier des parties cachées ou cryptiques des cellules, organes et autres structures.

Je fais partie d'un groupe de chercheurs en nanotechnologie et en neurosciences de l'Université de Washington qui étudient le comportement des points quantiques dans le cerveau.

On estime que les maladies cérébrales courantes coûtent aux États-Unis près de 800 milliards de dollars par an. Ces maladies, y compris la maladie d'Alzheimer et les troubles neurodéveloppementaux, sont difficiles à diagnostiquer ou à traiter.

Outils à l'échelle nanométrique, comme les points quantiques, qui peuvent capturer la nuance dans les activités cellulaires complexes sont prometteuses en tant qu'outils d'imagerie cérébrale ou vecteurs d'administration de médicaments pour le cerveau. Mais parce qu'il y a de nombreuses raisons de s'inquiéter de leur utilisation en médecine, principalement liés à la santé et à la sécurité, il est important d'en savoir plus sur leur fonctionnement dans les systèmes biologiques.

Les points quantiques comme colorants de nouvelle génération

Les chercheurs ont découvert les points quantiques pour la première fois dans les années 1980. Ces minuscules particules sont différentes des autres cristaux en ce sens qu'elles peuvent produire des couleurs différentes selon leur taille. Ils sont si petits qu'ils sont parfois appelés atomes de dimension zéro ou atomes artificiels.

L'utilisation la plus connue des points quantiques de nos jours peut être les écrans de télévision. Samsung a lancé ses téléviseurs QLED en 2015, et quelques autres sociétés ont suivi peu de temps après. Mais les scientifiques lorgnent sur les points quantiques depuis près d'une décennie. En raison de leurs propriétés optiques uniques, ils peuvent produire des milliers de couleurs fluorescentes nettes - les scientifiques ont commencé à les utiliser comme capteurs optiques ou sondes d'imagerie, notamment dans la recherche médicale.

Les scientifiques utilisent depuis longtemps divers colorants pour marquer les cellules, organes et autres tissus pour voir le fonctionnement interne du corps, que ce soit pour le diagnostic ou pour la recherche fondamentale.

Les colorants les plus courants ont des problèmes importants. Pour un, leur couleur ne peut souvent pas survivre très longtemps dans les cellules ou les tissus. Ils peuvent s'estomper en quelques secondes ou minutes. Pour certains types de recherche, tels que le suivi des comportements cellulaires ou l'administration de médicaments dans le corps, ces colorants organiques ne durent tout simplement pas assez longtemps.

Les points quantiques résoudraient ces problèmes. Ils sont très brillants et s'estompent très lentement. Leur couleur peut encore ressortir après un mois. De plus, ils sont trop petits pour affecter physiquement le mouvement des cellules ou des molécules.

Ces propriétés rendent les points quantiques populaires dans la recherche médicale. De nos jours, les points quantiques sont principalement utilisés pour l'imagerie 3D haute résolution de cellules ou de molécules, ou des sondes de suivi en temps réel à l'intérieur ou à l'extérieur des corps d'animaux qui peuvent durer pendant une période prolongée.

Mais leur utilisation est encore limitée à la recherche animale, parce que les scientifiques sont préoccupés par leur utilisation chez les êtres humains. Les points quantiques contiennent généralement du cadmium, un métal lourd hautement toxique et cancérigène. Ils peuvent laisser échapper le métal toxique ou former un agrégat instable, provoquant la mort cellulaire et l'inflammation. Certains organes peuvent en tolérer une petite quantité, mais le cerveau ne peut pas résister à une telle blessure.

Comment se comportent les points quantiques dans le cerveau

Mes collègues et moi pensons qu'une première étape importante vers une utilisation plus large des points quantiques en médecine consiste à comprendre comment ils se comportent dans les environnements biologiques. Cela pourrait aider les scientifiques à concevoir des points quantiques adaptés à la recherche médicale et au diagnostic :lorsqu'ils sont injectés dans le corps, ils doivent rester de petites particules, être peu toxique et capable de cibler des types de cellules spécifiques.

Nous avons examiné la stabilité, toxicité et interactions cellulaires des points quantiques dans le cerveau en développement des rats. Nous avons enveloppé les minuscules points quantiques dans différentes "couches" chimiques. Les scientifiques croient que ces manteaux, avec leurs diverses propriétés chimiques, contrôler la façon dont les points quantiques interagissent avec l'environnement biologique qui les entoure. Ensuite, nous avons évalué les performances des points quantiques dans trois modèles liés au cerveau couramment utilisés :les cultures cellulaires, des tranches de cerveau de rat et des rats vivants individuels.

Nous avons découvert que différentes couches chimiques donnent aux points quantiques des comportements différents. Les points quantiques avec une couche de polymère de polyéthylène glycol (PEG) étaient les plus prometteurs. Ils sont plus stables et moins toxiques dans le cerveau du rat, et à une certaine dose ne tue pas les cellules. Il s'avère que les points quantiques recouverts de PEG activent une voie biologique qui accélère la production d'une molécule qui détoxifie le métal. C'est un mécanisme de protection intégré dans les cellules qui évite les blessures causées par les points quantiques.

Les points quantiques sont également "mangés" par la microglie, les cellules immunitaires internes du cerveau. Ces cellules régulent l'inflammation dans le cerveau et sont impliquées dans de multiples troubles cérébraux. Les points quantiques sont ensuite transportés vers les lysosomes de la microglie, les poubelles de la cellule, pour dégradation.

Mais nous avons également découvert que les comportements des points quantiques varient légèrement entre les cultures cellulaires, tranches de cerveau et animaux vivants. Les modèles simplifiés peuvent montrer comment une partie du cerveau réagit, mais ils ne remplacent pas l'organe entier.

Par exemple, les cultures cellulaires contiennent des cellules cérébrales mais n'ont pas les réseaux cellulaires connectés dont disposent les tissus. Les tranches de cerveau ont plus de structure que les cultures cellulaires, mais ils manquent également de la barrière hémato-encéphalique de l'organe complet - sa "Grande Muraille" qui empêche les objets étrangers d'entrer.

Quel avenir pour les points quantiques ?

Nos résultats offrent un avertissement :la recherche en nanomédecine dans le cerveau n'a aucun sens sans considérer soigneusement la complexité de l'organe.

Cela dit, nous pensons que nos découvertes peuvent aider les chercheurs à concevoir des points quantiques plus adaptés à une utilisation dans des cerveaux vivants. Par exemple, nos recherches montrent que les points quantiques recouverts de PEG restent stables et relativement non toxiques dans les tissus cérébraux vivants tout en offrant d'excellentes performances d'imagerie. Nous imaginons qu'ils pourraient être utilisés pour suivre en temps réel les mouvements de virus ou de cellules dans le cerveau.

À l'avenir, avec IRM ou tomodensitométrie, les points quantiques peuvent devenir des outils d'imagerie essentiels. Ils pourraient également être utilisés comme supports traçables qui livrent des médicaments à des cellules spécifiques. Finalement, bien que, pour que les points quantiques réalisent leur potentiel biomédical au-delà de la recherche, les scientifiques doivent répondre aux préoccupations en matière de santé et de sécurité.

Bien qu'il y ait un long chemin à parcourir, mes collègues et moi espérons que l'avenir des points quantiques sera aussi brillant et coloré que les atomes artificiels eux-mêmes.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.