Information médicale_001/Des nanoparticules tueuses de tumeurs

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  NANOMéDECINE  -  Trois chantiers pour soigner et guérir

Quels que soient les progrès très réels de la médecine, les chercheurs et les cliniciens se heurtent en définitive toujours aux mêmes obstacles : des maladies diagnostiquées trop tard, des médicaments pas assez efficaces ou efficaces mais toxiques et une incapacité à régénérer l’organe ou le tissu lésé par la blessure ou la maladie. Sur ces trois points, qu’il s’agisse de cancers, de maladies cardio-vasculaires, neurodégénératives ou immunitaires, ou encore de séquelles d’accidents, l’approche nano promet des percées décisives.

Robot dispensateur de gouttelettes (50 nl).
© P. Stroppa, CEA

L’enjeu du diagnostic précoce, notamment en matière de cancer, est bien connu : plus la maladie est identifiée tôt, plus les possibilités d’en venir à bout par la chirurgie ou la chimiothérapie sont importantes. Le constat se double d’un dilemme: les progrès de l’imagerie (in vivo) comme de l’analyse biochimique et génétique (in vitro) ont considérablement amélioré ces possibilités, mais les examens sont longs, coûteux, et parfois douloureux pour le patient. Les médecins hésitent donc à les prescrire. Comment l’approche nouvelle de la nanomédecine peut-elle aider à résoudre ce dilemme? En rendant plus rapides, fiables, sensibles et économiques les méthodes existantes de diagnostic.

Voir in vivo

Approches diagnostiques nouvelles : caractérisation de cellules de surface de lignées cellulaires tumorales pancréatiques.
© J. Schnekenburger, Department of Medicine B, University of Münster

Des avancées réelles ont été enregistrées, ces dernières années, dans deux domaines. Le premier est celui du diagnostic in vivo. Qu’il s’agisse de scanner, d’imagerie par résonance magnétique ou de tomographie, toutes les techniques d’imagerie du corps humain nécessitent l’injection de traceurs ou d’agents contrastants.

"Les agents contrastants classiques permettent de bien visualiser l’anatomie, mais sont peu performants pour l'évaluation des processus physiologiques ou moléculaires, explique Andreas Briel du centre de recherche de la société Schering en Allemagne. D’où l’intérêt des nanotechnologies qui permettent d’assembler un marqueur inerte identifiable par le dispositif d’imagerie et un ligand biologique capable de reconnaître un organe ou un type de cellule. Grâce à leur petite taille, de tels 'pisteurs' pénètrent mieux les tissus et augmentent la résolution des images."

Laboratoires sur puces
Le second est la généralisation des puces à ADN. Ces dispositifs in vitro permettent d’analyser en quelques heures l’expression génétique d’une cellule grâce à des oligonucléotides fixés sur un support solide, activant un signal lumineux ou électrique lorsqu’ils reconnaissent la séquence d’ADN complémentaire. Inconnues il y a encore une dizaine d’années, ces puces sont maintenant largement utilisées pour diagnostiquer les perturbations de l’expression génétique dans les cellules de très petits échantillons qu’il était impossible d’analyser par les méthodes classiques – par exemple dans le cas de biopsies exécutées sur des patients atteints de cancer gastrique.

A terme, le but ultime de la nanomédecine est d’identifier la transformation tumorale dès la première cellule affectée. Un très long chemin reste à parcourir, mais l’on commence à en connaître le tracé. Les techniques permettant d’analyser rapidement les combinaisons protéiques de la surface cellulaire – pour y rechercher la signature des cellules tumorales – sont, en effet, à une phase de développement avancé. Elles utilisent des puces à protéines, qui fonctionnent sur le même principe que les puces à ADN, mais avec des anticorps reconnaissant des peptides exprimés à la surface des cellules cancéreuses en lieu et place des oligonucléotides.

Délivrance génique par ultrason. La présence de gaz dans les microbulles contenant un gène permet de libérer celui-ci par ultrason.
© Unger et al. Therapeutic Applications of Microbubbles

De façon plus futuriste, on parle maintenant de laboratoires sur puces. Cette expression désigne des systèmes miniaturisés permettant de réaliser, en parallèle, dans de minuscules cavités alimentées par des microfluides, plusieurs centaines d’analyses biochimiques dont les résultats sont étudiés en temps réels. "Bien que des sommes considérables soient investies dans ce domaine, les laboratoires sur puces restent encore commercialement très peu développés, nuance Rutger van Merkerk, de l’université d’Utrecht, qui vient d’achever une étude stratégique auprès des vingt principaux acteurs du secteur. Il s’agit d’une technologie prometteuse, mais en phase précoce de développement, encore à la recherche de ses terrains d’application."

La course à la miniaturisation pose, en effet, de redoutables problèmes techniques. Comme l’explique Jeremy Lakey, directeur scientifique de la société britannique Orla Proteine Technologies, "dès que l’on veut faire une interface entre des systèmes biologiques et des dispositifs électroniques, il faut que ces derniers aient le même ordre de grandeur que l’ADN, les membranes ou les protéines, c’est-à-dire à des échelles inférieures à 100 nanomètres. Cela implique de maîtriser, en parallèle, des modes de nanofabrication dans le domaine électronique."

