Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
Revue générale
Les nanoparticules Nanoparticles G. Chuto a,*, P. Chaumet-Riffaud b, et le Groupe Oncologie de la Société française de médecine nucléaire et imagerie moléculaire (SFMN) a
Service de médecine nucléaire, institut Paoli-Calmettes, 232, boulevard Sainte-Marguerite, BP 156, 13273 Marseille cedex 9, France b Service de médecine nucléaire, CHU de Bicêtre, 94210 Le Kremlin Bicêtre, France Reçu le 15 octobre 2009 ; accepté le 12 février 2010
Résumé Les nanoparticules (NP) sont des structures composées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes. Du fait de leur taille (1 à 100 nanomètres), les propriétés physiques et chimiques de ces nano-objets sont différentes de celles des matériaux classiques. Leur champ de développement est extrêmement vaste et inclut la recherche médicale : on peut différencier deux grands groupes, les NP organiques (système micellaire, NP à base de polymères, nanotubes de carbone, fullerènes) et les NP inorganiques (quantum dots, NP d’oxyde de fer magnétique, sondes Raman). La polyvalence de ces NP est grande car elles peuvent être conçues et modelées pour servir de vecteurs de médicaments (thérapeutique), de sondes d’imagerie (diagnostique), voire les deux à la fois (théranostique). Nous proposons une revue de la littérature décrivant les principales NP étudiées dans le domaine médical, leur stade de développement préclinique et les connaissances limitées sur leur éventuelle toxicité chez l’homme. # 2010 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. Mots clés : Nanoparticules ; Nanotechnologie ; Quantum dots ; Liposomes ; Théranostique
Abstract Nanoparticles (NP) are structures comprising from some hundred to some thousand atoms. Owing to their size (1 to 100 nanometres), the physical and chemical properties of these nano-objects differ from those of classical materials. They cover a wide development area, which includes medical research: they can be classified into two major groups, organic NP (liposomes, polymers NP, carbon nanotubes, fullerenes) and inorganic NP (quantum dots, magnetic NP, Raman probes). NP can be conceived to act as a drug delivery system (therapeutic), imaging probe (diagnostic) or both (theranostic). We report recent data from scientific literature and describe main NP within medical area, their state of development, and the limited knowledge of their toxicity in human being. # 2010 Elsevier Masson SAS. All rights reserved. Keywords: Nanoparticles; Nanotechnology; Quantum dots; Liposomes; Theranostic
1. Introduction Les nanotechnologies constituent un champ de recherche multidisciplinaire impliquant l’utilisation de nouveaux dispositifs permettant d’étudier la matière au niveau moléculaire ou supramoléculaire : les échelles caractéristiques des
* Auteur correspondant. Adresse e-mail :
[email protected] (G. Chuto).
nanotechnologies vont de 1 à 100 nanomètres (nm) [1]. À ces échelles, la matière acquiert des propriétés inattendues et souvent différentes de celles des mêmes matériaux à l’échelle micro- ou macroscopique : il convient de les considérer comme de nouveaux composés chimiques dont les caractéristiques et les toxicités sont différentes [1]. Les nanomatériaux trouvent des champs d’application large dans le domaine industriel : nanotubes de carbone (CNT) (plus résistant et plus léger que l’acier), nanofibres de carbone (bonne conductivité électrique, biocompatibilité et résistance pour la création de prothèses
0928-1258/$ – see front matter # 2010 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés. doi:10.1016/j.mednuc.2010.03.003
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
371
musculaires), nanopoudres (anticorrosion), nanofeuilles (stockage informatique), nanocristaux (nanoprocesseurs) . . . La nanobiologie est une des branches de recherche de la nanoscience et regroupe les chimistes, biologistes, médecins et pharmaciens [2]. Une revue exhaustive des différents types de nanoparticules (NP) et de leurs applications étant impossibles, seules les principales NP utilisées en médecine in vitro et en imagerie cellulaire in vivo et in vitro, ainsi que leur stade de développement clinique, seront décrites. La polyvalence de ces NP est grande car elles peuvent être conçues et modelées pour servir comme vecteurs de substances (thérapeutique), de sondes d’imagerie (diagnostique), voire les deux à la fois (théranostique). 