La nanoscience

Depuis l’apparition de l’homme, celui-ci n’a cessé de progresser et de chercher de découverte en découverte à améliorer ses conditions de vie, et à obtenir de nouvelles formes de confort que ce soit dans la technologie ou dans son environnement naturel. Il a toujours été difficile de projeter ce que la science pourrait offrir à l'avenir, pendant longtemps on pensait qu'il serait impossible d'aller au-delà de la manipulation de la matière à l'échelle microscopique (10-6m). L'homme a réussi a démontrer les capacités dans ce milieu encore inconnu il y a quelques années de cela. En effet, depuis peu, nous comprenons la composition de la matière qui nous forme et qui nous entoure. Les scientifiques sont parvenus à observer et manipuler directement les atomes, c'est-à-dire des entités dont la taille ne dépasse pas le nanomètre. Ainsi, une nouvelle forme de médecine est envisageable : le nano-monde. Qu’est ce que la nanotechnologie en soit ?  Comment est elle parvenue dans notre quotidien ? Que  va-t-elle nous apporter à l'avenir ?

Tout d'abord nous expliquerons comment est apparu la nanotechnologie, et l'expliquerons le plus simplement possible. Mais nous allons surtout approfondir son rôle non négligeable dans certains domaines dont la médecine.  

 

I. Les apports de la nanotechnologie dans la médecine

 

A) Qu'est ce que la nanotechnologie, ses origines et son fonctionnement ?  


La nanotechnologie, formée du préfixe nano (d'origine grecque signifiant « très petit ») existe a l'échelle du milliardième de mètres. C'est l’étude de la fabrication et de la manipulation de structures, de dispositifs et de systèmes matériels à l’échelle de moins d’une quarantaine de nanomètres.

Toutes ces approches sont présentées comme révolutionnaires et leurs applications devraient boulverser notre quotidien. En effet, les nanotechnologies sont une nouvelle avancée scientifique qui nous entoure chaque jour dans nos moindres faits et gestes pour simplifier la vie de l'homme. Nous trouvons dans ce nano monde plusieurs nano objets comme par exemple les nanoparticules, les nano tubes ou les nantis machines.

 

 

 

 

 Source : Nanosciences Ile-de-france 

 

L’humanité se sert des nanotechnologies depuis longtemps sans le savoir, en effet les légendaires épées de damas si puissantes et tranchantes étaient du à la présence de nano-fibres de carbure de fer.  Mais les premières études approfondies à l’échelle nanométrique datent de la fin du 20ème siècle. 

En 1959, le visionnaire américain Richard Feynman a lancé le défi à la communauté scientifique d'aller au cœur de la matière pour la transformer, molécule par molécule. Mais à cette époque, une telle vision ne pouvait être concrétisée avant l'arrivée du microscope à effet tunnel réalisé par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer en 1981. Grâce à cet outil, on pouvait enfin voir la matière à l'échelle atomique. Ainsi, une nouvelle découverte a pu être faite avec la fameuse molécule  "fullerène", structure de 60 atomes de Carbones.

 

 

Structure de la molècule "Fullèrène"  

source : open sciences 

 

En 1991, S.Iijima, découvre les nanotubes de carbones, un élément incontournable de la nanotechnologie.

 

 

                                                                                             Les nanotubes de carbonnes

                                                                                               Sources : open sciences 

 


Les nanotubes, comme leur nom l’indique, sont composés d'atomes qui, en s'assemblant, forment un tube. Plus précisément, les nanotubes de carbone sont formés de feuillets de graphite. Ils possèdent trois propriétés révolutionnaires : les nanotubes sont dotés d’une résistance mécanique cent fois plus élevée que celle de l’acier tout en étant six fois plus léger, ce sont de très bons conducteurs thermiques et ils ont un grand pouvoir de dissipation de la chaleur, les nanotubes ont une conductivité supérieure à celle du cuivre.                                                           

                                                     

                                                                  

Ces diverses découvertes faîtes au fil du temps ont permis aux nanotechnologies de prendre peu à peu une existence de recherches concrètes et importantes pour les scientifiques, aujourd’hui elles sont considérées comme incontournables pour le futur de l’homme, puisque les nanosciences conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes intervenant à une échelle de grandeur comprise approximativement entre 1 et 100 nanomètres, soit l’échelle de grandeur de la biologie moderne puisque les molécules, l'ADN, les protéines ou les virus sont d’une taille inscrite dans ce même ordre de grandeur. Ainsi, beaucoup de maladies pourraient être enfin soignables grâce à la nanoscience.

B) Dans quels domaines s’applique-t-elle ? 

  •   Application médicale

 La nanotechnologie est apparue comme l'un des domaines les plus prometteurs de la recherche biomédicale au cours des dernières décennies. La biologie et la médecine n'y échappent pas, malgré des progrès importants réalisés ces dernières années, chercheurs et cliniciens sont bloqués par les mêmes obstacles :

 

- Des maladies diagnostiquées trop tard.

- Des médicaments pas assez rapides et efficaces.

- Une incapacité à régénérer l'organe ou le tissu lésé par les blessures ou les maladies.

