Les nanotechnologies

Les nanotechnologies et les nanosciences sont l'étude, la fabrication et la manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l'échelle de 100 à 1 nm.

Nanotechnologies,viens du préfixe "nano" vient du grec "nanos" qui signifie "nain".

Les nanotechnologies comparées aux échelles usuelles

La découverte des nanotechnologies

C’est en 1991 qu’un scientifique utilise pour la première fois le préfixe « nano ». L'idée de transformer la matière à l'échelle nanométrique a été suggérée par Richard Feynman au cours d'une conférence en 1959. Ce terme a été utilisé pour la première fois en 1974 par Norio Tanigushi, professeur de l'Université des sciences de Tokyo.
Mais ce n’est qu’en 1981 que deux chercheurs d’IBM inventent le microscope à effet tunnel qui permet d’observer des atomes à l’échelle du nanomètre. Le mot nanotechnologie fut popularisé par Eric Drexler, un ingénieur américain, dans les années 80.

Pour construire et assembler les nanotechnologies, deux voies sont possibles :

L'une est dite descendante ou top-down, l'autre dite ascendante ou bottom-up.

La voie descendante, top-down, utilise l’amélioration des procédés de gravure de la microélectronique qui permettent de réaliser des structures de taille inférieure à quelques dizaines de nanomètres. Il s'agit de miniaturiser des objets déjà existants de taille micro ou macrométrique pour se rapprocher des dimensions nanométriques. Cette voie a permis la création en 2004 des premiers microprocesseurs gravés avec une finesse de 90 nm.

La voie ascendante, bottum-up, consiste à assembler des composants élémentaires (atomes, molécules) pour fabriquer des structures plus complexes. Cette voie devrait permettre un contrôle extrêmement précis de la matière. Mais c'est une voie encore au stade expérimental, la voie descendante étant la seule à avoir déjà fait ses preuves dans l'industrie.

Richard Feynman (physicien)

1/Le rôle des nanotechnologies

Les nanotechnologies sont donc des petits joyaux dans tous les domaines scientifiques : que ce soit pour l'automobile, l'aviation, l'électronique, la robotique, etc... La nanorévolution s'empare de la science.
Intéressons-nous donc aux effets des nanotechnologies dans le domaine médical avec à la clé de nouvelles méthodes thérapeutiques et de nouveaux médicaments.

En effet, les nanotechnologies vont être utilisées par exemple pour prévenir des maladies types les cancers ou la maladie d'Alzheimer.
Tout cela grâce à des puces combinant informatiques, cellules, gènes et protéines, permettant la détection de l'ADN et des molécules source de chacune des maladies.
Ainsi les nanotechnologies vont être utilisées, comme une « valise » pour apporter l'actif sur le lieu précis de la maladie. La chimiothérapie est alors mieux ciblée. Cela peut se généraliser à d’autres pathologies comme, la parasitologie, les vaccinations, etc.

A/ Le médicament au cœur même de la cellule : comment ?

La plupart des traitements actuels engendrent des effets secondaires non désirables et ne sont pas toujours efficaces : en effet, ils endommagent autant les cellules saines que les cellules malades. C’est pourquoi il était nécessaire de trouver un moyen d’atteindre directement les cellules malades. Quelles sont les découvertes majeures ?

1/ Les nanoshells

Il existe actuellement deux types de nanoshells :

Les nanoshells n°1 sont des billes de silice de 110 nanomètres de diamètre recouvertes d'une couche d'or de 10 nm. L'or est utilisé car il est biocompatible et toléré par le corps humain.
Les nanoshells, sont injectées dans le sang et sont capables de reconnaitre les tumeurs grâce aux anticorps dont elles sont pourvues et qui ont comme caractéristiques de se fixer uniquement sur les cellules cancéreuses. Leur taille est suffisamment petite pour traverser la paroi des vaisseaux sanguins et atteindre la tumeur. Une fois en position, un rayon laser est envoyé sur les nanoshells, il parvient à les atteindre car le corps humain est transparent à ce type de rayonnement.
Les nanoshells absorbent la lumière infrarouge reçue et la convertissent en chaleur, la température s'élève jusqu'à une température supérieur à 60°C ce qui brule et donc détruit la tumeur.