2. Classification On peut séparer les NP organiques des NP inorganiques (Tableau 1) [3]. 2.1. Nanoparticules organiques 2.1.1. Système micellaire/lipidique Une micelle est un agrégat sphéroïdal formé par l’autoassemblage d’une monocouche de phospholipides dont la tête polaire est hydrophile et la queue hydrophobe. Lorsqu’ils sont introduits à une certaine concentration (concentration micellaire critique), ces phospholipides vont s’assembler en sphères de petite taille dont le type varie selon la polarité du solvant : micelles directes à centre hydrophobe dans de l’eau, micelles inverses à centre hydrophile dans un solvant organique tel que l’huile. Les micelles sont stabilisées par l’adjonction d’agents tensioactifs ou de certaines macromolécules (lécithine, ovalbumine). Les liposomes se différencient des micelles par la présence d’une double couche lipidique délimitant un compartiment central hydrophile. Les micelles et les liposomes sont des NP lipidiques qui permettent le transport de substances hydrophiles ou hydrophobes. Il est nécessaire que ces objets ne soient pas reconnus par le système immunitaire et notamment que les opsonines ne s’adsorbent pas à leur surface. Pour cela, leur surface peut être protégée par le greffage de polyéthylène glycol (PEG) sur les phospholipides : cette couche de polymère en surface stabilise les liposomes et retarde considérablement leur destruction par le système réticulo-endothélial (Fig. 1). Une troisième Tableau 1 Classification des nanoparticules. Classification of nanoparticles. Nanoparticules organiques Système micellaire/lipidique Nanoparticules à base de polymères Nanotubes de carbone (CNT) Nanoparticules inorganiques Boîtes ou puits quantiques (Quantum dots [QD]) Oxyde de fer super magnétique (OFM) Diamant photoluminescent Sondes Raman
Fig. 1. Structure de base des nanoparticules organiques (reproduit avec autorisation de l’article de Yezhelyev et al. [3]). Basic structure of organic nanoparticles (reprinted with permission from Yezhelyev et al. [3]).
génération de liposomes est en plus recouverte de ligands spécifiques capables de reconnaissance à l’échelle moléculaire, permettant un ciblage actif des cellules cibles. La plupart du temps, il s’agit d’anticorps spécifiques du tissu cible [3]. 2.1.2. Nanoparticules à base de polymères Le principe de base est le même que pour les NP lipidiques. L’assemblage en nanosphères de polymères naturels (albumine, héparine) ou synthétiques (poly-L-laclide, PEG) permet le transport de substances. Ces sphères peuvent être recouvertes de molécules ligands assurant un adressage sélectif au niveau des tissus cibles. Ces assemblages permettent de contrôler dans le temps et dans l’espace la libération du principe actif [4]. 2.1.3. Les nanotubes de carbone Ils sont composés soit par une simple paroi de graphène (single-walled nanotube [SWNT]), soit de couches multiples concentriques (multiple-walled nanotube [MWNT]) [5]. Il faut noter que les nanotubes n’ont que deux dimensions nanométriques, leur longueur pouvant avoisiner le centimètre actuellement. Ils peuvent être observés en microscopie électronique, en spectroscopie Raman, en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire ou en photoluminescence après greffage par liaison covalente ou simple adsorption de groupements fonctionnels contenant des sondes de fluorescence sur les parois des tubes (ce processus est appelé fonctionnalisation). Il est nécessaire de modifier leurs propriétés de surface afin de vaincre leur faible solubilité qui est un obstacle à leur utilisation. Outre leurs propriétés physiques intéressantes (très grande dureté, excellente conductivité), les nanotubes peuvent être remplis dans leur cavité par des composés chimiques : une application très connue en médecine nucléaire depuis 1986 est la création de NP de carbone remplies de technétium-99m (Technegas1) [6]. 2.2. Nanoparticules inorganiques Elles ont la même structure de base que les NP organiques, avec un noyau aux propriétés fluorescentes, magnétiques ou
372
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
Fig. 2. Structure de base des nanoparticules inorganiques (reproduit avec autorisation de l’article de Yezhelyev et al. [3]). Basic structure of inorganic nanoparticles (reprinted with permission from Yezhelyev et al. [3]).
