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Les nanotechnologies d'après le grec νανος signifiant nain et par extension les nanosciences sont l'étude sur les principes et les propriétés existant à l'échelle nanométrique. L'ordre de grandeur (10^-9) correspondant aux nanotechnologies est la distance qui sépare deux atomes.

Le but des nanotechnologies est de produire des matériaux inférieures à 100 nanomètres (nm). Ces matériaux sont composés de nanoparticules qui contrairement aux particules très fines d'origine naturelle sont produites intentionnellement.

La nanomédecine est l'application médicale liée aux nanotechnologies. Elle a pour but de prévenir et de traiter les maladies survenant dans le corps humain. Ce domaine est en pleine expansion puisqu'elle a le potentiel de changer la façon de guérir les patients. Dans un futur proche, ses applications pourront être utilisées dans de nombreux domaines comme la chimiothérapie, la pompe à insuline, le pacemaker...

Nous allons voir ici trois domaines où la nanotechnologie peut avoir un impact important dans les années à venir.

Historique[modifier | modifier le code]

Etant liées à tous ce qui nous permet d'observer le monde de l'infiniment petit (microscopes et autres), les nanotechnologies ont émergés à partir de la deuxième moitié du 20ème siècle.

Nanotechnologies et applications médicales[modifier | modifier le code]

Les nanotechnologies et la fusion bionique[modifier | modifier le code]

Interface Neuronale Direct (IND)[modifier | modifier le code]

a) Définition[modifier | modifier le code]

Aussi appelé interface cerveau/machine, elle est un dispositif permettant de faire le lien entre le cerveau et un "appareil" externe (système embarqué, appareillage électronique, ordinateur...). Ces appareils externes étant produits pour aider : assistance, amélioration, réparation/remplacement de fonction humaines de cognition ou de mouvement.

Pour que l'interface fonctionne, il est à préciser qu'elle doit généralement être implanter dans la boîte crânienne (cf. Type d'Interface). Ici, cette entité pensante qu'est le cerveau est uniquement considéré comme un système électrique puisque seul ses signaux sont exploiter par l'interface.

b) Catégories[modifier | modifier le code]

Il existe deux catégories d'interface neuronale direct :

  • Interface unidirectionnelle
  • Interface bidirectionnelle

Dans le cas le plus optimisé, l'interface est bidirectionnelle. Cela revient à dire que l'interface peut envoyer et recevoir simultanément des informations d'une machine ou d'un dispositif externe. Il est à noter que cette catégorie d'interface n'à pas encore été testé sur des singes et/ou sur des hommes.

Il existe aussi des interfaces unidirectionnelle qui, de même que ses comparses bidirectionnelle, peuvent émettre et recevoir. Mais, cela ne peut se faire en simultanée puisque chaque interface est pour l'instant spécifique à un usage unique.

c) Types[modifier | modifier le code]
IND invasif[modifier | modifier le code]

Leurs but est de restaurer la vision ou la mobilité chez l'être humain. Il s'agit de systèmes directement connectés à la matière grise du cerveau par neurochirurgie. Elles offrent une meilleur qualité du signal puisqu'elle s'en trouve à la source. Mais, avec le temps et la réaction du corps, le dispositif peut être enkysté, réduisant ou annihilant ainsi le signal.

Exemples :


Cette homme devenue aveugle à l'âge adulte à reçut le premier prototype de WIlliam H.Dobelle destiné à la restauration de la vue.

L'implant étant constitué de 68 électrodes directement implantées dans le Cortex visuelle, partie concernant la dispersion de la lumière.

Le système étant constitué d'une caméra montée sur des lunettes qui envoie un signal à l'implant.

Grâce à ce système, il à pu voir en nuance de gris, bien que sa vision soit limité, que le système avait une vitesse de rafraîchissement lente et qu'il à fallu un système informatique assez conséquent (Surtout à cette époque où l'on commençait à peine à miniaturiser).


Cette homme qui à aussi perdu la vue à l'age adulte à reçut la deuxième génération des implant Dobelle. Celui-ci étant plus sophistiqué car il transmet plus précisément les contours et offre une vision cohérente.