Les nanoshells n° 2 sont plus grandes que leurs sœurs, leur taille de 135 nm est cette fois-ci trop grande pour atteindre directement la tumeur. Il faut savoir qu'une tumeur, dès qu'elle atteint 1 mm de diamètre, produit ses propres vaisseaux sanguins pour se nourrir et survivre. Les nanoshells vont s'agglutiner autour de la tumeur pour empêcher celle-ci de se vasculariser, elle dépérira avant de disparaître. Le seul problème est que ces nano-balles ciblent tous les endroits où se forment de nouveaux vaisseaux sanguins, ce qui empêche les tests sur l'homme.
Des recherches sont actuellement en cours pour remédier à ce problème.

Nanoshells n°1

2/ Les nanoparticules d'oxyde de fer

Les nanoparticules d’oxyde de fer sont enrobées de silice et recouvertes à la fois d’un polymère qui les rend invisibles au système immunitaire et de molécules dont raffolent les cellules cancéreuses. Elles sont beaucoup plus petites que les liposomes ou les nanoshells, moins de 70 nm.

Les nanoparticules sont injectées dans le sang ou à proximité des tumeurs puis pénètrent à l’intérieur des cellules cancéreuses qui veulent absorber les molécules constituant leur enveloppe. Des ondes électromagnétiques sont alors appliquées au niveau des tumeurs et mettent en mouvement les nanoparticules, ce qui perturbe gravement la cellule et la tue.

Nanoparticule de fer avec peptide

3/ Les liposomes

Les liposomes sont des nanobulles de graisse, remplies d’une molécule anticancéreuse (la doxorubicine). De la même manière que les nanoshells, ils se concentrent dans les zones où se multipient les cellules cancéreuses. A ce stade, l’enveloppe de graisse entourant les molécules anticancéreuses se déchire, libérant ainsi les molécules de poison qui pénètrent dans la cellule et la tuent.

Il existe à ce jour trois générations de liposomes :

La première génération de liposomes ne pouvait délivrer des médicaments que dans la région du foie. Les liposomes sont injectés dans le sang et entrent dans le torrent circulatoire. Une fois à l'intérieur, des corps impurs, les opsonines, vont s'accrocher à la surface du liposome par le biais d'interaction hydrophobe.
Par cette action, les opsonines vont marquer le liposome qui sera alors reconnu par l'organisme comme un corps étranger. Les liposomes finissent par arriver dans la région du foie ; à cet endroit l'épithélium des vaisseaux sanguins n'est pas imperméable, il est discontinu et parsemé de trous.
C'est au niveau de ces trous que se trouvent les cellules de Küpffer, des macrophages qui nettoient l'organisme de tous les corps étrangers.
Les liposomes, entrant dans cette catégorie à cause des opsonines, vont se fixer aux récepteurs du macrophage puis être annihilés par le phénomène d'endocytose. Les liposomes sont ainsi détruits et libèrent le principe actif dans le macrophage.
Le médicament se diffuse à travers la membrane du macrophage et peut ainsi atteindre les cellules malades du foie.Il est bon de noter que sa zone d'action reste limitée, roblème important que les liposomes de deuxième génération surpasseront.

La deuxième génération de liposomes prend le nom de liposomes péryglés.
Sa structure, sa forme et sa composition sont semblables à celles du liposome de première génération à une exception près. Les chercheurs ont ajouté à sa surface un polymère, le polyéthylène glycol, en abrégé PEG. Cet ajout va permettre au liposome de ne pas absorber les opsonines, contrairement à celui de la première version.
L'organisme ne reconnait pas le liposome comme un corps étranger de même que les cellules macrophages du foie qui cette fois laisseront passer le liposome.
Il continuera d'être porté par le courant circulatoire. Lorsqu'il arrive au niveau d'un tissu malade, le liposome va diffuser son principe actif qui atteindra son objectif. Il est important de préciser que l'épithélium est toujours discontinu ce qui permet le passage du principe actif.
Le liposome peut donc maintenant voyager à travers l'ensemble du système sanguin ; cependant il reste une caractéristique essentielle non remplie : le ciblage.

En effet le liposome deuxième génération est incapable d'avoir une cible précisément définie.