optiques et une couche protectrice organique en surface. À cette pellicule de surface peuvent être attachées des molécules vectrices (Fig. 2). 2.2.1. Puits quantiques (quantum dots) Ces NP sont constituées de quelques centaines à quelques milliers d’atomes métalliques formant un nanocristal [7–9]. Leurs propriétés électroniques et optiques sont uniques car non présentes dans les molécules constitutives de base, ni dans les cristaux massifs. Pour un type de semi-conducteur donné (par exemple, séléniure de cadmium [CdSe]), les quantum dots (QD) se caractérisent par une émission de fluorescence lors d’excitation par une source lumineuse. La longueur d’onde de cette émission de fluorescence est directement liée à la taille des QD, cette taille étant contrôlable lors de la fabrication. Le spectre d’émission s’étend du proche infrarouge (1500 nm, pénétration de quelques centimètres dans les tissus, permettant quelques utilisations in vivo) aux longueurs d’onde du visible (jusqu’à 400 nm, pénétration d’un à deux millimètres). Les avantages des QD par rapport aux marqueurs fluorescents organiques sont nombreux : grande brillance (meilleur rapport signal/bruit), très grande résistance au photoblanchiment (pas de perte d’émission de fluorescence malgré une excitation prolongée) permettant l’observation pendant plusieurs heures d’une NP unique avec un microscope à fluorescence. Un spectre d’excitation large permet, avec la même longueur d’onde d’excitation, de générer en même temps une émission dans le vert pour des QD de 2 nm et dans le rouge pour ceux de 7 nm (Fig. 3). Ces composés sont hydrophobes, et nécessitent l’ajout de ligands de surfaces hydrophiles mais ils peuvent aussi être conservés sous forme aqueuse stable, encapsulés dans des micelles. 2.2.2. Nanoparticules d’oxyde de fer magnétique et supermagnétique Elles sont formées d’un noyau métallique magnétiquement actif (fer essentiellement, mais aussi cobalt, nickel) et sont
Fig. 3. Propriétés optiques dépendantes de la taille des quantum dots de séléniure de cadmium dans du chloroforme, montrant le conditionnement des quantum dots et le réglage de l’émission de fluorescence par modification de la taille des quantum dots. A. Image en fluorescence de quatre tubes de quantum dots répartis selon des tailles allant de 2,2 nm à 7,3 nm. Cette image a été obtenue par illumination ultraviolette. B. Spectres de fluorescence des quatre mêmes échantillons de quantum dots. Les bandes d’émission étroites (23–26 nm de largeur à mi-hauteur) témoignent de la faible variation de taille des quantum dots au sein de chaque échantillon. C. Spectres d’absorption des quatre mêmes échantillons de quantum dots. Les spectres d’absorption sont très larges, permettant l’utilisation d’un large spectre d’excitation. Les unités des images d’absorption et d’intensité de fluorescence sont arbitraires (UA) (reproduit avec autorisation de l’article de Smith et al. [9]). Size-dependent optical properties of cadmium selenide quantum dots dispersed in chloroform, illustrating quantum confinement and size-tunable fluorescence emission. A. Fluorescence image of four vials of monodisperse quantum dots with sizes ranging from 2.2 nm to 7.3 nm in diameter. This image was obtained with ultraviolet illumination. B. Fluorescence spectra of the same four quantum dots samples. Narrow emission bands (23–26 nm full-width at half-maximum) indicate narrow particle size distributions. C. Absorption spectra of the same four quantum dots samples. Notice that the absorption spectra are very broad, allowing a broad wavelength range for excitation. Both the absorption and emission intensities are plotted in arbitrary units (AU) (reprinted with permission from Smith et al. [9]).
utilisées comme agent de contraste en imagerie par résonance magnétique (IRM). Elles sont couvertes d’une couche organique protectrice sur laquelle peuvent être attachées des molécules vectrices. Elles peuvent être encapsulées dans des micelles [4].
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
2.2.3. Nanoparticules de diamant photoluminescentes L’ajout d’une impureté (atome d’azote et/ou de nickel) lors de la production d’un diamant synthétique peut conduire à la formation de centres colorés photoluminescents (exemple : les centres NV, composés d’un atome d’azote et d’une lacune). L’avantage de ces NP est une photoluminescence intense qui est stable dans le temps. Ces structures sont spontanément internalisées dans les cellules par un mécanisme d’endocytose. 2.2.4. Sondes Raman Formées d’un noyau métallique (or, argent ou bismuth) possédant des propriétés physiques permettant l’étude spectroscopique en imagerie optique, elles sont recouvertes d’une couche de silice [10]. 3. Utilisation et perspectives 3.1. Utilisation thérapeutique Les outils nanothérapeutiques offrent de nouveaux espoirs en médecine, fondés sur plusieurs principes : la possibilité de véhiculer les médicaments jusqu’à la cellule cible, l’ablation thermique des tumeurs après qu’elles aient accumulé les NP et l’utilisation du champ magnétique pour guider des nanoaimants. 