Les tâches lumineuses sont maintenant réparties à la façon "d'étoile dans la nuit" dans le champ de vision afin d'améliorer la qualité de celle-ci. Preuve en est que, dès la mise en place de l'implant, il a pu conduire un voiture à petite allure sur le parking de l'institut où s'est déroulé le test.


Ce tétraplégique est la première personne à avoir contrôlé une main artificielle grâce à une IND. Son implant, composé de 96 électrodes BrainGate lui ont permit non seulement de contrôlé ce bras robotisé mais aussi un curseur d'ordinateur, de l'éclairage et une télévision.

IND semi-invasif[modifier | modifier le code]

Cette fois-ci, le composant est implanté dans la boîte crânienne et ne pénètre pas la masse cérébrale. Il s'agit d'un compromis entre les systèmes invasifs et les systèmes non-invasif :

  • Résolution spatiale de bonne qualité
  • Rapport signal/bruit faible
  • Large réponse en fréquence
  • Nécessite peu d’entraînement en comparaison avec les systèmes extra-crâniens
  • Moins de risque que les systèmes intrusifs et plus de stabilité que lors de monitoring mono neurone

Tous ces critères permettent d'envisager une mise en oeuvre à plus grande échelle pour toutes ces personnes ayant perdu l'usage d'une fonction humaine.

On peut prendre comme exemple l'électrocorticographie (ECoG) : elle mesure l'activité électrique, de la même manière que l'électroencéphalographie. La seule différence étant que les électrodes sont situé à l'intérieur de la boîte crânienne, entre la dure-mère et le cortex.

Cette technologie à été testé en 2004 sur un adolescent atteint d'épilepsie sévère afin de lui permettre de jouer à Space Invader. Les électrodes ayant été implanté en même temps que les électrodes temporaires permettant de localiser le foyer de la maladie.

Pour l'heure, même si ce système pourrait permettre de mesurer l'activité neurone par neurone pour une étude, les tests sont uniquement réalisés sur des personnes nécessitant un monitoring invasif qui aboutit à la localisation du centre épileptique.

IND non-invasif[modifier | modifier le code]

Ces interfaces utilisent l'imagerie médicale. Plus précisément, ils utilisent les ondes cérébrales (signaux) pour induire des mouvements sur des sujets volontaires. Malheureusement, on obtient une faible résolution du fait de l'altération des signaux subit lors de la traversée de la boîte crânienne.

Même si ces dispositifs sont facilement portables et économiques, leurs lenteurs et leurs précisions ne descendant pas au niveau du neurone unique mais à celle d'un groupe de neurone (Modèle computationnels) les rendant moins facile d'accès.

D'ailleurs, dans les années 1990, une expérience sur des sujets gravement paralysés à été entrepris : il s'agissait de leur apprendre à contrôler/réguler la partie cortical faible mesuré par électroencéphalogramme. Cela ayant pour but de maîtriser un curseur d'ordinateur en fonction des variations des ondes cérébrales. Mais, ce procédé est lent : en effet, même après un entrainement de plusieurs mois, il fallait tout de même plus d'une heure pour écrire 100 caractères.

Organes/Prothèses intelligentes[modifier | modifier le code]

a) Définition[modifier | modifier le code]

Il s'agit ici de prothèses permettant de retrouver l'usage d'une motricité perdue, tout comme les précédent dispositifs mais, sans implants liés au cerveau. Ce sont des prothèses qui prennent en compte plusieurs paramètres reçus d'une multitude de capteurs (contraction des muscles, changement d'inclinaison et bien d'autres encore) afin de réagir face à ce que cela montre de l'intention de l'utilisateur.

b) Perspectives[modifier | modifier le code]

En 2013, l’existence d'un "être humain bionique" (REX) est mise en lumière. Exposé au musée des sciences de Londres, ce robot est composé d'organes artificiels  : cœur, pancréas, reins, foie, rate et trachées, le tout en fonctionnement. Il possède également un système de circulation sanguine et peut voir grâce à une rétine artificielle et un implant cochléaire.

