MC1 et son nanomonde
C'est en 1974 que le terme nanotechnologie a été utilisé pour la première fois par le Japonais Norio Taniguchi, pour désigner les procédés qui appartiennent à la conception, la fabrication et l'utilisation des structures à l'échelle du nanomètre.
A) Le nanomonde:
A) Définition :
Tout d'abord, définissons l'unité de grandeur des nanotechnologies. La nanotechnologie se définit à l'échelle du nanomètre (nm), c'est-à-dire 10-9 fois plus petit qu'un mètre. Avec une échelle si petite, on peut contrôler ce qui constitue l'unité même de la matière, ce qui permet l'observation et la manipulation de celle-ci à l'échelle atomique, moléculaire et macromoléculaire.
Une feuille de papier standard a une épaisseur d'environ 100 000 nanomètres.
Le rapport de taille est le même entre la Terre et une orange, qu'entre une orange et un nanomètre.
B) Un monde avec des propriétés bien à lui :
Les propriétés de la matière changent fortement quand la taille des objets se rapproche du nanomètre.
Voici l'explication :
Si l'on prend un cube de 2 cm de coté et que l'on déploie ses 6 faces, il couvrira une surface de 24 cm2.
* Si on divise ce cube en 8 cubes de 1 cm de côté et que l'on déploie ces cubes, on couvrira 48 cm2.
* Si on continue en divisant chacun de ces cubes par 8 petits cubes, en les déployant, on doublerait encore la surface soit 96 cm2.
* Si L'on renouvelait l'opération jusqu'à obtenir des cubes de 100nm de côté, en les déployant, on couvrirait 48 000m2 l'équivalent de 5 terrains de football !
Avec le même volume de départ on développe la surface d'échange.
Il semblerait donc que les médicaments transportés seraient beaucoup plus efficaces.
Les nanotechnologies, du fait de leur petite taille, n'obéissent pas aux lois de la physique classique, c'est-à-dire que leurs caractéristiques thermiques, chimiques ou mécaniques diffèrent des objets de plus grande échelle.
La matière change de propriétés au niveau nanométrique : l'or par exemple, qui est normalement jaune, peut changer de couleur, le dioxyde de titane acquiert des propriétés tout à fait différentes.
A l'échelle nanométrique, les nanomatériaux ont des propriétés spécifiques,souvent
inattendues, il convient de les considérer comme de nouvelles substances chimiques :
> Résistance mécaniques accrue : Moins fragile, résistants aux rayures...
> Réactivité chimique plus grande: Variations du point de fusion, des propriétés magnétiques, capacité à fixer ou absorber des espèces chimiques...
> Conductivité électrique différente : Même pour des matériaux isolants à l'échelle macro.
De plus, la petite taille des nanoparticules leur permet de traverser les membranes cellulaires du corps humain sans les endommager pour atteindre de manière plus directe les zones ciblées.
Ces propriétés remarquables sont dues à la plus grande quantité d'atomes en surface. La nanoparticule n'est, à cette échelle constituée que de quelques atomes, et son comportement est proche de celui de l'atome ce que l'on appelle l'effet quantique.
C) la fabrication des nanoparticules.
Aujourd'hui nous sommes capables de fabriquer une allumette à partir d'un arbre, mais imaginez que demain on puisse la construire atome par atome. Cette image illustre bien les deux approches différentes possibles pour le développement des nanotechnologies.
En effet on peut différencier la méthode dite « ascendante » (en anglais bottom-up) de la méthode dite « descendante » (top-down).
* L'approche « ascendante » consiste à construire les nano-objets atome par atome, pour construire des molécules que l'on peut ensuite ajouter dans un système plus grand. L'assemblage fait de manière précise permet de maîtriser totalement la structure. Pour cela on dispose d'instruments comme le microscope à effet tunnel.
Le 18 Mars 1981, les physiciens allemands et suisses Gerd Binnig et Heinrich Rohrer ont réalisé des expériences qui plus tard, ont conduit à la fabrication du microscope à effet tunnel. Cette invention permet non seulement d'observer les atomes, mais également de les déplacer un par un.
Pour cela ils reçurent le prix Nobel de Physique en 1986.
Contrairement aux microscopes classiques qui fonctionnent avec de la lumière, un STM (Scanning Tunneling Microscope) utilise une pointe mobile très pointue qui se termine par un unique atome qui va servir à scanner la surface à observer. Lors du balayage, le dernier atome de la pointe suit le relief de la surface. En pratique, on balaie ligne par ligne une zone carrée pour reconstituer une image. On obtient la topographie du corps « observé » avec des cartes en reliefs.