Le casse-tête de la délivrance
Après le diagnostic, la thérapie. Sauf cas particulier (voir encadré Des nanoparticules tueuses de tumeurs), l’approche nano n'entraînera sans doute pas l’introduction d’approches thérapeutiques réellement nouvelles. En revanche, elle promet de bouleverser un point essentiel : la délivrance des médicaments. Pour qu’une molécule – issue de synthèses chimiques classiques ou concoctée grâce aux biotechnologies de pointe – soit efficace, il ne suffit pas qu’elle soit capable d’améliorer l’état d’un organe malade. Encore faut-il qu’elle y parvienne – et ce n'est pas évident pour des molécules de taille importante, comme les protéines.

Cellules gliales sur un substrat et électrodes.
© Fraunhofer IBMT, St. Ingbert

"Les protéines sont de plus en plus utilisées comme agents thérapeutiques dans plusieurs maladies – dont le cancer –, mais leur développement se heurte aux difficultés de leur passage au travers des membranes biologiques, à leur fragilité structurelle et à leur dégradation rapide dans le corps humain. De ce fait, elles doivent aujourd’hui le plus souvent être administrées par voie parentérale, ce qui implique des injections compliquées et douloureuses", souligne Peter Venturini, directeur de l’Institut national de chimie de Slovénie.

La solution serait-elle d’utiliser de petites molécules circulant facilement dans le corps? On a pu le croire, mais "la lenteur des progrès dans le traitement de maladies comme le cancer par des molécules de faible poids moléculaire a conduit à changer de stratégie, en privilégiant la délivrance des médicaments directement dans les organes affectés", explique Costas Kiparissides, de l’université Aristote de Thessalonique (Grèce). La thérapie génique, sur laquelle on fondait tant d’espoir dans les années 1980, se heurte, elle aussi, à ce problème d’acheminement de l’ADN médicament jusqu’aux cellules cibles.

A cette question scientifique s’ajoutent des considérations économiques. Comme le reconnaît volontiers Andreas Jordan, médecin et directeur de la société MagForce, "ces recherches sur la délivrance sont aussi un moyen de donner une seconde vie à des molécules tombées dans le domaine public, en changeant leur habillage."

Ingénierie de transport
Comment l’approche nano est-elle susceptible de bouleverser la délivrance des médicaments? Pour une raison géométrique très simple : à masse égale, plus une substance est contenue dans de petites particules, plus la surface totale possédant une activité biologique capable d’interagir avec les récepteurs situés à la surface cellulaire augmente.

D’où l’immense intérêt de réduire la taille des systèmes envisagés pour transporter le médicament jusqu’à son organe cible, par exemple sous la forme de minuscules bulles d'encapsulation de la molécule thérapeutique formées d'une couche de lipides (micelles) ou de plusieurs couches (liposomes), ou encore d'enveloppes de polymères biodégradables hérissés d’anticorps reconnaissant les cellules à cibler… On entre là dans une ingénierie très fine des véhicules du "transport" moléculaire, qui doivent en même temps protéger les médicaments de la dégradation.

Comme aime à le dire Richard Aljones, de l’université de Sheffield, "le plus beau succès des nanotechnologies que nous connaissions n’est autre que la cellule vivante, qui se bâtit seule par un processus d’auto-assemblage de ses composants." Pour construire ces dispositifs, une première approche est donc de s’inspirer des principes à l’œuvre dans les systèmes nanométriques du vivant, comme les ribosomes ou les complexes d’enzymes membranaires. A terme, on envisage même d’équiper ces nanoparticules de "commandes" de délivrance à distance, de manière à déclencher la libération du médicament (par exemple par ondes électromagnétiques ou stimulation infrarouge), une fois les véhicules parvenus à leurs cibles.

La miniaturisation que permet l’approche nano a aussi un autre avantage : celui de permettre d’envisager des voies innovantes d’administration médicamenteuse, plus pratiques, efficaces, et/ou moins douloureuses : voie pulmonaire avec des aérosols de nanoparticules en suspension ou voie transdermale, notamment pour les patients inconscients.

Auto-régénération

Gauche : Disque intervertébral, 12 mois après traitement avec des chondrocytes autologues
Droite: Disque intervertébral non traité.Les disques régénérés imitent la morphologie du disque premier; le traitement autologue favorise la régénération tissulaire.
© T. Ganey, co.don AG

Troisième et dernier chantier de la nanomédecine: la médecine régénérative, qui vise à aider le corps à se guérir lui-même. Le premier stade a été le remplacement d'organes défectueux, apparu dans les années '70, lorsque les premiers matériaux implantables dans le corps humain ont vu le jour. Il ne s’agissait cependant que de "pièces de rechange" inertes et non biodégradables, qui avaient d'ailleurs souvent été développées pour de tout autres applications. Au milieu de la décennie '80, une seconde génération de matériaux à base de céramiques et de verres a vu le jour, capables soit d’être biodégradables (une fois la lésion réparée), soit de stimuler l’activité d’auto-régénération – mais jamais les deux à fois. Aujourd'hui, il s’agit de combiner ces deux propriétés (biodégradabilité et bioactivité) en une seule structure. A une échelle nanométrique, on peut, en effet, concevoir des combinaisons de corps inertes et de molécules biologiques jusqu'ici inaccessibles à la chimie classique.