La révélation de l'existence de REX ouvre les portes à la fusion du naturel et de l'artificiel afin de soigner ce qui est perdu et/ou endommagé.

On peut en voir un début par les travaux d'une équipe de scientifique du Harvard-MIT (Division of Health Sciences & Technology). En effet, leur travaux portent sur la synthèse de matériaux synthétiques et de cellules tissulaires cardiaque de rat imitant à la perfection les tissus cardiaques naturelles. Même si ses premières applications seraient pour le domaine robotique (Propriétés cellulaires intéressantes), cela pourrait,à terme, permettre de pouvoir remplacer des tissus dysfonctionnels et même, remplacer un cœur entier. La route est longue avant d'y arriver puisque, pour le moment, les cellules synthétiques n'ont pas les même propriétés électriques que les cellules vivantes.

c) Exemple existant[modifier | modifier le code]

Une multitude de capteur nanoscopique permettent déjà de rendre possible la marche à des personnes n'ayant pas (ou plus) de jambes.

En effet, on peut prendre l'exemple des prothèses biomimétiques d'Hugh Herr. Ce directeur de recherche au MIT à conçu et fabriqué ses propres prothèses qui réagissent à la façon de muscles vivants. Cette prothèse s'adapte au fonctionnement du corps du porteur pour lui permettre une démarche la plus naturelle possible.

Cette prothèse consiste en un ensemble pied-mollet bionique qui utilise une "propulsion bionique" alimentée par batterie couplée à deux microprocesseur et 6 capteurs environnementaux qui permettent d'ajuster la réaction au mieux (position, puissance déployé, degré d'amortissement de la cheville,etc..) .

Par exemple, l'impact du talon est contrôlé par un système résidant dans la cheville pour absorber le choc et permettre au tibia d'être porté vers l'avant.

Là ou cette prothèse est d'autant plus intelligente est aussi le fait qu'elle s'adapte à chaque patient grâce au logiciel spécialisé (Personal Bionic Tunning) créé par les chercheurs. Celui-ci permet de régler tout les paramètre en fonction du patient et de son comportement : programme la rigidité, la puissance déployée à toutes les étapes de la marche et bien d'autre fonctionnalités. Le tout explique pourquoi le patient s'acclimate à la prothèse en quelques minutes et non plus en quelques semaines.

Les nanotechnologies et le cancer[modifier | modifier le code]

Le cancer englobe un groupe de maladies se caractérisant par la multiplication et la propagation anarchique de cellules anormales. Si les cellules cancéreuses ne sont pas éliminées, l’évolution de la maladie va mener plus ou moins rapidement au décès de la personne touchée.

Un cancer peut être dû à des facteurs externes (mode de vie, facteurs environnementaux ou professionnels, infections), ou internes (mutations héréditaires, hormones, dérèglement du système immunitaire, etc...). Ces facteurs de risque peuvent agir ensemble ou de façon successive et enclencher ou favoriser le développement du cancer. Souvent, plusieurs dizaines d’années séparent l’exposition à des facteurs externes et le déclenchement de la maladie.

En 2015, le nombre de cancer est estimé à 385 000 et le nombre de décès à 149 500.

Le diagnostic[modifier | modifier le code]

On peut distinguer plusieurs façons pour savoir si un patient est atteint du cancer. Il existe notamment les puces à ADN, les puces à protéines ou les laboratoires sur puce.

Dans notre cas, nous allons aborder plus particulièrement des laboratoires sur puce ou lab-on-a-chip.

Les laboratoires sur puce fonctionnent simplement puisqu'il suffit d'une goutte de sang pour analyser le corps du patient pour savoir s'il est atteint du cancer. Cet outil serait révolutionnaire puisqu'il permettrait un gain de temps et aurait une utilité incroyable dans le diagnostic médical. En effet, cette technique peut être appliqueé à d'autres maladies et non seulement pour le diagnostic du cancer.

Pour relever les données présentes sur le laboratoire sur puce, on utilise un laser qui permet d'analyser les données et de les traiter par un ordinateur qui permet de savoir si la personne est atteinte d'un cancer.