Pour éviter d'endommager le corps ou la pointe elle-même, ils ne sont pas directement en contact mais très proche, à l'échelle du nanomètre. On fait donc passer un courant électrique entre les deux. Faire passer un courant électrique nécessite habituellement un réel contact, mais la distance entre le corps et la pointe est assez petite, de l'ordre d'un nanomètre, pour permettre cette conduction. Suivant l'intensité de ce courant, le corps est plus ou moins proche de la pointe, on peut ainsi en étudier le relief.
Atomes de Nickel observés grâce au microscope à effet tunnel. Taille de l'image : 2,3 nm x 2,3 nm
Des chercheurs d'IBM aux États-Unis ont réussi à déposer et à manipuler avec la pointe d'un STM des atomes de fer sur une surface métallique (du cuivre). Un par un, les atomes ont été disposés en cercle. Et oui, la pointe du STM ne sert pas seulement à faire des images en scannant la surface, elle peut aussi servir à manipuler des atomes !
* L'approche « descendante »
Elle consiste à miniaturiser, c'est-à-dire à réduire l'objet. En effet, il s'agit de fabriquer des nano objets grâce à la réduction de taille d'un matériau existant jusqu'à atteindre l'échelle nanométrique. Cette approche conserve les différentes propriétés de l'objet initial. Cette méthode est particulièrement utilisée dans le domaine de l'électronique où la miniaturisation est très présente. La technique consiste à partir d'une machine brute à l'échelle humaine et de la réduire en retirant le plus de composants possibles pour que le robot garde sa fonction tout en étant le plus petit possible. On parle de miniaturisation : enlever les parties inutiles ou non vitales de sorte à ne garder que le strict nécessaire à la cohésion de la matière. Le laser est l'outil de sculptage qui permet de réduire et déplacer les particules de la matière le plus facilement ; il est aussi plus rapide et moins couteux que tout autre principe de découpage.
Le plus petit robot médical au monde mesure seulement 120 nanomètres, pour cette prouesse, il vient d'entrer dans le Guinness des Records.
Ce robot minuscule a été créé par Soutik Betal dans le cadre de ses recherches doctorales à l'Université du Texas, située à San Antonio, sous la direction des professeurs Ruyan Guo et Amar S. Bhalla.
B) Quelles sont les spécificités que devrait posséder un nanorobot pour traiter efficacement une tumeur ?
1. Etre capable de suivre les vaisseaux car le TIFF ((Pression intersticielle) empêche la transmission directe d'injection dans la tumeur. ceci veut dire également que son diamètre sera limité à quelques micromètres seulement.
2. Etre muni d'un système de propulsion.
3. Ce système de propulsion doit être actionné par des moteurs fournissant la force suffisante pour traverser l'espace intersticiel.
4. Etre muni d'un récepteur permettant à une plateforme d'imagerie d'indiquer la direction générale de la tumeur.
5. Etre muni d'un capteur d'Oxygène pour détecter les régions hypoxiques,indiquant le centre de la tumeur.
6. Ne pas être toxique pour l'homme.
7. Etre capable de transporter les charges thérapeutiques.
Voici ce que pourrait être cette petite merveille !
Sa taille par rapport à un cheveu humain
Mais d'après Richard Feynman, ce sont les mécanismes organiques nanoscopiques qui doivent servir de modèles aux mécanismes mécaniques. En effet, la biologie a une longueur d'avance sur la nanotechnologie dans le développement à l'échelle nanoscopique.
Effectivement, la nature a déjà créé cette petite merveille.
Alors si on se servait aussi de ce que la nature nous offre ?
C) Présentation des bactériobots de type MC1:
Il s'agit de bactéries bien particulières :
Les MC1 : Magnetococcus Marinus sont des bactéries
de 1 micron de diamètre.
Cette bactérie a des propriétés bien particulières :
Elle a 2 capteurs naturels qui lui permettent de se repérer dans son milieu naturel : le fond des océans.
Le premier capteur lui permet de mesurer la concentration en Oxygène de l'eau dans le milieu dans lequel elle nage, c'est l'aérotaxie.
Le deuxième capteur lui permet de repérer les lignes du champ magnétique terrestre, c'est la magnétotaxie.
On dit que MC1 est donc une bactérie magnétotactique.
Il est possible de voir ce capteur sur une bactérie coupée en deux.
Au microscope électronique, on voit une sorte de collier de perles qui représente les cristaux de magnétite. Ce sont des magnétosomes qui sont alignés. Cette chaine fait fonction d'aimant. C'est la boussole de la bactérie qui s'alignera avec le champ magnétique de la terre. C'est ce qui lui permettra de se diriger vers les fonds de l'océan, les lignes de champ magnétique des océans de l'hémisphère Nord étant obliques, elle l'entrainent donc vers le fond.
Avec un simple aimant, les scientifiques ont réussi à faire construire par les bactéries une pyramide ! Elles se déplacent grâce à leurs flagelles à une vitesse de 200 micromètres par seconde ! Soit un parcours de 200 fois sa taille à la seconde !