3.1.1. Vecteur de médicaments ou de gènes L’intérêt d’internaliser une substance dans une NP vectrice (de type organique) est de favoriser l’adressage des médicaments vers les cellules cibles malades en augmentant les concentrations actives à leur niveau tout en réduisant leur toxicité liée à la dispersion des molécules au sein de l’organisme. L’internalisation permet de protéger le site d’administration, de protéger la substance de phénomènes d’inactivation, d’améliorer le passage des barrières (intestinales, sanguine) et de protéger les organes sensibles : le Myocet1 est ainsi une forme liposomale de doxorubicine (inhibiteur de la topoisomérase II). L’inclusion de substance de chimiothérapie dans des NP permet un ciblage passif des cellules tumorales par l’effet enhanced permeability and retention (EPR) : le diamètre important des pores de l’endothélium, les modifications des paramètres hémodynamiques au sein des néo-vaisseaux ainsi que le faible drainage lymphatique des tumeurs entraînent une accumulation de particules de petite taille dans le tissu tumoral [4]. Les NP de deuxième génération sont recouvertes d’une couche de polymère les protégeant d’une détection et d’une opsonisation par le système phagocytaire mononucléaire (système réticuloendothélial), ce qui augmente leur demi-vie plasmatique : le Caelyx1 est une forme liposomale de doxorubicine recouvert d’une surface pégylée (PEG). Les NP de troisième génération sont en plus recouvertes d’anticorps monoclonaux spécifiques, de cytokines ou facteurs de croissance permettant une libération de la substance dans les tissus ou les cellules ciblées (ciblage actif). Pour la thérapie génique, l’utilisation d’un gène d’adénovirus encapsulé dans un liposome pegylé vectorisé contre les
373
cancers mammaires ou ovariens a montré sa faisabilité dans une étude clinique de phase I : après injection intracavitaire péritonéale ou thoracique, le transfert génique s’accompagnait d’un effet antitumoral par répression transcriptionnelle de human epidermal growth factor receptor-2 (HER2/neu) et induction de l’apoptose pour les cancers surexprimant HER-2/ neu [11]. 3.1.2. Autres applications thérapeutiques Le principe d’ablation thermique par NP utilise la propriété des NP d’or à absorber intensément le rayonnement laser proche infrarouge, ce qui excite les électrons de l’or. Le retour au repos de l’électron entraîne une libération de chaleur locale (environ 65 8C) létale pour le tissu tumoral. L’injection des NP peut être intratumorale ou intraveineuse (ciblage passif par l’effet EPR, voire ciblage actif) et le faisceau laser est dirigé sur la tumeur : il y a une thermo-ablation tumorale spécifique qui épargne les tissus sains environnants, très bien délimitée par le faisceau. Les travaux publiés sont des expériences in vitro et in vivo sur des modèles murins de cancer de prostate [12]. Une libération locale de chaleur peut aussi être obtenue avec un champ magnétique alternatif à haute fréquence appliqué sur des cellules contenant des NP magnétiques. L’utilisation du champ magnétique peut permettre de guider mécaniquement des NP magnétiques : par cette technique, on peut déposer spécifiquement des aérosols thérapeutiques dans une partie du poumon. Il s’agit d’expérience sur modèles murins ; la plus grande épaisseur du corps humain est responsable d’une diminution du champ magnétique et présente un obstacle technique [13]. 3.2. Utilisation diagnostique, in vivo Les QD émettant dans le proche infrarouge ont une pénétration dans les tissus de quelques centimètres et pourraient être utilisés chez l’homme pour le repérage peropératoire du ganglion sentinelle (GS) : après injection peropératoire péritumorale, les QD sont drainés par le système lymphatique jusqu’au GS qui est repéré par l’émission de fluorescence. L’intérêt des QD par rapport au radioisotope est l’absence de radioactivité et une utilisation plus simple (injection peropératoire). L’intérêt par rapport au bleu patenté, en plus d’écarter le risque d’accident anaphylactique, est une visualisation possible du GS en profondeur, au sein du tissu graisseux. La sonde de détection portative permet à la fois l’excitation des QD et la lecture de fluorescence en proche infrarouge, le tout dans un environnement bien éclairé comme un bloc opératoire [7]. Les travaux sont effectués sur des modèles animaux (souris, porc) et il n’est pas encore prévu d’étude chez l’humain. L’utilisation de QD de tailles différentes émettant deux couleurs distinctes de fluorescence pourraient permettre de comparer les injections péri-aréolaires et péritumorales chez le même sujet et au cours de la même chirurgie de néoplasie mammaire. Une autre utilisation peropératoire des QD pourrait être le repérage des marges d’exérèse chirurgicales, en couplant les QD à des anticorps spécifiques : en neurochirurgie, des travaux sur l’animal
374
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
