Les scientifiques de l’Université Rice ont découvert une méthode révolutionnaire pour détruire les cellules cancéreuses à l’aide de vibrations moléculaires. En stimulant de petites molécules de colorant avec une lumière proche infrarouge, elles provoquent la rupture des membranes des cellules cancéreuses avec un taux de réussite de 99 % dans les cultures en laboratoire. Cette technique, appelée « marteaux-piqueurs moléculaires », offre une nouvelle approche plus rapide du traitement du cancer, très différente des méthodes existantes. La recherche, impliquant des collaborations entre plusieurs institutions, marque une avancée significative dans le domaine du traitement du cancer.
Les vibrations déclenchées par la lumière de molécules entières peuvent briser la membrane des cellules de mélanome.
Le single à succès emblématique des Beach Boys, « Good Vibrations », prend un tout nouveau sens grâce à une découverte récente de scientifiques et de collaborateurs de l’Université Rice, qui ont découvert un moyen de détruire les cellules cancéreuses en utilisant la capacité de certaines molécules à vibrer fortement. lorsqu’il est stimulé par la lumière.
Les chercheurs ont découvert que les atomes d’une petite molécule colorante utilisée pour l’imagerie médicale peuvent vibrer à l’unisson – formant ce que l’on appelle un plasmon – lorsqu’ils sont stimulés par la lumière proche infrarouge, provoquant la rupture de la membrane cellulaire des cellules cancéreuses. Selon l’étude publiée dans Chimie naturellela méthode avait une efficacité de 99 pour cent contre les cultures en laboratoire de cellules de mélanome humain, et la moitié des souris atteintes de tumeurs de mélanome sont devenues indemnes de cancer après le traitement.
Ciceron Ayala-Orozco est chercheur scientifique au laboratoire Tour de l’Université Rice et auteur principal de l’étude. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
Marteaux-piqueurs moléculaires : une nouvelle approche de la thérapie contre le cancer
« Il s’agit d’une toute nouvelle génération de machines moléculaires que nous appelons des marteaux-piqueurs moléculaires », a déclaré James Tour, chimiste de Rice, dont le laboratoire a déjà utilisé à l’échelle nanométrique des composés dotés d’une chaîne d’atomes en forme de pagaie activée par la lumière qui tourne continuellement dans la même direction pour percer la membrane externe des bactéries infectieuses, des cellules cancéreuses et des champignons résistants aux traitements.
La structure d’une molécule d’aminocyanine (un marteau-piqueur moléculaire) superposée au plasmon moléculaire calculé par la théorie TD-DFT, avec le corps symétrique caractéristique et le long « bras latéral ». Crédit : Image gracieuseté de Ciceron Ayala-Orozco/Rice University
Contrairement aux perceuses à l’échelle nanométrique basées sur les moteurs moléculaires du lauréat du prix Nobel Bernard Feringa, les marteaux-piqueurs moléculaires emploient un mécanisme d’action totalement différent – et sans précédent –.
« Ils sont plus d’un million de fois plus rapides dans leur mouvement mécanique que les anciens moteurs de type Feringa, et ils peuvent être activés avec une lumière proche infrarouge plutôt qu’avec la lumière visible », a déclaré Tour.
La lumière proche infrarouge peut pénétrer beaucoup plus profondément dans le corps que la lumière visible, accédant aux organes ou aux os sans endommager les tissus.
« La lumière proche infrarouge peut pénétrer jusqu’à 10 centimètres (~ 4 pouces) dans le corps humain, contre seulement un demi-centimètre (~ 0,2 pouces), la profondeur de pénétration de la lumière visible, que nous avons utilisée pour activer les nanoforets, » a déclaré Tour, professeur de chimie TT et WF Chao de Rice et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie. « C’est une énorme avancée. »
Progrès de la technologie moléculaire et du traitement du cancer
Les marteaux-piqueurs sont des molécules d’aminocyanine, une classe de colorants synthétiques fluorescents utilisés pour l’imagerie médicale.
« Ces molécules sont de simples colorants que les gens utilisent depuis longtemps », a déclaré Ciceron Ayala-Orozco, chercheur scientifique chez Rice et auteur principal de l’étude. « Ils sont biocompatibles, stables dans l’eau et très efficaces pour s’attacher à la couche graisseuse externe des cellules. Mais même s’ils étaient utilisés à des fins d’imagerie, les gens ne savaient pas comment les activer en tant que plasmons.
(a) Un marteau-piqueur moléculaire (bleu) s’attache à la bicouche lipidique d’une cellule cancéreuse. Lorsqu’il est stimulé par une lumière proche infrarouge, il vibre fortement, provoquant la déchirure de la membrane cellulaire. (b) DAPI entrant et colorant le noyau des cellules de mélanome A375 perturbées par la membrane, visualisées par microscopie confocale à fluorescence. Barre d’échelle = 25 µm. (Image fournie avec l’aimable autorisation de Ciceron Ayala-Orozco/Rice University
Ayala-Orozco a d’abord étudié les plasmons en tant que doctorante dans le groupe de recherche dirigé par Naomi Halas de Rice.
« En raison de leur structure et de leurs propriétés chimiques, les noyaux de ces molécules peuvent osciller de manière synchronisée lorsqu’ils sont exposés au bon stimulus », a déclaré Ayala-Orozco. « J’ai vu la nécessité d’utiliser les propriétés des plasmons comme forme de traitement et j’étais intéressé par l’approche mécanique du Dr Tour pour traiter les cellules cancéreuses. J’ai essentiellement relié les points.
« Les plasmons moléculaires que nous avons identifiés ont une structure presque symétrique avec un bras d’un côté. Le bras ne contribue pas au mouvement plasmonique, mais il aide à ancrer la molécule à la bicouche lipidique de la membrane cellulaire.
Les chercheurs ont dû prouver que le mode d’action des molécules ne pouvait être catégorisé ni comme une forme de thérapie photodynamique ou photothermique.
Ayala-Orozco utilise un microscope confocal. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
« Ce qu’il faut souligner, c’est que nous avons découvert une autre explication du fonctionnement de ces molécules », a déclaré Ayala-Orozco. « C’est la première fois qu’un plasmon moléculaire est utilisé de cette manière pour exciter la molécule entière et produire réellement une action mécanique utilisée pour atteindre un objectif particulier – dans ce cas, déchirer la membrane des cellules cancéreuses.
« Cette étude porte sur une manière différente de traiter le cancer en utilisant des forces mécaniques à l’échelle moléculaire. »
Des chercheurs de la Texas A&M University dirigés par Jorge Seminario, chimiste quantique et professeur de génie chimique, ont effectué une analyse de la théorie fonctionnelle de la densité en fonction du temps sur les caractéristiques moléculaires impliquées dans l’effet marteau-piqueur. Les études sur le cancer ont été réalisées chez des souris au MD Anderson Cancer Center de l’Université du Texas en collaboration avec le Dr Jeffrey Myers, professeur et directeur du département de chirurgie de la tête et du cou et directeur de la recherche translationnelle pour la division de chirurgie.
Nanorobotics, Ltd., le Discovery Institute et la Welch Foundation (C-2017-20190330) ont soutenu la recherche.
