Nanorévolution: qu'est-ce qui a permis la percée des points quantiques dans la médecine?

Les points quantiques, nanoparticules dont la taille est inférieure à 1/10000e du diamètre d'un cheveu, ont permis une percée scientifique dans le diagnostic et la pharmacologie. Le MEPhI (Institut d'ingénierie physique de Moscou) de l'Université nationale de recherche nucléaire étudie activement les possibilités d'utilisation des points quantiques en biomédecine.

Le point quantique (également appelé boîte quantique ou encore "atome artificiel") est un cristal de semi-conducteurs de taille si réduite que les électrons y sont confinés dans les trois dimensions de l'espace. On peut le comparer à une balle dans une boîte, qui peut se déplacer seulement entre ses parois. Le terme "quantique", en l'occurrence, sous-entend que les différentes caractéristiques de ce point, par exemple optiques et électriques, changent en fonction de sa taille.

Les points quantiques ont été découverts dans les années 1950. Pendant longtemps, les physiciens ne les ont étudiés que passivement. Puis les chimistes ont appris à synthétiser les points quantiques en leur imposant des dimensions, contrôlant ainsi leurs propriétés physiques et chimiques. En biologie, les points quantiques ont commencé à être utilisés seulement après la découverte d'un moyen de les rendre solubles dans l'eau et dans les liquides biologiques, ainsi que de contrôler leur taille, c'est-à-dire de leur imposer des propriétés physiques pendant le processus de création.

En médecine on utilise le plus souvent des points quantiques colloïdaux — des nanocristaux obtenus par synthèse chimique à haute température. Dans un milieu chauffé incluant deux états phasiques ou plus, on injecte une solution avec les agents chimiques nécessaires. Se produit alors une rapide réaction chimique avec la formation d'embryons de phase dure. Ce sont précisément les bases pour les points quantiques cristallisés. Puis les particules grandissent, sachant que leur taille est contrôlée avec une précision jusqu'à 10%. La taille moyenne des points quantiques convenables pour un usage médical est comprise entre 2,5 et 5 nanomètres. De leur taille dépendent leurs propriétés optiques: exposés à un rayonnement extérieur les petits nanocristaux brillent d'une couleur violette, les grands en rouge.

Le principal obstacle à l'injection de la plupart des nanoparticules dans l'organisme humain est leur toxicité par rapport aux cellules vivantes, et pas seulement de l'élément chimique qu'elles contiennent. Il est question de nanotoxicité: les nanoparticules étant de taille très réduite, comparable à celle des molécules biologiques, nos propres protéines se collent au nanocristal tout en se retournant "sens dessus dessous", ce qui entraîne une réaction brutale du système immunitaire cherchant à détruire la protéine "étrangère".

Les nanoparticules peuvent devenir des centres de formation de protéines filiformes et roulées en boule qui font penser à des plaques similaires à celles qui se forment pendant la maladie d'Alzheimer et sont susceptibles de bloquer la transmission de l'impulsion nerveuse. Les nanocristaux luttent différemment contre l'"attraction" des protéines. Par exemple, les chercheurs du MEPhI cherchent à rendre la surface des particules la plus "impraticable" possible pour l'accrochage de protéines, ainsi que d'exclure leur accolement. Sachant que la taille doit être maintenue dans les limites établies (2,5-5 nm) pour que les cristaux puissent quitter l'organisme avec une probabilité proche de 100%.

"Il sera très probablement impossible d'éradiquer complètement le problème de la toxicité des nanomatériaux. Cependant, les perspectives de leur utilisation dans la médecine seront toujours déterminées par un équilibre entres les propriétés négatives et positives qu'elles pourront apporter dans le diagnostic et les soins. Il est évident que les médicaments antinéoplasiques représentent un sérieux risque pour les tissus sains de l'organisme, mais il est impossible de détruire la tumeur autrement! C'est pourquoi la tâche des nanotechniciens consiste à minimiser l'impact des substances toxiques pour les cellules et les organes sains. Il faut prendre un certain risque pour augmenter au final les chances de sauver la vie et la santé de l'homme", déclare Igor Nabiev, responsable du laboratoire de nano- et bioingénierie du MEPhI et professeur à l'université de Reims Champagne-Ardenne (France).

Actuellement, le MEPhI élabore un projet de transporteurs comprenant des microcapsules contenant un médicament et dans les parois desquelles on introduit des nanoparticules magnétiques et d'argent, ainsi que des points quantiques radioactifs et fluorescents. Grâce à ces derniers, les capsules sont illuminées — ce qui permet d'enregistrer leur emplacement. Les particules sont contrôlées à l'aide d'un aimant qui déplace toute la capsule à l'endroit où se trouve la tumeur. Grâce au champ magnétique alternatif ou un ultrason, elles peuvent être chauffées et ouvertes au moment où elles atteignent leur "cible".

Il est à noter que les points quantiques ne s'attardent pas au stade de la recherche: sur la base des nanocristaux, on élabore déjà activement des dispositifs concrets utilisés dans la pratique. Le MEPhI crée actuellement une série d'appareils capables de détecter un grand nombre de pathogènes à la fois. Ces dispositifs pourront identifier toute une série d'infections uniquement avec un seul échantillon d'air. La construction de la première série de ces appareils est prévue pour 2019-2020.