utilisent des QD associés à des anticorps dirigés contre les cellules inflammatoires (macrophages et astrocytes) entourant les gliomes pour guider le geste chirurgical. La surface des NP organiques et inorganiques peut être marquée par des isotopes radioactifs pour des études en tomographie par émission monophotonique (TEMP) et en tomographie par émission de positons (TEP) : le champ d’application en médecine nucléaire sera essentiellement l’imagerie multimodalité et la théranostique (cf. infra). Les NP magnétiques (OFM) vectorisées par des molécules spécifiques fonctionnent comme des sondes augmentant le contraste en IRM. Elles peuvent être associées à d’autres agents d’imagerie (QD et radioisotopes). 3.3. Multimodalité et théranostique Les intérêts de l’imagerie multimodalité sont multiples : pour le diagnostic avec une meilleure qualité de l’information, ou bien pour les phases de recherche permettant l’évaluation de la stabilité d’un des marquages ou bien une double ou triple validation de la biodistribution de la nanoparticule à l’échelle moléculaire, cellulaire et anatomique [14]. Chaque mode d’imagerie a ses propres avantages et inconvénients : l’IRM a une excellente résolution spatiale (25 à 100 mm) mais une faible sensibilité (millimole à micromole par litre), les radio-isotopes ont une excellente sensibilité (picomole par litre) mais une faible résolution (1 à 2 mm) et les QD ont une bonne sensibilité (nanomole à picomole par litre) mais une très faible pénétration dans les tissus (centimétrique) avec une résolution moyenne in vivo (2 à 3 mm) mais excellente in vitro (inframicrométrique) (Tableau 2) [15]. Les sondes d’imagerie multimodalité permettent de compenser les déficiences de l’imagerie simple modalité : la nanotechnologie permet la création de sondes IRM–fluorescence, TEP–fluorescence, TEP–IRM, et TEP–IRM–fluorescence, mais ces travaux n’en sont qu’à leur phase initiale en préclinique animale [14]. Ces sondes sont guidées par une ou plusieurs molécules ligands. Des nanosondes trimodalités (TEP–IRM–fluorescence) ont été développées chez l’animal pour la détection de l’inflamma-
tion athéromateuse, facteur de risque important de la rupture de plaque et cause fréquente d’infarctus du myocarde et d’accident vasculaire cérébral. Ces sondes sont dirigées contre les macrophages, cellules impliquées dans l’inflammation de la plaque athéromateuse. La sonde est composée d’un noyau magnétique recouvert d’une surface en dextran permettant une captation par les macrophages, et sur cette surface sont greffés des groupements radioisotopiques (Cuivre-64 chélaté par l’acide 1, 4, 7, 10 tétra-azacyclododécane N, N’, N’’, N’’’ tétra-acétique, 64Cu–DOTA) et un QD, pour une taille totale de 20 nm : la haute sensibilité de la TEP couplée à l’excellente résolution spatiale de l’IRM permet une visualisation in vivo des plaques athéromateuses aortiques chez des souris athérosclérotiques, image confirmée par l’étude en fluorescence in vitro qui montre la biodistribution des nanosondes à l’échelle tissulaire (plaque d’athérome) et cellulaire (internalisées dans les macrophages) [16]. L’étude de la néo-angiogénèse peut être réalisée par des QD conjugués au vascular epithelial growth factor (DOTA–QD– VEGF) et dirigés contre les récepteurs tumoraux du VEGF, apportant des renseignements sur l’affinité de la sonde et sa biodistribution, mais l’information apportée par la fluorescence est essentiellement qualitative et semi-quantitative. En marquant le DOTA–QD–VEGF par du 64Cu, l’imagerie TEP apporte des informations quantitatives, utiles pour préciser plus finement les différences d’affinités entre divers DOTA–QD– VEGF chez l’animal [17]. À l’inverse, l’information apportée par la fluorescence peut permettre d’évaluer la stabilité du marquage par le radiosotope : le 64Cu–DOTA–QD-anti ICAM permet de cibler l’endothélium pulmonaire inflammatoire par le biais des molécules d’adhésion intercellulaire (intercellular adhesion molecule, ICAM). Les images visualisées in vivo en TEP sont confirmées ultérieurement in vitro en fluorescence : une fois validées la biodistribution et la stabilité du marquage par le radioisotope, l’idée est de substituer le QD par un liposome ou un polymère contenant un agent thérapeutique pour le traitement des pathologies pulmonaires inflammatoires et de visualiser la délivrance de la NP par l’imagerie TEP [18]. Les sondes multimodalités peuvent facilement être transformées en agents thérapeutiques en incluant un principe actif
Tableau 2 Comparaison de différentes modalités d’imagerie (reproduit avec autorisation de l’article de Massoud et al. [15]). Comparison of several imaging modalities (reprinted with permission from Massoud et al. [15]). Technique d’imagerie
Type d’émission
Résolution spatiale
Pénétration dans Sensibilité a les tissus
Tomographie par émission de positon (TEP)
Rayon g
1–2 mm (faible)
Pas de limite
Tomographie par émission monophotonique (TEMP) Rayon g
1–2 mm (faible)
Pas de limite
Imagerie optique par fluorescence
Imagerie par résonnance magnétique (IRM)
a
Lumière visible ou In vivo : 2–3 mm (faible) < 1 cm proche infrarouge In vitro : infra-mm (très haute) Ondes radio 25–100 mm (haute) Pas de limite
Type de sonde
pM/L (haute) Atomes radioactifs (18F, 11C, 124I, 64Cu) pM/L (haute) Atomes radioactifs (99mTc, 111In, 123I) nM à pM/L Quantum Dots (moyenne)
mM à mM/L (faible)
Oxyde de fer magnétique et supermagnétique
Sensibilité : capacité à détecter une sonde moléculaire quand elle est présente, par rapport au bruit de fond, mesurée en moles par litre (M/L).