Le liposome troisième génération correspond à un liposome deuxième génération auquel on aurait ajouté un ligand, souvent une protéine, qui permettra au liposome de se fixer sur une cellule.
En effet, les cellules malades, celles du cancer par exemple, diffèrent des cellules saines de par l'expression de divers récepteurs spécifiques. Ainsi, pour cibler la plupart des tumeurs, le ligand le plus efficace est l'acide folique (appelé vitamine B9 ou folates) car les cellules cancéreuses surexpriment les récepteurs à folates.
Le liposome pourra donc cibler la tumeur et délivrer le médicament, sans que le principe actif soit altéré ou nuise à d'autres cellules saines.
Il existe de nombreux ligands pour de nombreuses maladies qui permettraient aux liposomes de livrer des médicaments partout dans l'organisme.

Coupe circulaire d'un liposome de première génération

Coupe circulaire d'un liposome de deuxième génération

Coupe circulaire d'un liposome de deuxième génération

B/ Nanotubes et médecine qui révolutionnent le remplacement ou le traitement de certaines zones du corps humain

1/ Les nanotubes pour créer des muscles artificiels

Les nanotubes multiparois sont constitués, comme son nom l’indique, de plusieurs feuillets dont au moins un est conducteur, ce qui lui permet de se comporter comme un métal. Sous l’influence du courant, les nanotubes modifient leur allongement et se contractent. Lorsque le nombre d’électrons est excédentaire, le nanotube s’allonge et lors d’un manque d’électron, il se raccourcit: le nanotube est un muscle artificiel parfait. En assemblant plusieurs milliards de nanotubes, on peut ainsi créer un muscle à l'échelle macroscopique.

Les nanotubes multiparois permettent d'envisager de nouveaux horizons pour la robotique et la chirurgie dans le domaine médical: en effet, la solidité et la précision des nanotubes restent sans égal.

Structure du nanotube de carbone

2/ Les nanorobots

Grâce aux propriétés du nanotube de carbone, les principales étant sa conductivité, sa solidité et sa petite taille, il devient possible d'envisager de nouveaux robots nanoscopiques. Une révolution est attendue dans le domaine médical: en effet, la présence d'agents (10 fois plus petits que les cellules) introduits à l'intérieur même du corps humain permet d'ouvrir de nouveaux horizons thérapeutiques. Par exemple sont attendus des nano-destructeurs de virus, des nano-réparateurs de cellules ou encore des nano-nettoyeurs de cholestérol.

De même, les chercheurs tentent de créer une nanosonde invisible au système immunitaire capable de communiquer avec un ordinateur, de sonder une cellule (recherche d'éventuelles maladies) et de réaliser des opérations chirurgicales. La thérapie génique repasse au premier plan grâce aux nanorobots qui vont pouvoir transporter une séquence d'ADN à l'intérieur même du noyau d'une cellule. La médecine est en train de franchir un nouveau cap en passant de l'échelle macroscopique à l’échelle microscopique.

Schéma d'un nanorobot et de ses capacités

C/Quels effets secondaires pour notre organisme?

Sur le plan biologique, les nanotechnologies peuvent présenter de nombreux risques pour l'Homme et pour les mammifères. En effet, leurs propriétés chimiques et leurs infimes tailles ne sont pas sans effets sur un organisme vivant :

Leur petite taille leurs permettent de pénétrer la peau et l'intérieur de l'organisme humain. Pour les plus petits (moins de 50nm), il est possible de pénétrer le cytoplasme des cellules, ce qui pourrait endommager et faire mourir la cellule
Les nanoparticules présentent un autre risque non-négligeable. A haute température, certains métaux vaporisent dans l'air des nanoparticules, plus ou moins toxiques pour l'organisme.
Le dernier problème posé par les nanotechnologies concerne l'éventuelle présence des nanorobots dans le corps humain. Ils offriront la possibilité par exemple d'augmenter le nombre de liaisons entre les neurones et ainsi d'accroître les facultés mentales de l'Homme: un être humain serait une personne biologique améliorée par des moyens non biologiques. Où se termine dès lors l'être humain et où commence la machine ?

Malgré l'apparition de nouveaux problèmes, les nanotechnologies envahissent le domaine médical et laissent entrevoir de nouvelles méthodes thérapeutiques et de nouveaux médicaments.