Le ciblage[modifier | modifier le code]

Exemple de quantum dots

Lorsque le diagnostic est établi, les médecins doivent savoir où les cellules cancéreuses se trouvent dans le corps humain. Il existe plusieurs façons de localiser ses cellules, les principales techniques connues et utilisées sont : l'imagerie in vivo, les quantum dots ou encore les nanoparticules.

Nous allons nous intéresser ici aux quantum dots.

Les quantum dots ont été développé par l'équipe de Shuming Nie en 2004, ils sont composés de particules nanométriques. Le but de cette technique est de pouvoir visualiser et localiser le cancer sur des IRM pour savoir comment éradiquer de manière optimale les cellules cancéreuses. De plus, ses quantum dots ont différentes couleur possibles, on choisit le colorant le mieux approprié selon le type et la taille du cancer.

Cependant, cette technique est pour l'instant dangereuse pour le corps humain puisque les quantum dots contiennent des toxines.

Les thérapies[modifier | modifier le code]

Une fois le diagnostic et le ciblage des cellules cancéreuses effectués, il ne reste plus qu'à éliminer toutes les cellules. Nous allons décrire seulement deux nanotechnologies : les liposomes et la nanoparticule d'or. À noter que les différentes nanotechnologies existantes sont pour l'instant utilisées sur des animaux et qu'il n'y encore aucun test sur l'être humain. Ces nanotechnologies présentent encore certains dangers pour le corps humain, en effet si ceux ci ne sont pas suffisamment bien contrôlé par une action humaine, ils peuvent causer plus de dégâts qu'auparavant.

Les liposomes[modifier | modifier le code]

Les liposomes font partie de la famille des vectorisations des médicaments. Il existe dans cette famille deux autres nanotechnologies : les nanosphères et les nanocapsules.

Les liposomes sont des sphères avec un diamètre compris entre 1 µm et 20 nm. Ces sphères contiennent des molécules anticancéreuses qui permettent de détruire les cellules pathologiques. Les liposomes sont recouverts de ligands, ce sont des molécules qui permettent de reconnaître les cellules pathologiques. Une fois que les liposomes sont sur les cellules cancéreuses, ils se déchirent grâce aux conditions extérieures tel que l'acidité du milieu.

À l'heure actuelle, nous sommes à la 3ème génération de cette nanotechnologie, le but étant à chaque fois d'éliminer aux mieux les cellules cancéreuses sans détériorer les autres organes du corps humain. Ici, on peut comprendre aisément que si les nanoparticules sont mal fabriquées ou contrôlées, le poison contenu dans ses sphères seraient funeste pour le patient.

Les nanoparticules d'or[modifier | modifier le code]

Tout d'abord, ses nanoparticules sont recouvertes d'or puisque l'or est un élément chimique qui a des propriétés physiques et chimiques intéressantes. En effet, l'une des particularités de l'or est qu'il est biocompatible avec le corps humain. De ce fait, cette nanotechnologique ne sera pas reconnu comme un élément étranger pour le corps humain et ne sera donc pas attaqué. De plus, l'or est sensible aux changements de longueurs d'ondes ce qui va permettre d'utiliser une autre technique la phototermie.

La phototermie ou hyperthermie va être utilisé pour éliminer les cellules cancéreuses à l'aide des nanoparticules d'or par réchauffement. En effet, l'or étant sensible aux longueurs d'ondes, on va donc influencer la longueur d'onde pour que l'or se réchauffe et ainsi détruire les cellules cancéreuses. Pour influer sur la température de la nanoparticule d'or, on va utiliser une longueur d'onde particulière l'infrarouge car elle peut émettre au delà de la peau humain. Le dernier avantage de l'infrarouge est qu'il ne détériore pas les cellules de la peau ni aucun organe.