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
ou un gène à l’intérieur de la sonde : la visualisation de la biodistribution et/ou de l’effet de la substance est appelée théranostique. Le processus de régénération cellulaire par injection périlésionnelle de cellules souches est une thérapeutique prometteuse : ces cellules possèdent des capacités migratoires et de transformation pour régénérer le tissu lésé. Des NP magnétiques peuvent être introduites à l’intérieur des cellules souches et ces nanosondes cellulaires peuvent être suivies in vivo en IRM : après injection directe spinale chez le rat atteint de lésions de moelle épinière, des acquisitions IRM à trois semaines montrent une lente migration des cellules souches sous la forme de deux signaux noirs allongés autour du point d’injection, migration confirmée par l’étude histologique [14]. L’injection directe cardiaque chez le rat atteint d’infarctus du myocarde montre une persistance des nanosondes cellulaires magnétiques après six semaines en IRM, confirmée histologiquement et des examens TEP hebdomadaires après injection intraveineuse de 18 fluorodésoxyglucose (FDG) montrent l’apparition d’une activité métabolique à l’endroit de l’infarctus dès la première semaine [19]. Des travaux récents ont conclu qu’il était possible de suivre des lymphocytes cytotoxiques isolés marqués magnétiquement et ciblés spécifiquement vers une tumeur avec des antennes supraconductrices de haute qualité [20]. 4. Limites De nombreuses interrogations existent concernant les risques de toxicité à court et long terme des NP, notamment inorganiques, ce qui pourrait retarder la translation des résultats des études précliniques chez l’animal pour les essais chez l’homme. En effet, les particules inorganiques intègrent souvent dans leur structure des dérivés de métaux lourds toxiques et ne sont pas biodégradables. Le premier sujet de préoccupation est la similarité physique qui existe entre les NP humaines manufacturées (nanomédecine), les NP humaines « sales » (NP de diésel, smog, noir de carbone) et certaines NP naturelles minérales (fumée de volcan). Les composantes particulaires ultrafines de la pollution atmosphérique sont susceptibles d’avoir des effets néfastes sur la santé humaine (pathologie allergique respiratoire, troubles cardiovasculaires) et ces propriétés pourraient s’appliquer aux NP manufacturées [1]. La toxicité en cas de pénétration aérienne pourrait être proche de celles des fibres d’amiante, ce qui nécessiterait des précautions lors de la manipulation et pose des questions sur les risques encourus par les travailleurs des usines fabriquant ces NP. Des études de toxicité pulmonaire chez l’animal montrent qu’en cas d’inhalation de grandes quantités de NP, il s’ensuit une réaction à corps étranger avec inflammation de l’épithélium pulmonaire, prolifération cellulaire, granulomes multifocaux puis fibrose pulmonaire. Ces effets sont constatés essentiellement pour des NP comprises entre 10 et 100 nm (celles inférieures à dix et supérieures à 100 nm sont bloquées dans la trachée) : le système mucocilaire et l’épuration macrophagique pulmonaire sont peu efficaces pour ces petites particules. Des
375
études humaines chez des volontaires asthmatiques inhalant de très faibles quantités de CNT révèlent une accentuation de l’inflammation de l’épithélium pulmonaire, une hyperréactivité bronchique et une vasoconstriction pulmonaire et/ou systémique [1]. Une autre interrogation concerne la toxicité des QD qui sont constitués de métaux lourds toxiques pour l’homme, le cadmium étant par exemple un composé néphrotoxique. Le fait que le métal soit protégé par une couche de zinc et encapsulé dans une pellicule de polymère n’élimine pas le risque de lésion progressive des couches protectrices avec libération du métal lourd, risque proportionnel au caractère non biodégradable des QD (cf. infra). Une des solutions pour éviter ces risques pourra être de remplacer les dérivés de métaux lourds des QD par des métaux moins toxiques (indium) [21] ou de développer des QD tout organiques dont la couleur d’émission ne dépend pas de la taille mais de leur composition [22]. Il est cependant important de noter qu’à la différence de l’échelle micrométrique où la toxicité est liée à la composition chimique de l’objet, à l’échelle nanométrique la toxicité est liée à la surface de l’objet : à cause de leur très petite taille, les NP offrent une très grande surface de contact par unité de masse et sont beaucoup plus réactives que la même masse du même matériel composé de particules plus grosses [2]. Les