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V Données clefs sur les NPs de FePt issues de la synthèse nitrile 

Figure 3: Intérieur d’un disque dur avec ses différents éléments

IV. Applications pour la biologie 

 

La  possibilité  de  greffer  à  la  surface  des  NPs,  synthétisées  par  voie  chimique,  des  ligands  assurant  l'hydro‐solubilité et/ou possédant une fonction biologique a ouvert la voie aux applications des NPs  dans  les  biotechnologies.  En  particulier,  les  NPs  magnétiques  ont  su  trouver  leur  place  dans  ce  domaine d’application15,16: 

 les particules de taille nanométrique peuvent théoriquement pénétrer la quasi‐totalité des  entités biologiques (cellule, virus, protéine, ...), grâce à leur taille. 

 La multi‐fonctionnalisation avec des molécules biologiques adaptées permet aux NPs d’être  acceptées  par  l’organisme  vivant,  et  éventuellement  de  combiner  plusieurs  fonctions  biologiques sur une même particule.     Des NPs magnétiques peuvent être manipulées à distance à l'aide d'un champ magnétique soit :   pour les diriger dans le corps (la vectorisation de médicaments) ou en solution (la séparation  magnétique)   pour échauffer localement le milieu (l'hyperthermie)   comme agents de contraste en imagerie par résonance magnétique (IRM).    

Dans  cette  partie,  les  principales  applications  biologiques  dans  lesquelles  les  NPs  de  FePt  sont  ou  pourraient être utilisées sont décrites brièvement.    

IV.1.

Biocompatibilité 

IV.1.a. Biocompatibilité    L'utilisation en milieu biologique de NPs constituées de matériau magnétique métallique (alliage de  fer  ou  de  cobalt)  nécessite  qu'elles  soient  fonctionnalisées  pour  les  rendre  biocompatibles  (compatible,  en  accord  avec  un  organisme  vivant).  Les  NPs  doivent  être  stables  en  solution  aqueuse/biologique et elles doivent être furtives, c'est‐à‐dire non reconnues comme étrangères par  le système immunitaire, pour ne pas être détruites ou éliminées. Ainsi, des NPs magnétiques ont été  rendues biocompatibles soit par un échange de ligands (polyéthylène glycol et dopamine)16 ; soit en  les recouvrant par un polymère biocompatible (tel que le PVA, acétate de polyvinyle et le dextran)  soit en les recouvrant d'une coquille de silice elle‐même fonctionnalisée par des thiols17.    IV.1.b. Greffage spécifique   

Au‐delà  de  la  biocompatibilité,  il  peut  s’agir  de  reconnaitre  spécifiquement  un  élément  biologique  d’un  autre  dans  un  milieu  biologique :  c’est  le  greffage  spécifique.  La  très  faible  taille  de  certaines  particules magnétiques (jusqu'à 3 nm de diamètre) en fait des objets particulièrement intéressants  car  elles  offrent  très  peu  de  surface  susceptible  de  permettre  des  phénomènes  de  greffage  non  spécifique, soit l’adsorption d'espèces biologiques non désirées. En effet une NP ne présente pas ou  peu de sites de capture non spécifique à cause de son fort rayon de courbure. 

Le premier exemple de capture spécifique de protéines par des NPs de FePt a été donné en 2004 par  Xu  et  al.18.  Il  s'agissait  dans  ce  cas  de  récupérer  spécifiquement  des  protéines  porteuses  de  la  séquence  6xHis  (hexamère  d'histidine)  parmi  un  mélange  protéique  complexe  issu  d'une  lyse  cellulaire. 

 

IV.2.

Diriger les NPs avec un champ 

IV.2.a. Séparation magnétique   

Cette  technique  consiste  à  employer  des  NPs  magnétiques  dotées  de  sites  de  capture  (fonctionnalisation  de  la  NP  par  des  ligands  spécifiques)  pour  rechercher  spécifiquement  dans  un  mélange  une  entité  biologique  (une  cellule,  une  macromolécule,  un  virus,  un  antigène…).  A  titre  l’exemple, des NPs magnétiques ‐ d’oxyde de fer19 ou de FePt20 ont été employées pour capturer des  bactéries.  Le  principe  repose  sur  la  précipitation,  provoquée  par  le  champ  magnétique  externe,  du  couple bactérie/NP magnétique. La solution contenant les autres espèces biologiques sans intérêt est  évacuée  et  les  bactéries  sont  ensuite  redispersées  dans  la  quantité  de  solution  biologique  voulue.  Cette technique permet de séparer l’entité biologique d’intérêt et de la concentrer en vue d’analyses  (Figure 8‐a). 

  

IV.2.b. Vectorisation de médicaments (délivrance ciblée)   

L'utilisation  de  particules  magnétiques  pour  le  transport  de  médicaments  est  motivée  par  la  possibilité de les concentrer, à l'aide d'un champ magnétique, dans la seule zone à traiter21. Il serait  alors possible de réduire la quantité de molécules actives à injecter et donc de minimiser les effets  secondaires  liés  aux  médicaments.  En  pratique,  les  molécules  actives  sont  fixées  à  la  surface  de  particules  magnétiques  biofonctionnalisées  qui  sont  ensuite  injectées  au  patient  par  voie  intraveineuse.  Un  fort  champ  magnétique  est  utilisé  pour  concentrer  le  complexe  particules/médicaments  dans  une  zone  spécifique  (une  tumeur  par  exemple)  où  les  molécules  actives sont alors libérées (Figure 8‐b).       

