Nanoparticules d'or sphériques et en forme d'étoile (en haut) et cellules cancéreuses du côlon après environ cinq heures d'exposition à celles-ci (en bas, respectivement). La photo en bas à gauche prouve que, malgré la petite taille des nanoparticules sphériques, les cellules cancéreuses ont survécu. Couleurs fausses. Crédit : IFJ PAN
Une recherche bouleverse les anciennes conceptions sur les nanoparticules d’or, montrant que celles plus grosses et en forme d’étoile sont plus efficaces contre le cancer, conduisant à un modèle qui améliore la conception des thérapies.
Les scientifiques pensaient jusqu'à présent que plus les nanoparticules utilisées pour combattre les cellules cancéreuses étaient petites, plus elles mouraient rapidement. La logique derrière cette théorie est que les petites nanoparticules auraient plus de facilité à pénétrer à l'intérieur d'une cellule cancéreuse, où leur présence entraînerait des troubles métaboliques et finalement la mort cellulaire.
Désormais, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique microscopique pour découvrir une image plus intéressante et plus complexe de ces interactions.
L'étude, récemment publiée dans la revue Nano Micro Petita été menée par l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) et soutenue par une analyse théorique réalisée à l'Université de Rzeszow (UR) et à l'Université de technologie de Rzeszow.
Les cellules cancéreuses du côlon après interaction avec de petites nanoparticules d'or sphériques n'ont pas changé de morphologie et sont toujours capables de se diviser. Crédit : IFJ PAN
Innovations dans la production et les tests de nanoparticules
« Notre institut dispose d’un centre médical et d’accélérateur de pointe pour la radiothérapie protonique. C’est pourquoi, il y a quelques années, lorsque des rapports ont fait état du fait que les nanoparticules d’or pouvaient être de bons radiosensibilisateurs et améliorer l’efficacité de ce type de thérapie, nous avons commencé à les synthétiser nous-mêmes et à tester leur interaction avec les cellules cancéreuses. Nous avons rapidement découvert que la toxicité des nanoparticules n’était pas toujours celle attendue », explique le Dr Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), initiatrice de la recherche et première auteure.
Les nanoparticules peuvent être produites de différentes manières, ce qui permet d’obtenir des particules de tailles et de formes variées. Peu après avoir commencé leurs propres expériences avec des nanoparticules d’or, les physiciens de l’IFJ PAN ont remarqué que la biologie ne suit pas la règle populaire selon laquelle leur toxicité est d’autant plus grande qu’elles sont petites. Des nanoparticules sphériques de 10 nanomètres, produites à Cracovie, se sont révélées pratiquement inoffensives pour la lignée cellulaire de gliome étudiée. Cependant, une mortalité élevée a été observée dans les cellules exposées à des nanoparticules de 200 nanomètres, mais ayant une structure en forme d’étoile.
Les cellules cancéreuses du côlon après interaction avec de petites nanoparticules d'or sphériques n'ont pas changé de morphologie et sont toujours capables de se diviser. Crédit : IFJ PAN
La microscopie holotomographique : une révolution dans la recherche sur le cancer
L'élucidation de cette contradiction a été rendue possible grâce à l'utilisation du premier microscope holotomographique en Pologne, acheté par IFJ PAN avec des fonds du ministère polonais des Sciences et de l'Enseignement supérieur.
Un scanner classique scanne le corps humain à l'aide de rayons X et reconstitue sa structure interne spatiale section par section. En biologie, une fonction similaire est désormais assurée par le microscope holotomographique. Ici, les cellules sont également balayées par un faisceau de rayonnement, non pas de rayonnement à haute énergie, mais de rayonnement électromagnétique. Son énergie est choisie de manière à ce que les photons ne perturbent pas le métabolisme cellulaire. Le résultat de l'examen est un ensemble de coupes transversales holographiques contenant des informations sur la distribution des changements d'indice de réfraction. Comme la lumière se réfracte différemment sur le cytoplasme et différemment sur la membrane cellulaire ou le noyau, il est possible de reconstruire une image tridimensionnelle de la cellule elle-même et de son intérieur.
« Contrairement à d’autres techniques de microscopie à haute résolution, l’holotomographie ne nécessite pas la préparation d’échantillons ni l’introduction de substances étrangères dans les cellules, explique Depciuch-Czarn. Les interactions des nanoparticules d’or avec les cellules cancéreuses ont donc pu être observées directement dans l’incubateur, où ces dernières étaient cultivées, dans un environnement non perturbé, qui plus est avec une résolution nanométrique, de tous les côtés simultanément et pratiquement en temps réel », a-t-il ajouté.
Impact de la forme des nanoparticules sur le traitement du cancer
Les caractéristiques uniques de l’holotomographie ont permis aux physiciens de déterminer les causes du comportement inattendu des cellules cancéreuses en présence de nanoparticules d’or. Une série d’expériences a été menée sur trois lignées cellulaires : deux gliomes et une du côlon. On a notamment observé que même si les petites nanoparticules sphériques pénétraient facilement dans les cellules cancéreuses, celles-ci se régénéraient et recommençaient même à se diviser malgré le stress initial. Dans le cas des cellules cancéreuses du côlon, les nanoparticules d’or étaient rapidement expulsées. La situation était différente pour les grosses nanoparticules en forme d’étoile. Leurs pointes acérées perforaient les membranes cellulaires, ce qui entraînait très probablement une augmentation du stress oxydatif à l’intérieur des cellules. Lorsque ces cellules ne parvenaient plus à réparer les dommages croissants, le mécanisme d’apoptose, ou mort programmée, se déclenchait.
Modélisation théorique et applications pratiques
« Nous avons utilisé les données des expériences de Cracovie pour construire un modèle théorique du processus de dépôt des nanoparticules dans les cellules étudiées. Le résultat final est une équation différentielle dans laquelle des paramètres correctement traités peuvent être substitués – décrivant pour l’instant uniquement la forme et la taille des nanoparticules – pour déterminer rapidement comment les cellules cancéreuses absorberont les particules analysées sur une période donnée », explique le Dr Pawel Jakubczyk, professeur à l’UR et co-auteur du modèle. « N’importe quel scientifique peut déjà utiliser notre modèle au stade de la conception de ses propres recherches pour réduire instantanément le nombre de variantes de nanoparticules nécessitant une vérification expérimentale. »
La possibilité de réduire facilement le nombre d'expériences potentielles à réaliser se traduit par une réduction des coûts associés à l'achat de lignées cellulaires et de réactifs, ainsi que par une réduction marquée du temps de recherche (il faut généralement environ deux semaines pour cultiver une lignée cellulaire disponible dans le commerce). En outre, le modèle peut être utilisé pour concevoir des thérapies mieux ciblées qu'auparavant, dans lesquelles les nanoparticules seront particulièrement bien absorbées par les cellules cancéreuses sélectionnées tout en maintenant une toxicité relativement faible, voire nulle, pour les cellules saines des autres organes du patient.
Orientations futures de la recherche sur le cancer à l'aide de nanoparticules
Le groupe de scientifiques de Cracovie-Rzeszow se prépare déjà à poursuivre ses recherches. De nouvelles expériences devraient bientôt permettre d'étendre le modèle d'interaction des nanoparticules avec les cellules cancéreuses à d'autres paramètres, tels que la composition chimique des particules ou d'autres types de tumeurs. Il est également prévu ultérieurement de compléter le modèle par des éléments mathématiques afin d'optimiser l'efficacité de la photothérapie ou de la protonthérapie pour les combinaisons indiquées de nanoparticules et de tumeurs.