particules d’oxyde de titane de 250 nm de diamètre sont non toxiques et sont utilisées comme substance inerte de référence pour les études d’inhalation pulmonaire : le même matériel inhalé sous forme de NP de 20 nm entraîne une inflammation pulmonaire. Le carbone injecté par voie veineuse sous la forme de « ballons » de fullerènes (C 60, construction nanométrique d’atomes de carbone) a montré des effets mutagènes et tératogènes chez l’animal. Les données concernant la biodistribution dans l’organisme, les sites potentiels d’accumulation, la persistance et la toxicité des NP sont peu précises ou manquantes, voire discordantes. La distribution d’une NP dépend de la voie de pénétration : par voie aérienne pulmonaire, l’inflammation pulmonaire peut être responsable d’un passage sanguin ; par voie aérienne, il a aussi été prouvé une accumulation cérébrale, les NP suivant le trajet du nerf olfactif ; par voie sanguine, l’accumulation est essentiellement hépatique et splénique ; par voie digestive, une distribution sanguine et lymphatique est possible. Les NP insolubles ou peu solubles peuvent franchir différentes barrières de protection des êtres vivants. L’accumulation des NP est difficilement prévisible et doit faire l’objet d’études spécifiques au cas par cas. Le choix des espèces animales est important car il doit être prédictif. La persistance des NP dans l’organisme est augmentée car les systèmes d’élimination des corps étrangers sont moins efficaces, peu adaptés à la petite taille de ces objets et en raison de leurs propriétés physicochimiques de surface particulière. Pour les QD, si leur taille dépasse 5,5 nm, ils ne peuvent subir de filtration glomérulaire et leur élimination rénale est impossible. Une étude utilisant des QD de 16 nm pour la détection du GS axillaire chez la souris ne retrouvait pas d’excrétion urinaire ou fécale des QD sur des prélèvements
376
G. Chuto, P. Chaumet-Riffaud / Médecine Nucléaire 34 (2010) 370–376
continus sur 48 heures, témoignant que les QD n’étaient pas éliminés de l’animal. Les auteurs suggèrent que les QD seront en grande partie éliminés par l’ablation chirurgicale du point d’injection et du GS [21]. Le sort des QD injectés par voie veineuse et bloqués dans le système réticulo-endothélial (SRE) n’est pas encore étudié, mais le SRE est susceptible de les rompre, libérant le métal lourd toxique ou de les stocker indéfiniment [23]. Les études toxicologiques chimiques applicables à l’échelle microscopique ne peuvent servir de base pour évaluer le risque des NP et chaque nouvelle NP devra faire l’objet d’une étude toxicologique complète avant son utilisation chez l’homme, en sachant que ces études n’ont quasiment pas débuté chez l’animal. Le champ des recherches en toxicologie des NP est tellement vaste qu’il est organisé au niveau international. L’Organisation de coopération et de développement économique (OCDE) a sélectionné celles à étudier en priorité, notamment les plus préoccupantes car déjà produites par l’industrie, en fonction de leur quantité et de leur type d’utilisation [24]. 5. Conclusion Les nanotechnologies représentent un nouveau champ scientifique vaste et prometteur. Leurs applications biomédicales pour la recherche in vitro et in vivo chez l’animal apportent de nouveaux outils extrêmement utiles pour la compréhension des phénomènes biologiques et le développement de nouvelles méthodes thérapeutiques et diagnostiques. Les grandes possibilités de modélisation des NP organiques et inorganiques autorisent la création de particules dédiées à l’imagerie multimodalité ainsi qu’à la théranostique. Le transfert des travaux précliniques pour leur utilisation et leur étude chez l’être humain est freiné par l’absence de données sur l’impact toxicologique de ces NP : du fait de leur plus grande surface de contact, les NP sont plus réactives et les connaissances toxicologiques à l’échelle microscopique ne sont pas utilisables à l’échelle nanoscopique. Des recherches internationales coordonnées ont débuté pour évaluer les risques toxicologiques des NP, recherches auxquelles la France participe. Un débat public s’est ouvert en France le 21 septembre 2009, pour la rédaction d’un rapport sur le développement et la régulation de la recherche en nanosciences [24]. Conflit d’intérêt L’auteur principal déclare ne pas avoir de conflits d’intérêts. Références [1] Les nanomatériaux. Institut national de recherche et de sécurité, 2009. Disponible sur www.inrs.fr. [2] Prosie F, Lesage FX, Deschamps F. Nanoparticles: Structures, utilizations and health impacts. Presse Med 2008;37:1431–7.