IV.3.

L'hyperthermie magnétique 

    Figure 8: (a) Complexation des bactéries en solution avec des NPs magnétique  fonctionnalisées par de la vancomycine (van), (b) Principe  de la vectorisation de  médicaments. 

Une  application  importante  des  particules  magnétiques  en  biologie  concerne  le  traitement  de  tumeurs  par  hyperthermie.  Une  élévation  locale  de  température  est  obtenue  par  dissipation,  sous  forme de chaleur, de l'énergie dissipée par les particules magnétiques lorsqu'elles sont soumises à un  champ  magnétique  alternatif22.  Il  est  possible  de  détruire  les  cellules  cancéreuses  (l’effet  de  l’hyperthermie  est  létal  pour  la  cellule  au‐delà  de  42°C)  quand  les  NPs  magnétiques  sont  spécifiquement greffées aux tumeurs.  

Ce transfert d'énergie des particules magnétiques vers le milieu liquide peut avoir deux origines: la  rotation du moment magnétique de la particule (relaxation de Néel) et la rotation de la particule elle‐ même (agitation brownienne)23,24.  

Récemment,  les  avantages  des  NPs  de  FePt  pour  l'hyperthermie  a  été  montré  par  Maenosono  et  al.25.  En  effet,  ces  auteurs  ont  montré,  à  l'aide  d'un  modèle  théorique,  que  des  particules  de  FePt  superparamagnétiques, de tailles supérieures à 6 nm et dans la phase chimiquement désordonnée,  possèdent des capacités de chauffage supérieures aux autres particules magnétiques.  

 

IV.4.

Agent de contraste en IRM 

 

L'imagerie  par  résonance  magnétique  nucléaire  (IRM)  repose  sur  le  phénomène  de  résonance  magnétique  nucléaire  qui  correspond  à  l'absorption  de  rayonnements  électromagnétiques  d'une  fréquence  spécifique  par  des  atomes  de  spin  nucléaire  non  nul  (comme  l'hydrogène)  en  présence  d'un fort champ magnétique. L'élément le plus abondant dans l'organisme humain étant l'hydrogène,  notamment  du  fait  de  l’abondance  de  l'eau,  on  utilise  en  IRM  le  signal  émis  par  les  atomes  d'hydrogène pour former l'image correspondant aux différents tissus biologiques.   En pratique, l'utilisation d'un fort champ magnétique B0 permet d'aligner le spin des protons de façon  parallèle ou antiparallèle à ce champ. L'application d'une onde électromagnétique transverse à B0 et  de fréquence égale à la fréquence de Larmor (Ω0=γB0) des protons permet de modifier la direction de  leurs spins par absorption résonante. Dès la fin de l'excitation par l'onde électromagnétique, les spins  vont retourner à leur état d'équilibre : par un réalignement progressif des spins dans la direction du  champ  magnétique  B0  (temps  de  relaxation  T1)  d'une  part,  et  par  une  disparition  rapide  de 

l'aimantation transversale (temps de relaxation T2) d'autre part. La détermination de ces deux temps 

de  relaxation,  qui  sont  différents  d'un  tissu  à  un  autre  selon  leur  richesse  en  hydrogène,  permet  ensuite  d'imager  les  différentes  parties  du  corps26.  L'utilisation  d'agents  de  contraste  magnétique  permet  de  modifier  les  temps  de  relaxation  T1  et  T2,  et  donc  d'augmenter  le  contraste  du  tissu  où 

sont  localisés  ces  agents  par  rapport  aux  tissus  environnants.  La  plupart  des  agents  de  contraste  utilisés en IRM sont des matériaux paramagnétiques tels que des molécules à base de gadolinium(III).  Les  particules  superparamagnétiques  présentent  une  alternative  intéressante27  car  leur  large  moment magnétique en présence du champ magnétique B0 perturbe localement l'orientation du spin 

des protons via l'interaction dipolaire, et modifie significativement les temps de relaxation T1 et T2. 

L'efficacité d'un agent de contraste dépend de son moment magnétique, mais évidemment aussi de  sa  durée  de  séjour  dans  le  corps  humain.  Le  temps  de  présence  des  particules  dans  le  système  sanguin, avant leur accumulation dans le foie et la rate, ou leur élimination par les reins, augmente  quand leur taille diminue. L'utilisation de matériaux de forte aimantation à saturation Ms tels que le  FePt permettrait de fortement diminuer la taille des NPs tout en conservant un moment magnétique  relativement important.         

IV.5.

Conclusion 

 

Les NPs de FePt présentent un intérêt certain pour de nombreuses applications dans le domaine de  la biologie et de la biotechnologie. En  effet, de nombreuses études montrent que les particules de  FePt, grâce à leurs propriétés magnétiques particulièrement intéressantes, et à la possibilité de les  fonctionnaliser,  pourraient  être  utilisées  pour  la  séparation  magnétique,  la  vectorisation  de  médicaments, l'hyperthermie magnétique et les agents de contraste en IRM. 

 

V. Voies explorées vers l'obtention de nanoparticules de fortes