Différenciation cellulaire, matériaux intelligents
Une autre voie s'ouvre également pour la maîtrise de la différenciation cellulaire, au cœur de la recherche sur les cellules souches. "Dans l’approche classique de thérapie cellulaire, les cellules sont cultivées en milieu liquide, ce qui limite leurs possibilités de différenciation. Nous cherchons à présent à les cultiver sur une surface solide recouverte à l’échelle nanométrique de combinaisons de protéines capables d’induire leur transformation en un type cellulaire désiré", explique Günter Fuhr, de l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie biologique (St Ingbert, DE) et coordinateur du projet européen CellPROM (Cell programming by Nanoscaled Devices).

Enfin, comme on l’a vu à propos de la délivrance des médicaments, l'approche nano peut permettre la conception de matériaux "intelligents" capables d’adapter leurs comportements aux conditions biologiques locales ou à des stimulations extérieures. "De tels matériaux, utilisés comme matrice à la fois nutritive et structurelle, pourraient servir à multiplier des cellules saines pour ensuite les réimplanter dans l’organe malade", commente Alessandra Pavesio, de la société italienne Fidia Advanced BioPolymers, qui travaille sur l'application de ce principe pour la régénération du ménisque dans le cadre du projet européen Meniscus.

Comme nombre d’industriels du secteur, Alessandra Pavesio souhaite que les réglementations européennes soient assouplies pour accélérer les tests cliniques des produits de la nanomédecine. David Rickerby, du Centre commun de recherche d'Ispra (Commission européenne - IT) estime cependant que "le cadre juridique actuel, qui ne fait aucune différence entre produits de la nanomédecine et produits classiques, est suffisamment flexible pour intégrer les innovations de ce type à leur stade actuel de développement, même si des évaluations régulières devront en être faites pour tenir compte des avancées scientifiques". Une fois n’est pas coutume, le droit ne serait donc pas pris de court par les bouleversements scientifiques et techniques attendus de la nanomédecine.

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	Vers des cornées artificielles ?
	La cornée qui protège la surface de l’œil est formée de deux couches de cellules épithéliales entourant une matrice protéique et cellulaire (le stroma) de structure complexe, à la fois transparente et très rigide. Les lésions de la cornée sont responsables de quelque 6 millions de cas de cécité dans le monde. Chaque année en Europe, on compte plus de 27 000 greffes de cornée, mais cette approche ne donne pas entière satisfaction à cause du manque de donneurs, des problèmes de compatibilité immunologique et des risques de transmission de maladies. Construire des cornées artificielles pour réaliser ces greffes ophtalmologiques est, à terme, l’objectif du consortium Cornea Engineering qui réunit 14 équipes de neuf pays européens. Des cornées artificielles pourraient, en outre, servir à tester la toxicité opthalmologique des produits de l’industrie cosmétique, et donc réduire les besoins en expérimentation animale. "L’équipe italienne membre de notre consortium est déjà parvenue à reconstruire la couche épithéliale externe grâce à des greffes autologues de cellules. La prochaine étape est de parvenir à la reconstruction du stroma. En assemblant les fibres protéiques, à l’échelle nanométrique, l'objectif est de constituer une matrice au sein de laquelle des cellules souches pourront se différencier", explique David Hulmes, de l’Institut de biologie et de chimie des protéines de Lyon (FR), coordonnateur du projet.

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	Des nanoparticules tueuses de tumeurs
	Détruire les tumeurs par la chaleur : l’idée n’est pas nouvelle, mais se heurte depuis des années à de redoutables effets secondaires, tant il est difficile de restreindre l’hyperthermie à la seule région tumorale. La société berlinoise MagForce, fondée en 1997, a développé une méthode originale pour résoudre ce problème. Elle repose sur l’injection de nanoparticules d’oxyde de fer, enveloppées dans une coque contenant des protéines permettant leur absorption par les seules cellules tumorales, qui sont ensuite incapables de les excréter. "Une fois intégrées, ces nanoparticules jouent le rôle de minuscules antennes réceptrices, explique Andreas Jordan, fondateur de la société. L’application d’un champ magnétique va dès lors créer une hyperthermie locale qui entraîne la mort des cellules tumorales." Cette approche prometteuse a passé avec succès les tests cliniques humains de phase 1. Des études de phase 2, visant à démontrer son efficacité dans certains cancers de la prostate et du cerveau, sont en cours à l’hôpital de la Charité à Berlin. Au vu des résultats très encourageants, MagForce espère une commercialisation de cette nouvelle thérapie d’ici 2007. Une nouvelle génération de ces nanoparticules a déjà été mise en chantier. Insérées dans des protéines reconnaissant spécifiquement les cellules tumorales, elles pourront être injectées directement dans la circulation sanguine, et non plus dans la tumeur comme c’est le cas aujourd’hui. En savoir plus [ http://www.magforce.de/ ]