Les nanoparticules en imagerie médicale[modifier | modifier le code]

Les produits de contraste nanoparticulaires sont un des rares domaines en médecine où les nanotechnologies ont abouti à des applications concrètes et industrialisées (produits commercialisés). En plus de n'être utilisé seulement pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), les produits de contraste nanoparticulaires ne concernent également qu'un nombre limité de produits à ce jour, tous à base d'oxyde de fer en administration unique chez l'homme.

  • 1973 : Invention de l'IRM
  • 1981 : Utilisation du gadolinium
  • 1988 : 1ère autorisation de mise sur le marché du gadolinium comme agent de constraste
  • 1989 : Utilisation des nanoparticules d'oxyde de fer
  • Lumirem® (voie orale) : tube digestif (1993, Guerbet / AMAG)
  • Feridex®/Endorem® (voie IV) : imagerie du foie (1994, Guerbet / AMAG)
  • Resovist®/Cliavist® (voie IV) : imagerie du foie (2001, Bayer-Schering)
  • Combidex®/Sinerem® (voie IV) : imagerie des ganglions lymphatiques (Phase III, Guerbet / AMAG) et imagerie cellulaire (2008)

Principe de l'Imagerie par Résonance Magnétique[modifier | modifier le code]

L'imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire est un outil de diagnostic non invasif qui permet non seulement d'obtenir des images anatomiques de haute résolution, mais également de diagnostiquer des pathogenèses en mesurant des biomarqueurs.

L'hydrogène représente 63% des atomes du corps humain. L'IRM est l'imagerie du noyau de l'atome d'hydrogène (proton).

Ce noyau d'hydrogène est une masse chargé postiviement qui tourne sur elle-même assimilable donc à un aimant. Un seul électron, chargé négativement, gravite autour de ce noyau. Dans le corps humain, les protons sont orientés au hasard (leurs champs magnétiques s'annulent donc notre corps n'est pas aimanté) et ne tournent pas tous ensembles (ils sont déphasés). Le fait de placer le patient dans un puissant aimant (1,5 Tesla) permet d'aligner les protons dans la même direction que celle de l'axe du champ magnétique de l'aimant. Pour stimuler les protons afin qu'ils tournent à l'unisson (en phase) une énergie de type onde radio de fréquence identique à la fréquence de rotation des protons est fournie (résonance).

Cette fourniture d'énergie a pour conséquence un léger basculement de la direction des protons par rapport à l'axe de l'aimant. Dès l'arrêt de l'onde radio, les protons restituent l'énergie émise (signal), s'en suit le fait qu'ils reviennent vers l'axe de l'aimant et qu'ils se déphasent à nouveau. La morphologie du signal émis par les protons dépend essentiellement du temps (appelé temps de relaxation) que ceux-ci mettent à revenir dans l'axe de l'aimant (temps n°1 ou T1) et du temps qu'ils mettent à se déphaser à nouveau (temps n°2 ou T2). Ces deux temps T1 et T2 sont propres à chaque type de tissu et en rapport avec sa nature histologique et cellulaire (liquide, solide, à structure organisée ou non, etc...). Les images IRM habituelles sont réalisés en réglant la machine de façon à réfléter un de ces deux temps : on dit que l'image est pondérée en T1 ou en T2. Le médecin radiologue, en analysant ces images T1 et T2, peut connaître la nature normale ou pathologique des tissus étudiés.

Les agents de contraste d'IRM couramment utilisés sont principalement de petites molécules (chélates de gadolinium) qui ne sont pas suffisament sensibles et qui souvent ne donnent pas d'amélioration de contraste satisfaisante pour l'imagerie des stades précoces de la maladie. Les agents de contraste de résonance magnétique sous forme de nanoparticules sont généralement bien plus sensibles grâce à une relaxation améliorée et à un grand nombre de centres magnétiques actifs.

Les nanoparticules superparamagnétiques[modifier | modifier le code]

L'imagerie médicale de résonance magnétique nucléaire utilise comme produit de contraste des oxydes de fer, sous trois catégories selon la taille de leur noyau :

  • SPIOs (SuperParamagnetic Iron Oxide particles) : la taille de leur noyau est comprise entre 50 et 3500 nm
  • Ultrasmall SPIOs : la taille du noyau est inférieur à 50 nm
  • Monocrystalline Iron Oxide Nanopreparations (MION) : la taille du noyau est comprise entre 3 et 9 nm

Les agents de contraste superparamagnétiques ont pour principaux domaines d'applications : la détection de tumeurs hépatiques, l'imagerie du système lymphatique ou encore l'ischémie cérébrale.