 

Sur ces trois points, l'approche nanotechnologie promet des avancées décisives, son utilisation offre des possibilités passionnantes, car elles permettent de traiter  la maladie au cœur même du problème sans détruire ce qu'il y a autour comme dans l'exemple de la chimiothérapie, qui permet de soigner le cancer. La chimiothérapie utilisée dans le traitement du cancer attaque les cellules cancéreuses mais endommage aussi les tissus sains, provoquant de sévères effets secondaires.

La nanotechnologie comme nous le montre le diagramme ci-dessous, peut être applicable et peut-être utilisable dans plusieurs domaines :

 

                                                                                       source : Analyse bionest Partners 

Avec ce  document, on voit que les nanotechnologies sont utilisables dans plusieurs techniques médicales autant dans la chirurgie que dans les thérapies anticancéreuses. Dans le cas des maladies cancéreuses, la nanotechnologie serait un nouvel espoir de guérison futur, puisque elle permettrait de cibler la zone cancéreuse, ne détruisant que les cellules cancéreuses et non les tissus saints. Ce schéma explicatif nous le montre bien :

 

 

                                                                                           source : Analyse Bionest  Partners 

 

 

Ici, on utilise des nano-transporteurs thérapeutiques capables de transporter (véhiculer) des médicaments dans les cellules atteintes. La Libération du médicament peut se faire en fonction du temps ou être provoquée par une intervention extérieure(onde ultrasonore ou chauffage). Par ailleurs, les nanoparticules peuvent transporter à la fois la molécule thérapeutique et un agent de contraste pour l'imagerie. De quoi contrôler le dosage et améliorer l'efficacité du traitement.

 

  •  L’application des nanotechnologies se fait aussi dans divers implants

Les implants oculaires :

De nos jours encore, les implants oculaires sont peu développés et donc l'avancée de la nanotechnologie laisse envisager la capacité de rétablir la vue chez des personnes présentant des lésions de la cornée. Par exemple, la mise en place de lunettes spéciales, décodant l'information envoyée par un dispositif électronique implanté dans la cornée. Ou encore une caméra directement connectée au nerf optique. Des prototypes non commercialisés existent déjà et permettent aux aveugles de voir en noir et blanc.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             source : Julia fraud 

Les neuroprothèses :

Le principe serait de connecter un système électronique à des cellules vivantes tels que les cellules nerveuses ou les neurones. Ceci permettrait de restaurer une connexion nerveuse rompue à cause d'une maladie ou autres problèmes qui auraient provoqué une déconnexion de cette dernière. Des tests ont déjà été faits sur des humains, plus précisément sur la moelle épinière lésée, le fait de placer les neurones moteurs au moyen d'électrodes sur les muscles des jambes entraînerait la possibilité de restaurer la marche chez des personnes paralysées. On pourrait donc, grâce à de tels dispositifs, actionner un réel mouvement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                  Source : Anne laure siat 

 

 

Les implants cochléaires :

 

Dès les années 1970, de nombreux chercheurs se sont penchés sur la création d'implants cochléaires (destinés a restaurer l’audition). La mauvaise audition est souvent due à la destruction de cellules ganglionnaires de la cochlée. Ces implants ont donc pour principe de connecter des électrodes entrant directement en liaison avec les cellules ganglionnaires intactes qui reste encore dans la cochlée. L'implant situé dans l'oreille est relié à un microphone externe lui-même connecté à un dispositif électronique qui a pour but de convertir les sons en impulsions électriques retranscrites au niveau des électrodes. Ceci entraîne donc une réactivité du système auditif et le patient retrouve donc l'audition.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            Source : Julia Fraud 

  •   Diagnostic Médical-Recherche et dépistage

 

L'imagerie Médicale

L'imagerie optique a un but fondamental aussi bien en recherche (interactions cellulaires, activité enzymatique, activité de l'organisme en tout genre) que en prévention médicale (dépistage, suivi médical, diagnostic …). Les nombreuses avancées technologiques effectuées jusqu'à présent risques d'être écrasées par la révolution du nano. En effet plus on est petit, mieux on peut observer un corps sous tout ces angles. Les chercheurs ont donc réinventés cette imagerie et y ont inclus les nanotechnologies, on parle désormais d'imagerie moléculaire optique. L'imagerie moléculaire optique au même titre que l'IRM (Imagerie Par Résonance Magnétique) ou autre procédé d'imagerie (échographique par exemple) est un procédé d'analyse, lui, basé sur l'utilisation d'outils à l'échelle du nano (nanomatériaux) permettant donc d'analyser différentes parties d'un corps vivant sans passer par la voie chirurgicale. Cette méthode consiste à introduire dans l'organisme des sondes optiques accompagnées de marqueurs fluorescentes comme la fluorescéine et d'en suivre la progression dans les cellules. Chaque sonde est programmée pour répondre de manière lumineuse en fonction d'une partie de l'organisme voulu. En fonction de l'intensité et du contraste de la lumière émise, nous pourrons avoir une vue d'ensemble de l'organisme ou une partie prédéfini. Sachant que ces sondes sont de l'ordre du manomètre on obtiendra des images très précises et en 3D de la zone analysée. On pourra observer des tumeurs cancéreuses dès leur apparition favorisant donc la prévention et le dépistage mais aussi observer le suivi d'un médicament et en constater les effets.

