Petits véhicules jusqu'à 1, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain recouvert d'un camouflage biologique pourrait offrir de nouvelles façons de traiter le cancer avec moins d'effets secondaires.

Au cours de milliards d'années, la nature a mis au point des moyens ingénieux pour les cellules biologiques de se déplacer dans leur environnement et de transporter sans danger des colis de produits chimiques entre eux.

Aujourd'hui, les scientifiques imitent certains de ces processus pour créer de nouvelles « nanomachines » qui pourraient éventuellement aider à traiter des maladies comme la leucémie et d'autres cancers.

Une approche s'inspire de l'histoire du siège de Troie, quand les Grecs cachaient leurs guerriers à l'intérieur d'un cheval de bois géant afin d'entrer dans la ville.

Professeur Valentina Cauda, ingénieur chimiste au Politecnico di Torino en Italie, dirige un projet visant à créer des cristaux nanométriques d'oxyde de zinc qui peuvent tuer les cellules cancéreuses de l'intérieur. Par eux-mêmes les cristaux, qui mesurent environ 20 nanomètres - environ 6, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain - peut être toxique pour les cellules saines du corps et peut déclencher une réaction immunitaire qui les empêche d'atteindre la tumeur.

Mais le professeur Cauda et ses collègues du projet TrojaNanoHorse ont développé une coquille autour des cristaux afin qu'ils puissent les glisser au-delà des défenses du corps et à l'intérieur des cellules cancéreuses.

"L'idée est de déjouer le système immunitaire et de déjouer la barrière de la membrane cellulaire grâce à la coque biomimétique, " dit le professeur Cauda. " Dans l'analogie avec le cheval de Troie, la cellule (cancer) peut être la ville de Troie."

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Les minuscules coquillages, qui sont entre 100-200nm ou 1, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain, sont fabriqués à partir de molécules grasses appelées lipides qui forment la membrane externe de presque toutes les cellules vivantes. Dans la nature, de petites gouttelettes fabriquées à partir de ces lipides, appelées vésicules, bourgeonnent constamment de la surface de nos cellules avec des messages chimiques ou des matériaux indésirables à l'intérieur afin qu'elles puissent être transportées en toute sécurité vers d'autres parties du corps.

Le professeur Cauda et son équipe ont essayé de copier cela en enrobant leurs nanocristaux dans des vésicules produites par des cellules cultivées en laboratoire afin qu'elles puissent elles aussi traverser le corps sans danger. La surface des vésicules peut également être parsemée d'anticorps contre des cellules cancéreuses spécifiques, en les aidant à se concentrer uniquement sur les cellules qu'ils veulent tuer.

Une fois qu'une vésicule trouve une cellule cancéreuse, ses anticorps vont se fixer à la surface, permettant aux lipides de fusionner avec la cellule et libérant le nanocristal toxique à l'intérieur. Et en cultivant des nanocoquilles à partir de cellules prélevées sur le corps d'un patient, Le professeur Cauda pense qu'il sera possible de créer des traitements personnalisés qui peuvent échapper au système immunitaire tout en tuant les cellules cancéreuses.

L'équipe a déjà testé l'approche nanoshell contre les cellules leucémiques et le cancer du col de l'utérus en laboratoire. Alors qu'ils espèrent être en mesure d'effectuer des essais humains à l'avenir, Le professeur Cauda a averti qu'il pourrait encore s'écouler de nombreuses années avant qu'ils n'atteignent ce stade.

Avantages

En cas de succès, cependant, cette approche de nanomédecine pourrait apporter des bénéfices par rapport aux traitements de chimiothérapie traditionnels en ne ciblant que les cellules tumorales, laissant les tissus sains intacts et réduisant ainsi les effets secondaires.

"L'approche de la nanomédecine pourrait offrir un traitement sélectif et personnalisé pour le patient, " a déclaré le Pr Cauda.

Cette approche, cependant, repose encore en grande partie sur les nanoshells qui s'attaquent aux cellules cancéreuses lorsqu'elles circulent dans la circulation sanguine du patient afin qu'elles puissent s'y attacher.

Une autre équipe de chercheurs travaille sur des nano- et micro-machines qui pourraient activement améliorer cela en transportant des traitements jusqu'au site du corps où ils sont nécessaires.

