Les scientifiques étudient le comportement méconnu des nanoparticules d’or avec les neutrons
23 avril 2019
- • Les chercheurs examinent de nouvelles interactions entre les nanoparticules d’or et les membranes cellulaires
• Les nanoparticules d’or répondent à un large éventail d’applications biomédicales et sont un outil essentiel pour l’administration de médicaments
• Il a été démontré que des facteurs tels que la température et la charge de la membrane jouaient un rôle majeur, une découverte qui devrait aider les scientifiques à mieux prédire le comportement des nanoparticules d’or dans le corps humain
Les nanoparticules de moins de 100 nanomètres sont utilisées pour concevoir de nouveaux matériaux et de nouvelles nanotechnologies dans divers secteurs. En raison de leur petite taille, ces particules présentent un rapport très élevé superficie/volume et leurs propriétés dépendent fortement de leur taille, de leur forme et des molécules liées. Cela permet aux ingénieurs de bénéficier d’un peu plus de souplesse dans la conception de matériaux pouvant être utilisés dans notre vie quotidienne. Les nanoparticules se trouvent dans les crèmes solaires et les cosmétiques, mais aussi à l’intérieur de notre corps, en tant que véhicules d’administration de médicaments et en tant qu’agents de contraste pour les produits pharmaceutiques. Les nanoparticules d’or s’avèrent être un outil de nouvelle génération dans le domaine de la nanoingénierie, du fait de leur efficacité en tant que catalyseurs pour des dimensions aussi petites. Cependant, les nanomatériaux présentent également un risque potentiel, car leurs interactions avec la matière vivante et l’environnement ne sont pas toujours très bien comprises et il se peut donc qu’ils ne donnent pas les résultats escomptés, par exemple dans le corps humain.
Alors que les scientifiques ont été capables de peaufiner et de concevoir les propriétés de nanoparticules en modifiant leur taille, leur forme, leur chimie de surface et même leur état physique, un tel éventail de possibilités signifie qu’il devient également extrêmement difficile de dicter précisément la manière dont les particules se comportent à petite échelle. Cela est particulièrement préoccupant, étant donné que nous prévoyons d’utiliser des nanoparticules dans le corps humain. Les nanoparticules d’or sont de bons vecteurs de molécules de grande et de petite taille, ce qui est idéal pour transporter les médicaments jusqu’aux cellules humaines. Cependant, il est difficile de prédire dans quelle mesure elles sont ensuite absorbées par les cellules et leur toxicité, et de comprendre quels sont les risques pour la santé associés à l’utilisation de ces nanomatériaux.
Des chercheurs européens, comprenant des scientifiques de l’ILL, de l’Université de Tampere, de l’Université de Helsinki, de l’Université norvégienne de Sciences et de Technologies et de l’Université Grenoble Alpes, ont étudié les influences physiques et chimiques lorsque les nanoparticules d’or interagissent avec une membrane biologique modèle, afin d’identifier les mécanismes comportementaux qui surviennent. Le fait de mieux comprendre les facteurs qui déterminent si les nanoparticules sont attirées ou repoussées par la membrane cellulaire, si elles sont adsorbées ou internalisées, ou si elles provoquent la déstabilisation de la membrane nous aidera à garantir que les nanoparticules interagissent avec nos cellules de façon contrôlée. Cela est particulièrement important si l’on utilise les nanoparticules d’or pour l’administration de médicaments par exemple.
Comme expliqué dans le journal Small, les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques de diffraction des neutrons et de méthodes numériques pour étudier l’interaction entre les nanoparticules d’or cationiques à charge positive et les membranes lipidiques modèles. L’étude a montré comment la température et la charge lipidique modulent la présence de barrières de potentiel qui affectent l’interaction de la nanoparticule avec la membrane. En outre, différents mécanismes moléculaires pour les interactions nanoparticule-membrane ont été révélés : ils expliquent comment les nanoparticules sont internalisées dans les membranes lipidiques et comment elles agissent collégialement pour déstabiliser une membrane lipidique à charge négative. En utilisant la Dynamique Moléculaire (DM), une méthode de simulation numérique pour étudier le déplacement des atomes, les chercheurs ont démontré comment les nanoparticules d’or interagissent dans le système au niveau atomique. Il s’agit là d’un outil complémentaire pour interpréter et expliquer les données obtenues sur des systèmes réels par réflectométrie neutronique. Cette étude a montré de façon convaincante que la combinaison de la méthode de diffraction des neutrons et de la méthode numérique permettait une meilleure compréhension que chacune des méthodes utilisées séparément.
Selon Giovanna Fragneto, responsable du groupe « Matière molle» à l’ILL : « Les nanoparticules s’avèrent être un outil précieux pour nous aider à traiter un certain nombre de défis sociaux. Par exemple, en plus d’être des mécanismes permettant l’administration de médicaments, les particules d’or peuvent s’avérer utiles pour l’imagerie du cancer. Face à toutes ces promesses pour l’avenir, il est important que nous développions des outils pour mieux étudier les nanomatériaux, afin que nous puissions les maîtriser efficacement et en toute sécurité. Cela est possible grâce au développement de techniques dans la science des neutrons et aux progrès dans l’environnement des échantillons et la préparation des échantillons, réalisés dans des installations comme celles de l’ILL. »
Marco Maccarini, chercheur scientifique à l’Université Grenoble Alpes, a déclaré : « Il y a des milliers de nanoparticules différentes, de tailles et de compositions différentes, qui ont toutes un impact différent sur les cellules. La complémentarité des techniques numérique et de diffraction des neutrons mise en évidence dans cette étude a permis de fournir une indication plus claire sur ce qui influence le comportement des nanoparticules. Cela va nous permettre de prédire comment les cellules vont interagir avec les nanoparticules à l’avenir. »
Instrument ILL : le réflectomètre neutronique D17 ; D17 est un réflectomètre neutronique à géométrie de diffraction horizontale conçu pour un flux et une souplesse élevés. Cela fait de D17 l’instrument idéal pour l'étude des surfaces et des interfaces « enterrées » de couches minces (solides et molles) et de couches multiples.
Re.: The role of temperature and lipid charge on intake/uptake of cationic gold nanoparticles into lipid bilayers, F. Lolicato, L. Joly, H. Martinez-Seara, G. Fragneto, E. Scoppola, F. Baldelli Bombelli, I. Vattulainen, J. Akola, M. Maccarini [doi:10.1002/smll.201805046]
Contacts: Dr Giovanna Fragneto (ILL), Dr Marco Maccarini (UGA)