Imaginez une voiture qui irait à deux fois la vitesse du son sous l'eau ! De plus, elles sont totalement inoffensives pour l'être humain.
D) Pourquoi et comment sera t-elle utilisée dans le traitement du cancer?
Actuellement, les chimiothérapies ont une efficacité certaine, mais elles sont délivrées de façon systémique engendrant de nombreux effets secondaires collatéraux.
Chez un adulte, il y a 100 000 kilomètres de réseau sanguin (capillaires compris), ce qui représente 2 fois et demie la circonférence de la terre à l'équateur. Ceci explique que seulement 1 à 2 % du produit arrive réellement à la tumeur. Il faudrait donc trouver un système qui livre le produit directement à la tumeur.
En 1966, à la sortie du film le voyage fantastique, on aurait pu se dire pourquoi pas, et oui pourquoi pas ?
Pour traiter directement la tumeur, il faudrait créer des microtransporteurs capables d'emmener à leur bord des équipages qui livreraient le traitement au cœur même de la tumeur, sans se perdre dans le dédale du réseau sanguin !
Impossible pensez-vous ?
Sylvain Martel, Directeur du laboratoire de nanorobotique, Polytechnique Montréal et son équipe se sont dit pourquoi pas.
Ils savaient que pour atteindre la tumeur, il faudrait emprunter de gros vaisseaux sanguins puis des plus petits. L'environnement étant différent, il fallait deux systèmes de propulsion de navigation distincts :
Le sous-marin et les plongeurs !
A) 1ère étape : Les nanocapsules.
La molécule anti-cancéreuse SN 38 est encapsulée dans des nanocapsules : les liposomes ou polymères biodégradables. (molécule de SN-38, médicament antinéoplasique, c'est le métabolite actif de l'irinotécan),
Ces liposomes ont une taille de 100 à 200 nm. La technique de fabrication est connue depuis les années 60 ( phospholides dissous dans solvant organique, puis réhydratés). L'encapsulation permet la protection des substances vis à vis d'une dégradation enzymatique ou d'une élimination par le système immunitaire.
Dans la circulation sanguine, ils fusionnent avec les membranes cellulaires ou sont endocytés par les cellules pour délivrer le principe actif.
B) 2ème étape : Les MC1
Les membres d'équipage sont les bactéries MC1
Chacune d'entre-elles sera chargée de transporter 70 liposomes.
Les agents de réticulation sont des réactifs chimiques utilisés pour conjuguer des molécules par une liaison covalente.
Le champ magnétique ne servira qu'à diriger les bactéries, car elles se déplacent grâce à leurs flagelles.
Elles seront contrôlées par ordinateur pour les mener là où on le souhaite.
C) 3ème étape: les sous-marins.
Ces bactéries sont encapsulées dans des particules remplies de nanoparticules ferromagnétiques Elles pourront être propulsées en 3 dimensions n'importe où dans le corps humain sous l'influence des champs magnétiques d'une IRM, afin de contourner les obstacles et de pouvoir bifurquer au bon endroit au fur et à mesure de leur progression. Ces microparticules sont biodégradables.
Les nanoparticules ferromagnétiques peuvent être fabriquées par la méthode ascendante ou descendante.
D) 4ème étape : Injection dans une artère.
50 Millions de capsules, seront injectées et guidées jusqu'aux limites technologiques.
E) 5ème étape : libération des bactéries.
A cette étape le champ magnétique n'est plus très utile.
C'est l'aérotaxie qui sera importante.
La bactérie adore les zones hypoxiques, faibles en oxygène.
Sa concentration préférée est 0,5% d'oxygène, ce qui correspond justement à la concentration où les cellules cancéreuses se développent le plus car elles consomment énormément d'oxygène pour se nourrir.
Pour apporter de l'oxygène à la tumeur, nous avons vu plus haut que les cellules avaient un pouvoir d'angiogenèse. Or ces néo vaisseaux ont la particularité d'être perforés et les trous mesurent 2 microns. La bactérie peut donc s'y engouffrer pour se rendre, telle une tête chercheuse, vers la zone hypoxique.
Les MC1 ne peuvent survivre très longtemps à 37°, elles vont donc mourir, libérant les liposomes qui vont se dissoudre et libérer les nanoparticules de SN 38 au bon endroit.
Alors vous pensez encore qu'il ne s'agit que de sciences fictions ?
Mais il faut maintenant faire le test sur des primates avant l'homme. Le chemin est encore long
Mais pourquoi pas ? Jules verne avait bien imaginé aller sur la lune et nous y sommes allés.
Voyons maintenant comment créer le champ magnétique nécessaire pour diriger nos MC1
