Avantages de l’encapsulation d’un fluorophore dans une matrice de silice

i.Solubilisation de fluorophores hydrophobes

En attachant une molécule polaire de dextran à un fluorophore hydrophobe, la

molécule de fluorophore devient alors hydrosoluble. La synthèse de microémulsion inverse en

conditions acides crée une interaction électrostatique entre le fluorophore et la matrice de

silice chargée négativement, contraignant le fluorophore à rester à l’intérieur de la matrice de

silice

. Cette méthode de synthèse permet donc d’encapsuler de 10 à 100 molécules de

fluorophore très hydrophobes dans les NPSi

. La plupart des fluorophores existants

peuvent être encapsulés dans une matrice de silice, ce qui permet une diversité de l’émission

de fluorescence en fonction des applications.

ii.Amélioration des propriétés photophysiques

La silice est un matériau hydrophile photophysiquement inerte, c’est-à-dire qu’il est

transparent à la lumière visible et qu’il n’est pas impliqué dans les processus de transfert

d’énergie ou d’électrons. Les propriétés photophysiques des NPSi sont donc uniquement dues

au fluorophore encapsulé

. A l’inverse, les matrices photoactives telles que celles

rencontrées dans les nanoparticules d’or ou de titane peuvent être à l’origine de la

photodécomposition ou de l’extinction de la fluorescence du chromophore

.

La fluorescence de l’ensemble cœur / coque des nanoparticules par rapport au

fluorophore libre est fortement améliorée grâce à la présence de la coque de silice qui protège

le fluorophore d’une interaction avec le solvant

. Pour les équipes utilisant l’ajout de

dextran au fluorophore, le ratio de fluorescence entre le fluorophore libre et le fluorophore lié

au dextran et intégré dans une NPSi peut atteindre 10

. Cette augmentation de

fluorescence s’explique par le fait que le dextran permet de stabiliser le fluorophore à

l’intérieur de la matrice de silice et, en s’intercalant entre les molécules de fluorophores,

réduit les phénomènes de quenching de fluorescence

. Cet avantage permet de réduire

considérablement la limite de détection dans les échantillons biologiques.

La coque de silice réduit également le processus de photoblanchiment, à l’origine de la

perte de fluorescence des fluorophores organiques (Figure 23)

. Suite à une irradiation

lumineuse, le fluorophore interagit avec les molécules de dioxygène présentes dans le milieu,

ce qui conduit à la création d’espèces réactives de l’oxygène qui le transforment ou le

détruisent

. Ces phénomènes de modification ou de destruction du fluorophore sont

responsables de la diminution irréversible de la fluorescence

. La présence d’une coque de

silice empêche les réactions entre l’oxygène du milieu et le fluorophore localisé dans le cœur

de la nanoparticule, réduisant ainsi le photoblanchiment

.

A

A

B

Figure 23 : Courbes de photoblanchiment de la tétraméthylrhodamine seule ou encapsulée dans une

nanoparticule suite à une irradiation continue

A : molécule de tétraméthylrhodamine (TMR) seule.

L’utilisation de NPSi évite le recours à des systèmes d’amplification de signal.

Lorsqu’une NPSi est présente dans un organe d’intérêt, ce sont les centaines de molécules de

fluorophore incluses dans la matrice de silice qui seront excitées par la longueur d’onde

incidente. Le signal de fluorescence est ainsi fortement augmenté, ce qui facilite la détection

de faibles quantités de NPSi

.

iii.Biocompatibilité

Bien que des investigations plus approfondies doivent être menées afin de vérifier

l’absence de toxicité des NPSi due à leur petite taille, il est admis que la silice n’est pas

toxique par elle-même

. Les premiers résultats prouvant la biocompatibilité des NPSi ont

été réalisées in vitro sur des cellules en culture avec des tests basés sur leur activité

mitochondriale

. La libération dans le milieu de culture de la lactate déshydrogénase

(LDH), enzyme normalement présente dans le cytoplasme des cellules vivantes, est un indice

de la lésion des membranes cellulaires et a été également utilisé comme test de cytotoxicité

des nanoparticules

.

La toxicité d’un composé étant dépendante de la dose administrée, du temps

d’exposition et de la voie d’administration, il est important d’étudier la toxicité in vivo des

NPSi dans les conditions réelles d’exposition.

La plupart des études portant sur les NPSi étudient leur toxicité in vitro et supposent

que les NPSi sont biocompatibles, non toxiques et non antigéniques

mais il n’existe

que peu de données relatives à leur toxicité in vivo. Cependant, les résultats des tests de

toxicité in vitro sont parfois différents d’un test à l’autre et les modèles in vitro ne reflètent

pas toujours correctement la toxicité in vivo. Il est donc important d’identifier les organes

cibles des NPSi par une étude de biodistribution afin d’orienter les tests de toxicité in vitro et

in vivo

.

iv.Multimodalité

La matrice de silice peut servir de plate-forme pour le greffage d’agents de ciblage tels

que des anticorps, des peptides ou des petites molécules

.

En plus de l’incorporation d’un fluorophore émettant dans le proche infrarouge, les

nanoparticules de silice peuvent porter des agents pour d’autres modalités d’imagerie

permettant de combiner leurs avantages. Ainsi, l’utilisation de gadolinium permet de repérer

les nanoparticules grâce à l’imagerie par résonance magnétique

, le gallium 68 par une

gamma caméra

ou l’iode 124 par tomographie à émission de positons

.

Enfin, les nanoparticules de silice peuvent être fonctionnalisées par l’ajout d’agents

anticancéreux comme un photosensibilisateur

ou la doxorubicine

afin d’ajouter une

composante thérapeutique à leur utilité diagnostique. De telles nanoparticules combinant des

propriétés diagnostiques et thérapeutiques dans une seule et même particule portent l’adjectif

« théranostique ».

Les QDs et les NPSi sont des nanoparticules fluorescentes dont les propriétés

physico-chimiques (taille, revêtement de surface, longueur d’onde d’émission, …)

semblent bien adaptées pour le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche

infrarouge.