Les nanoparticules d’or tuent le cancer, mais pas comme on le pensait

Les particules d’or de la taille d’un milliardième de mètre sont mortelles pour les cellules cancéreuses. Ce fait est connu depuis longtemps, tout comme une corrélation simple : plus les nanoparticules utilisées pour combattre les cellules cancéreuses sont petites, plus elles meurent rapidement. Cependant, une image plus intéressante et plus complexe de ces interactions émerge des dernières recherches menées à l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences, en utilisant une nouvelle technique microscopique.

Les nanoparticules d’or utilisées pour combattre les cellules cancéreuses sont plus petites et plus vite tuées. Les scientifiques pensaient que les nanoparticules de petite taille pénétreraient plus facilement à l’intérieur des cellules cancéreuses, où leur présence entraînerait des troubles métaboliques et, à terme, la mort cellulaire.

La réalité s’avère cependant plus complexe, comme le démontrent les recherches menées par des scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, appuyées par des analyses théoriques réalisées à l’Université de Rzeszow ( UR) et l’Université de Technologie de Rzeszow.

« Notre institut gère un centre médical et d’accélération de pointe pour la radiothérapie protonique. Ainsi, lorsque des rapports sont apparus il y a quelques années selon lesquels les nanoparticules d’or pourraient être de bons radiosensibilisateurs et améliorer l’efficacité de ce type de thérapie, nous avons commencé à les synthétiser nous-mêmes et à tester leur interaction avec les cellules cancéreuses. Nous avons rapidement découvert que la toxicité des nanoparticules n’était pas toujours celle attendue », explique le Dr Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), initiatrice de la recherche et première auteure d’un article discutant des résultats, publié dans la revue Petit.

Les nanoparticules peuvent être produites à l’aide de diverses méthodes, produisant des particules de différentes tailles et formes. Peu de temps après avoir commencé leurs propres expériences avec des nanoparticules d’or, les physiciens de la FIJ PAN ont remarqué que la biologie ne suit pas la règle populaire selon laquelle leur toxicité est d’autant plus grande qu’elles sont petites.

Les nanoparticules sphériques de 10 nanomètres produites à Cracovie se sont révélées pratiquement inoffensives pour la lignée cellulaire de gliome étudiée. Cependant, une mortalité élevée a été observée dans les cellules exposées à des nanoparticules de 200 nanomètres, mais avec une structure en forme d’étoile.

L’élucidation de la contradiction énoncée est devenue possible grâce à l’utilisation du premier microscope holotomographique en Pologne, à l’IFJ PAN.

Un tomodensitomètre typique scanne le corps humain à l’aide de rayons X et reconstruit sa structure spatiale interne section par section. En biologie, une fonction similaire a récemment été remplie par le microscope holotomographique. Ici, les cellules sont également balayées par un faisceau de rayonnement, mais pas un rayonnement à haute énergie, mais un rayonnement électromagnétique. Son énergie est choisie pour que les photons ne perturbent pas le métabolisme cellulaire.

Le résultat de l’analyse est un ensemble de coupes holographiques contenant des informations sur la distribution des changements d’indice de réfraction. Puisque la lumière se réfracte différemment sur le cytoplasme et différemment sur la membrane ou le noyau cellulaire, il est possible de reconstruire une image tridimensionnelle de la cellule elle-même et de son intérieur.

” Contrairement aux autres techniques de microscopie à haute résolution, l’holotomographie ne nécessite pas de préparation d’échantillons ni d’introduction de substances étrangères dans les cellules. Les interactions des nanoparticules d’or avec les cellules cancéreuses ont donc pu être observées directement dans l’incubateur, où ces dernières ont été cultivées. , dans un environnement non perturbé – et avec une résolution nanométrique – de tous les côtés simultanément et pratiquement en temps réel”, énumère le Dr Depciuch-Czarny.

Les caractéristiques uniques de l’holotomographie ont permis aux physiciens de déterminer les causes du comportement inattendu des cellules cancéreuses en présence de nanoparticules d’or. Une série d’expériences a été menée sur trois lignées cellulaires : deux gliomes et une du côlon. Entre autres, il a été observé que bien que les petites nanoparticules sphériques pénètrent facilement dans les cellules cancéreuses, les cellules se régénèrent et commencent même à se diviser à nouveau, malgré le stress initial.

Dans le cas des cellules cancéreuses du côlon, les nanoparticules d’or ont été rapidement expulsées. La situation était différente pour les grosses nanoparticules en forme d’étoile. Leurs pointes acérées ont perforé les membranes cellulaires, ce qui a probablement entraîné une augmentation du stress oxydatif à l’intérieur des cellules. Lorsque ces cellules ne parvenaient plus à réparer les dommages croissants, le mécanisme d’apoptose, ou mort programmée, était déclenché.

“Nous avons utilisé les données des expériences de Cracovie pour construire un modèle théorique du processus de dépôt de nanoparticules à l’intérieur des cellules étudiées. Le résultat final est une équation différentielle dans laquelle peuvent être substitués des paramètres correctement traités – pour l’instant décrivant uniquement la forme. et la taille des nanoparticules – pour déterminer rapidement comment l’absorption des particules analysées par les cellules cancéreuses se déroulera sur une période de temps donnée”, explique le Dr Pawel Jakubczyk, professeur à l’UR et co-auteur du modèle.

Il souligne : « Tout scientifique peut déjà utiliser notre modèle au stade de la conception de ses propres recherches pour réduire instantanément le nombre de variantes de nanoparticules nécessitant une vérification expérimentale. »

La possibilité de réduire facilement le nombre d’expériences potentielles à réaliser se traduit par une réduction des coûts associés à l’achat de lignées cellulaires et de réactifs, ainsi que par une réduction marquée du temps de recherche (il faut généralement environ deux semaines pour cultiver une lignée cellulaire disponible dans le commerce). En outre, le modèle peut être utilisé pour concevoir des thérapies mieux ciblées qu’auparavant, dans lesquelles les nanoparticules seront particulièrement bien absorbées par les cellules cancéreuses sélectionnées, tout en maintenant une toxicité relativement faible, voire nulle, pour les cellules saines des autres organes du patient.

Le groupe de scientifiques de Cracovie-Rzeszow se prépare déjà à poursuivre ses recherches. De nouvelles expériences devraient bientôt permettre d’étendre le modèle d’interaction des nanoparticules avec les cellules cancéreuses à d’autres paramètres, comme la composition chimique des particules ou d’autres types de tumeurs. Les plans ultérieurs prévoient également de compléter le modèle avec des éléments mathématiques pour optimiser l’efficacité de la photothérapie ou de la protonthérapie pour les combinaisons indiquées de nanoparticules et de tumeurs.