[3] Yezhelyev MV, Gao X, Xing Y, Al-Hajj A, Nie S, O’Regan RM. Emerging use of nanoparticles in diagnosis and treatment of breast cancer. Lancet Oncol 2006;7:657–67. [4] Wang X, Yang L, Chen ZG, Shin DM. Application of nanotechnology in cancer therapy and imaging. CA Cancer J Clin 2008;58:97–110. [5] Donaldson K, Poland CA. Nanotoxicology: New insights into nanotubes. Nat Nanotechnol 2009;4:708–10. [6] Senden TJ, Moock KH, Gerald JF, Burch WM, Browitt RJ, Ling CD, et al. The physical and chemical nature of technegas. J Nucl Med 1997;38: 1327–33. [7] Marchal F, Pic E, Pons T, Dubertret B, Bolotine L, Guillemin F. Quantum dots in oncological surgery: The future for surgical margin status. Bull Cancer 2008;95:1149–53. [8] Ehman RL, Hendee WR, Welch MJ, Dunnick NR, Bresolin LB, Arenson RL, et al. Blueprint for imaging in biomedical research. Radiology 2007;244:12–27. [9] Smith AM, Duan H, Mohs AM, Nie S. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv Drug Deliv Rev 2008;60:1226– 40. [10] Debbage P, Jaschke W. Molecular imaging with nanoparticles: Giant roles for dwarf actors. Histochem Cell Biol 2008;130:845–75. [11] Hortobagyi GN, Ueno NT, Xia W, Zhang S, Wolf JK, Putnam JB, et al. Cationic liposome-mediated E1A gene transfer to human breast and ovarian cancer cells and its biologic effects: A phase I clinical trial. J Clin Oncol 2001;19:3422–33. [12] Stern JM, Stanfield J, Kabbani W, Hsieh JT, Cadeddu JA. Selective prostate cancer thermal ablation with laser activated gold nanoshells. J Urol 2008;179:748–53. [13] Coates AL. Guiding aerosol deposition in the lung. N Engl J Med 2008;358:304–5. [14] Cheon J, Lee JH. Synergistically integrated nanoparticles as multimodal probes for nanobiotechnology. Acc Chem Res 2008;41:1630–40. [15] Massoud TF, Gambhir SS. Molecular imaging in living subjects: Seeing fundamental biological processes in a new light. Genes Dev 2003;17:545– 80. [16] Nahrendorf M, Zhang H, Hembrador S, Panizzi P, Sosnovik DE, Aikawa E, et al. Nanoparticle PET-CT imaging of macrophages in inflammatory atherosclerosis. Circulation 2008;117:379–87. [17] Chen K, Li ZB, Wang H, Cai W, Chen X. Dual-modality optical and positron emission tomography imaging of vascular endothelial growth factor receptor on tumor vasculature using quantum dots. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2008;35:2235–44. [18] Rossin R, Muro S, Welch MJ, Muzykantov VR, Schuster DP. In vivo imaging of 64Cu-labeled polymer nanoparticles targeted to the lung endothelium. J Nucl Med 2008;49:103–11. [19] Chapon C, Jackson JS, Aboagye EO, Herlihy AH, Jones WA, Bhakoo KK. An in vivo multimodal imaging study using MRI and PET of stem cell transplantation after myocardial infarction in rats. Mol Imaging Biol 2009;11:31–8. [20] Smirnov P, Poirier-Quinot M, Wilhelm C, Lavergne E, Ginefri JC, Combadière B, et al. In vivo single cell detection of tumor-infiltrating lymphocytes with a clinical 1.5 Tesla MRI system. Magn Reson Med 2008;60:1292–7. [21] Robe A, Pic E, Lassalle HP, Bezdetnaya L, Guillemin F, Marchal F. Quantum dots in axillary lymph node mapping: biodistribution study in healthy mice. BMC Cancer 2008;8:111. [22] Mongin O, Pla-Quintana A, Terenziani F, Drouin D, Le Droumaguet C, Caminade AM, et al. Organic nanodots for multiphotonics: Synthesis and photophysical studies. New J Chem 2007;31:1354–67. [23] Schipper ML, Iyer G, Koh AL, Cheng Z, Ebenstein Y, Aharoni A, et al. Particle size, surface coating, and PEGylation influence the biodistribution of quantum dots in living mice. Small 2009;5:126–34. [24] Numéro spécial nanosciences et nanotechnologies. Les défis du CEA 2009;142. Disponible sur www.cea.fr.