Résultats d'analyse par imagerie moléculaire optique:

 

 

                                                                               Source : Montpellier RIO imaging 

 


 

 

 

 

II.Vectorisation de Nanomedicaments

 

Le but de la vectorisation des nanomédicaments est de cibler les cellules malades, afin d'agir au cœur même du problème, sans endommager les cellules saines.

 Aujourd'hui, des progrès scientifiques remarquables ont été produit. Et des désirs datant du début du siècle dernier ont été réalises. En effet, en 1908, Paul Ehrlich évoquait la possibilité de « magic bullets » qui seraient capables de cibler au sein d'un organisme, les dysfonctionnement dûs à des virus ou des bactéries; afin de les détruire efficacement, durablement, et sans atteindre les cellules saines. La vectorisation des NM est alors créée et utilisée.

 

 

A) Mais un nanomedicament, qu'est-ce que c'est au juste ?

C'est un médicament, d'une taille manométrique, d'environ 100 à 200 nm. Le nanomédicament est constitué d'une nanocapsule, qui enveloppe le principe actif du médicament, puis d'un réseau de polymère, qui constitue la nanosphére.

 

  • D'une nanocapsule

La nanocapsule est constituée d'une dendrimèmere, qui est une macromolécule (= grosse molécule), de forme sphérique qui permettent d'encapsuler des médicaments.

 

                                                                                            Source : Cnrs 

  • D'une nanosphère

La nanosphére est constituée d'un réseau de polymére,  qui servent à augmenter la stabilité des agents pharmaceutiques, et également à encapsuler toutes sortes de molécules qui seront relâchées par dissolution ou par diffusion, en fonction du temps ou des conditions environnantes.

 

                                                                                           Source : Cnrs 

  • D'une couche de liposome.Les liposmes servent à introduire des molécules thérapeutiques. Ils possédent une surface qui s'accroche préferentiellement au sites cancereux. Les liposomes sont utilisés dans le traitement de plusieurs cancers mais leur stabilité est encore insuffisante.

 

                                                                                                    Source : Cnrs 


B)Différentes générations

 

Les nanomédicaments ont plusieurs particularités dans le but de cibler différemment les cellules malades, nous distinguons trois générations:

  • 1ere génération:

Constituée d'un nanomedicament simple, c'est à dire d'une nanocapsule, d'un réseau de polymère, et de liposome simple.

 

 

Source : Cnrs 

  • 2eme generation: De plus, un liposome pegylée. La surface du liposome simple est recouverte d'un polymere hydrophile et flexible, ici du PEG.

     

                                                                                                           Source : Cnrs 

  • 3eme generation: De plus du liposome pegylée, il est a present décoré. En effet de plus de le 2eme G, il possede des ligants, ici de l'acide folique. 

 

                                                                                                 Source : Cnrs 

 

 

C)Quelles sont les différents moyens d'action des trois générations de vecteurs?

 

Les différentes générations de vecteurs ont différents moyen d'action. La vidéo suivante explique comment les trois générations agissent.

 http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosnano/decouv/vecto/vecto.htm

Pour se rendre à la video, il faut aller à la derniere page du dossier, en appuyant sur suite pour les deux pages. Ensuite, cliquez sur le bouton, le film en entier.

La première génération agit grâce aux cellules de Küpffer (macrophage), qui se situent dans le foie, afin de délivrer le principa actif du médicament dans cette zone. La deuxieme génération va, quant à elle, rester plus longtemps dans la circulation sanguine, et ainsi, délivrera de maniére spécifique le principe actif du médicament, dans une zone précise, de l'organisme. La troisieme génération, agit de la même maniére que la deuxieme, mais grâce à ces ligants spécifiques, le principe actif peut être libéré dans une zone extremement précise. 

 

III. Les limites de la nanotechnologies  

 

Malheureusement, toutes ces nouvelles technologies ne sont pas encore fiables à cent pour cent, en effet, même si les nanotechnologies  vont permettre une révolution technologique  importante dans  la médecine, car elles mettent  en lumière les grands axes de cette évolution scientifique : la nano-exploration et le nano-diagnostic, les nanomédicaments, les neuroprothèses et enfin l'ingénierie tissulaire, destinée à remplacer des tissus ou organes, elle peut être aussi dangereuse qu'elle peut être performante. On ne connait pas tout les effets secondaire quelles peut avoir sur le corps humain, elle serait potentiellement toxique pour l'homme c'est ce qu'étudie les chercheurs des Nanotoxicologie dans le pôle caractérisation. Dans quelle mesure cette sciences peut-elle être dangereuse ? Et quelle est la législation qui limite ce risque ? Sommes nous, les citoyens, assez informer du risque et de l'existence de cette nanoscience ? 

Ces débats, seront traitées dans notre partie qui constitue la perception médicale au cours du temps. Comme la thérapie cellulaire et d'autres nouvelles innovations médicales, elles sont au centres des polémiques et des tensions dans le monde scientifiques.


 

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