Dr Larisa Florea, un scientifique des matériaux au Trinity College Dublin en Irlande, dirige un projet appelé ChemLife pour créer des véhicules miniatures qui peuvent se déplacer par eux-mêmes dans un liquide.

Chimiotaxie

L'équipe tente d'imiter une forme de mouvement connue sous le nom de chimiotaxie, qui est utilisé par certains micro-organismes basiques et leur permet de se déplacer à travers des solutions de faible salinité à haute salinité, ou de solutions acides à alcalines, par exemple.

D'autres équipes de recherche aux États-Unis ont déjà montré que les gouttelettes artificielles peuvent être très précisément parcourues à travers des labyrinthes complexes avec cette approche. Le Dr Florea et ses collègues ont cherché à étendre cela en utilisant la lumière pour contrôler le mouvement des gouttelettes.

Ils ont créé des gouttelettes ressemblant à des vésicules qui associent des molécules sensibles à la lumière à des composés appelés tensioactifs. Les tensioactifs se trouvent couramment dans les détergents, mais sont également couramment présents dans de nombreux systèmes biologiques.

Lorsqu'il est exposé à la lumière, les molécules 'photosensibles' réagissent en changeant de forme, modifier la tension superficielle de chaque côté de la gouttelette. Cela fait que les molécules de la gouttelette s'écoulent d'un côté à l'autre, le faire avancer, un peu comme la bande de roulement d'un char.

L'équipe a montré qu'elle pouvait diriger avec précision les gouttelettes à travers des espaces tridimensionnels et atteindre des vitesses allant jusqu'à 10,4 mm par seconde (0,02 mph).

"Si vous comparez la vitesse du mouvement à la taille de ces microgouttelettes, ils sont plus rapides, livre pour livre, que certains des meilleurs nageurs du monde, " a déclaré le Dr Florea.

Ils ont également pu démontrer que leurs véhicules en forme de gouttelettes peuvent transporter des marchandises, le livrer à d'autres gouttelettes pour déclencher une réaction chimique. Cela laisse espérer que des méthodes similaires pourraient être utilisées pour administrer des médicaments ou d'autres types de traitements à des cellules spécifiques du corps.

Bien qu'il puisse être difficile d'utiliser la lumière pour faire passer une gouttelette contenant du médicament dans le corps, Le Dr Florea et ses collègues ont également exploré l'utilisation de courants électriques doux.

Propulser

L'équipe a également développé des micromachines plus complexes qui peuvent nager ou ramper à travers des liquides comme de minuscules bactéries. En utilisant des techniques d'impression 3D très précises, ils ont été capables de créer des structures d'hydrogel d'environ quelques micromètres qui peuvent se contracter et se dilater pour propulser une structure vers l'avant.

"Nous avons fabriqué de minuscules structures en forme de fleurs, par exemple, qui peut s'ouvrir et se fermer en réponse à différents stimuli, ", a-t-elle dit. "Par exemple, il pourrait s'ouvrir à un certain pH et se fermer à un autre."

Cela se produit parce que les hydrogels se dilatent en absorbant l'eau et se contractent en l'expulsant en fonction du pH de la solution environnante. Le Dr Florea a déclaré qu'ils espèrent également contrôler le mouvement des hydrogels avec des changements de température ou des impulsions lumineuses.

L'équipe de ChemLife utilise ces hydrogels pour créer des structures avec de minuscules flagelles rotatifs, les minuscules appendices en forme de queue que certaines bactéries utilisent pour se propulser. Ils créent également des structures ressemblant à des vers à partir du même type d'hydrogels qui peuvent ramper le long des surfaces ou à travers des liquides.

« L'objectif ultime est de faire en sorte que ces micro-véhicules effectuent des actions telles que l'administration de médicaments ou la détection (chimique), " a déclaré le Dr Florea. "Mais nous devons être réalistes sur le fait que cela pourrait ne pas être réalisé dans un proche avenir car le corps est un environnement très difficile."

Les minuscules structures mobiles pourraient également trouver des utilisations d'autres manières. Il s'agit notamment de fournir des produits chimiques pour mieux améliorer les réactions industrielles ou de créer des micro-pinces souples qui pourraient être activées à distance pour manipuler des composants délicats comme des cellules sans les endommager.

"Quand vous regardez ce que la nature peut réaliser, the opportunities are endless, " added Dr. Florea.