L'interface biologie-nano-objets et camouflages des vecteurs

La croissance rapide des nanotechnologies augmente la probabilité de contact entre les nanomatériaux et les êtres humains et leur environnement. Les nanoparticules (NPs) peuvent interagir avec les protéines, les membranes, les cellules, l'ADN des organites. Il est donc important d'établir une meilleure compréhension de l’interface entre les nanoparticules et les composantes biologiques. Ces interfaces nanoparticules / composantes biologiques dépendent des forces colloïdales ainsi que de nombreuses interactions biophysicochimiques dynamiques. Ces interactions conduisent à la formation de couronnes de protéines qui enveloppent les particules, entraînant ainsi des modifications des phénomènes d'absorption intracellulaire et des procédés biocatalytiques. Ces modifications peuvent avoir des effets biologiques indésirables ou modifier la biocompatibilité. Pour leur part, les biomolécules peuvent induire des transformations de phase, la restructuration et la dissolution de la surface des nanomatériaux. Sonder et analyser ces différentes interfaces et leur dynamique permet le développement de relations prédictives entre la structure et l'activité des NPs. Ces relations sont déterminées par les propriétés des nanomatériaux telles que la taille, la forme, la chimie de surface, la rugosité et les revêtements présents sur leur surface. Il est très important d’établir de façon fiable cette connaissance car elle doit permettre une utilisation plus sûre des nanomatériaux.

C’est dans ce cadre, aux interfaces entre les nanomatériaux et les systèmes biologiques, que les mondes bio-organiques et synthétiques se fondent dans une nouvelle science, qui étudie non seulement les paramètres permettant une utilisation sécurisée des nanotechnologies mais aussi la conception de nanomatériaux sur mesure pour des applications biologiques. L'interface « nano-bio » comprend les interactions physico-chimiques dynamiques, la cinétique et la thermodynamique des échanges de matière entre les surfaces de nanomatériaux et les surfaces des composants biologiques (protéines, membranes, phospholipides, vésicules d'endocytose, d’autres organelles, l'ADN et les l’ensemble des fluides biologiques). Pour permettre à ce domaine d'évoluer, nous devons comprendre les forces dynamiques et les composants moléculaires qui façonnent ces interactions. Il est aujourd’hui encore impossible de décrire avec certitude toutes les interactions biophysicochimiques mises en jeu à l'interface « nano-bio ». Cependant l’unification des connaissances partielles générées par les différentes disciplines doivent nous fournir un cadre conceptuel permettant de guider cette exploration. Dans ce cadre nous explorons ces interfaces du point de vue des forces élémentaires qui régissent la chimie colloïdale et les adaptations qui se produisent au niveau des interfaces biologiques. Après la mise en suspension de nanoparticules dans un tissu ou dans un milieu biologique, et après interaction avec des cellules (surfaces des membranes des compartiments endosomiques, des organelles et du cytoplasme), nous analysons les interfaces nanoparticules-biocomposantes et discutons des méthodes qui permettent de sonder l'interface « nano-bio ». Déterminer les interactions des processus tels que la formation de la couronne de protéines, le contact cellulaire, l'emballage des particules à la surface des cellules, l'endocytose et la biocatalyse intracellulaire, et sonder ces différentes interfaces exigent des idées et des techniques d'imagerie nouvelles. Mieux comprendre ces mécanismes doit nous permettre de prendre des décisions plus éclairées sur les modes de conception des nano-objets.

Après avoir évalué plus d’une centaine de familles de nanoparticules différentes, y compris des fullerènes, des oxydes métalliques, des polymères, des liposomes, des dendrimères, des boîtes quantiques et des colloïdes d'or, il semble que l'hydrophobie, la taille et la charge de surface sont les principaux paramètres influençant biocompatibilité des nanoparticules.