Les agents de contraste modifient l'environnement dans lequel ils se trouvent par différents mécanismes :

Les agents de contraste superparamagnétiques modifient les mécanismes de relaxation principalement par le mécanisme de sphère externe.

Le phénomène dit de sphère externe est lié au champ magnétique local produit par les agents de contraste. Ce champ magnétique va contribuer à la relaxation des molécules d'eau (protons) non liées à l'agent de contraste. Ceci a pour effet direct une diminution du temps de relaxation T2*

Les agents de contraste superparamagnétiques réduisent le temps de relaxation T2* et donc par conséquent rehaussent le contraste le contraste en T2*. Des images pondérées T2* sont donc privilégiées pour observer les agents de contraste superparamagnétiques. Des séquences IRM de type écho de gradient sont principalement utilisées.

L'effet de susceptibilité magnétique est caractéristique des agents de contraste superparamagnétiques.

Les nanoparticules de silice[modifier | modifier le code]

La nanoparticule mésoporeuse de silice (Mesoporous Silica Nanoparticle) est une particule de diamètre de l'ordre de 60 à 300 nm présentant plusieurs qualités qui la rendent particulièrement intéressante en imagerie médicale :

  • Elle est bien tolérée par le corps (biocompatible), elle peut donc s’y déplacer sans être détruite par les macrophages
  • Elle possède une luminescence qui lui est propre lorsqu’elle est en présence d’un rayonnement infrarouge, elle est donc détectable et identifiable
  • Elle se dégrade progressivement dans le corps

Grâce à la luminescence particulière de la nanoparticule de silice, le déplacement des métastases (cellules cancereuses) devient localisable puisque la nanoparticule de silice peut se greffer sur ces dernières. Un des atouts prépondérants de la nanoparticule de silice concerne sa dégradation. En effet, la dégradation du silicium dans le corps humain est dûe au fait qu’il soit présent naturellement dans le corps sous forme d’oligo-éléments. Il est donc naturellement nécessaire à la vie de notre organisme en faible quantité. L’acide orthosilicique qui se trouve dans la plupart de nos tissus est la forme hydro-soluble du silicium que l'on trouve notamment dans l'eau de mer. Cet acide permet l’évacuation efficace des déchets de silicium superflu dans les urines. L’avantage de cette dégradation du silicium est qu'elle s'opère particulièrement lentement, la nanoparticule reste donc assez longtemps intacte (plusieurs heures) pour permettre au médecin de visualiser les tumeurs et de suivre les déplacements des cellules cancéreuses dans le corps.

Pour permettre aux nanoparticules de silice de se fixer aux cellules cancéreuses, des fibres de polymère PEG (polyéthylène glycol) combinés à des éléments de reconnaissance de cellules cancéreuses (acide folique ou vitamine B9) se fixent aux récepteurs à la surface de la cellule à détruire.

Sous rayonnement infrarouge et avec l’aide de capteurs spécifiques, il serait donc possible de visualiser les tumeurs et les déplacements des cellules cancéreuses dans les systèmes sanguins et lymphatiques en temps réel.

Les nanoparticules de silice offre un large champ d'études des nanotechnologies et sont très prometteuses pour l’avenir du diagnostic médical en oncologie par exemple.

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Articles[modifier | modifier le code]

Livres[modifier | modifier le code]

  • Applications of Nanotechnology in Cancer: A Literature Review of Imaging and Treatment- Niranjan Bhandare and Ashwatha Narayana
  • "Les nanosciences : Tome 3, Nanobiotechnologies et nanobiologie." De Marcel Lahmani, Patrick Boisseau et Phillipe Houdy. Edition Belin, 2007.

Liens externes[modifier | modifier le code]

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