In vivo, les temps de demi-vies des nanoparticules hydrophobes sont généralement de courte durée (quelques secondes à quelques minutes) parce qu'elles sont rapidement capturés et retirés de la circulation par les éléments cellulaires du système réticulo-endothélial, pour aboutir principalement dans le foie et dans la rate. Bien que ce problème puisse limiter la biodisponibilité et l'utilité des nanoparticules en tant que vecteurs de principes actifs, certaines applications in vivo reposent sur une absorption rapide par les macrophages pour transporter les nanoparticules vers les ganglions lymphatiques ou d'autres sites de l'inflammation (par exemple pour l'imagerie par résonance magnétique du foie par des nanoparticules de fer paramagnétiques). L'importance de la taille des particules est corroborée par des données révélant que les poumons, les voies gastro-intestinales et la peau sont des obstacles très efficaces contre l'absorption et la diffusion de nanoparticules. Par exemple, les oxydes métalliques et les nanoparticules de polystyrène ne pénètrent pas dans la peau humaine saine, tandis que les « quantum dot » (boîtes quantiques) peuvent pénétrer la peau endommagée et se loger dans d'autres tissus et organes. Lorsque les nanoparticules sont délibérément injectées dans la circulation sanguine, la taille de nanoparticules a un effet important sur les taux et les voies de dégagement du corps. Par exemple, les reins ne peuvent excréter des particules de taille inférieure à 8 nm. D'autre part, via des macrophages spécialisés le foie et la rate peuvent piéger des particules de taille supérieure à 200 nm. Bien que le foie puisse a priori capturer toute particule dont la taille est supérieure à environ 200 nm, la clairance de la circulation sanguine ne signifie pas nécessairement l'excrétion, car la voie biliaire permet seulement d’éliminer des nanoparticules de diamètre inférieur à 30 nm de diamètre. Les cellules de Kupffer retiennent les particules jusqu'à ce que le foie puisse les dégrader. Les nanoparticules de tailles comprises entre 30 nm et quelques centaines de nanomètres peuvent subir une accumulation passive sur le site d’une tumeur grâce à la pénétration accrue associée à l’effet EPR (Enhanced Permeability and Retention). Ce phénomène se réfère à la perméabilité accrue de la vascularisation des tumeurs, qui, lorsqu'elle est couplée avec un drainage lymphatique diminué, permet d'accumuler les nanomatériaux au voisinage du système vasculaire cancéreux peu étanche. Enfin, l'importance de la charge de particules a été illustrée par des études in vivo et in vitro d'une série de nanoparticules de taille relativement constante, mais en faisant varier leur charge de surface en signe et en valeur absolue. Les particules cationiques sont plus cytotoxiques et plus susceptibles d'induire l'agrégation des hématies et des plaquettes que les nanoparticles neutres ou anioniques. Cette tendance est confirmée par des études de la capacité des particules de polystyrène cationiques à induire une cytotoxicité, des fuites vasculaires et des infiltrations inflammatoires dans les poumons de rats et de souris. Ce mécanisme de toxicité peut aussi expliquer l'apparition d'œdèmes et de bronchiolites pulmonaires aiguës chez les humains exposés à la peinture constituée d’aérosol à base de nanoparticules cationiques.

Cette analyse peut être résumée et illustrée à l’aide d’un diagramme de phase en trois dimensions proposé par Scott McNeil (ref. 1, 2).

Figure 1

Ce diagramme résume parfaitement les principales tendances qualitatives de la biocompatibilité des nanoparticules révélées après le criblage in vivo d'environ 130 nanoparticules destinées à des utilisations variées et en particulier comme vecteurs en biologie et médecine. Les principales variables indépendantes qui déterminent la biocompatibilité in vivo des nanoparticules (spectre de couleurs) sont la taille, le potentiel zêta (charge de surface) et la dispersibilité (en particulier l'effet hydrophobe). Ce diagramme met clairement en évidence des zones dans lesquelles on attend un comportement toxique (zones rouges) ou biocompatible (zones bleues et vertes) des NPs. L’utilisation optimum de nanoparticules dans des applications biomédicales nécessite par conséquent un parfait contrôle non seulement de leur propriétés chimiques intrinsèques, composition, structure, mais aussi de leur surface. Lorsque l’on souhaite atteindre une cible à des fins thérapeutiques il faut astucieusement camoufler les nano-vecteurs afin qu’ils ne soient pas trop vite reconnus et donc éliminés par le système réticulo-endothélial. Une leçon a été entièrement consacrée à l’étude des différents et principaux modes de camouflages utilisés. La petite taille des NPs de silice associée à la pégylation de leur surface, le contrôle de la charge des NPs et de la stabilité des dispersions même après formation de la couronne protéique, le masquage de certaines fonctionnalités, la présence d’un nombre contrôlé de molécules capables de cibler les biocomposantes surexprimées par des cellules cancéreuses font partie des principales stratégies de camouflage et de ciblage utilisées. Plus récemment l’utilisation préalable des phénomènes d’endocytose et d’exocytose de NPS pour construire de nouveaux vecteurs biogéniques ouvre de nouvelles perspectives. Ces compartiments biohybrides microvésiculaires qui permettent d’échanger, de vectoriser des principes actifs ou des sondes de fonctionnalités variées devraient ouvrir des perspectives intéressantes en nanomédecine.