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Michel Le Toullec

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- Brillants de mille feux, ils constituent l'application la plus prometteuse des nanotechnologies et permettent d'observer des mécanismes biologiques par simple microscopie optique.

L'imagerie biologique sera-t-elle la première grande application des nanotechnologies ? Peut-être. Des nanocristaux semi-conducteurs sont en effet sur le point de révolutionner cette discipline en termes de qualité d'images et de débouchés possibles. Ils sont connus sous leur patronyme anglo-saxon de quantum dots ("points quantiques"). Cette génération de marqueurs fluorescents, très brillants, permet d'observer, par microscopie optique, les cellules ou les organes les plus inaccessibles. Le potentiel de cette approche est vertigineux : dans leurs laboratoires, des chercheurs ont ainsi localisé finement des cellules cancéreuses au tout début de leur développement et observé des interactions moléculaires entre neurones !

Les quantum dots sont des cristaux semi-conducteurs à base de sulfure et/ou de séléniure de cadmium et/ou de zinc. Leur dimension ne dépasse pas les nanomètres. Il s'agit donc bien de nano-objets, l'une des branches de la famille des nanobiotechnologies. L'échelle nanométrique confère à ces cristaux des propriétés électroniques et optiques bien particulières, grâce à l'effet de confinement. Ces propriétés obéissent alors aux lois de la physique quantique, d'où leur nom. On parle alors de l'effet quantique de la taille des particules. Au sein de ces nanocristaux, le confinement des porteurs de charge se traduit par un déplacement des transitions électroniques et a donc une influence directe sur la fluorescence des cristaux.

Explorer les fonctions d'un organe

Les quantum dots présentent de sérieux avantages par rapport aux marqueurs fluorescents organiques classiques comme la fluorescéine, la rhodamine... Ces derniers sont très sensibles au photoblanchiment, à savoir la perte d'émission de fluorescence après une certaine durée d'excitation. À l'opposé, les quantum dots sont très photostables. Cette caractéristique permet de suivre des mécanismes biologiques dans le temps (plusieurs heures voire plusieurs jours) et autorise la détection de cibles peu abondantes.

Autre atout : les quantum dots sont environ mille fois plus brillants que les marqueurs fluorescents organiques. Enfin, selon leur taille, ces nanocristaux émettent à des longueurs d'ondes différentes.

Pour produire des cristaux à cette échelle, les chercheurs ont développé une approche particulière, à partir de précurseurs organométalliques injectés à haute température dans un solvant. Les nanocristaux produits sont alors recouverts de ligands organiques pour les préserver de la dégradation chimique. Ils sont également encapsulés pour améliorer leur biocompatibilité et fonctionnalisés avec des protéines ou d'autres molécules biologiques afin qu'ils reconnaissent la cible qu'ils doivent marquer. Le fin du fin consiste alors à les rendre solubles dans l'eau afin de pouvoir les injecter directement dans l'organisme.

Les premières applications des quantum dots concernent la bio-imagerie in vitro. Les chercheurs injectent le marqueur dans l'échantillon biologique. Bombardé de photons, les nanocapteurs émettent alors leur lumière très brillante qui est observée par microscopie confocale ou biphotonique. Cette approche in vitro commence tout juste à s'appliquer à la recherche sur la santé humaine.

Pour les analyses in vivo, seules des expérimentations sur animaux sont autorisées. Fonctionnalisés par des anticorps spécifiques, les quantum dots injectés dans l'organisme reconnaissent leur cible et s'y accumulent. En adaptant un laser (pour l'excitation des points quantiques) à un endoscope, on peut observer par vidéomicroscopie une cellule, suivre un processus biologique ou explorer les fonctions d'un organe.

Quid du diagnostic in vivo chez l'homme ? « Pour pouvoir être injectés chez l'homme, les quantum dots doivent passer des tests de toxicité, précise Arnaud Paris, consultant chez Alcimed. En tant qu'agents de contraste, ils sont considérés comme des médicaments et doivent satisfaire aux exigences des autorités sanitaires. Or, le cadmium contenu dans ces nanocristaux est hautement toxique. »

Au stade de la recherche en France

L'imagerie in vivo est envisageable parce que les quantum dots ont été rendus solubles dans l'eau. Un exploit réalisé par la toute première société créée sur ce créneau et qui s'appelle tout simplement... Quantum Dot (Hayward, Californie). Fondée en 1998, elle commercialise ses points quantiques en séléniure de cadmium et sulfure de zinc depuis début 2003. « Nos marqueurs Qdot sont conjugués à des biomolécules (streptavidine, biotine), à la protéine A, ainsi qu'à des anticorps primaires et secondaires », explique Patricia Whaley, directrice technique chez Quantum Dot. Ils sont distribués en France par Ozyme (Saint-Quentin-en-Yvelines).

Quantum Dot vient, par ailleurs, de signer un contrat majeur avec le National Institute of Standards and Technology pour développer un point quantique pour imagerie clinique humaine, destinée aux maladies oculaires et aux cancers. La société Evident Technologies (Troy, New York) propose, quant à elle, les quantum dots EviFluor, en tellurure et sulfure de cadmium, fonctionnalisés à la biotine. En Europe, le seul producteur de quantum dots pour l'imagerie biologique est le britannique Nanoco (Manchester).

La France est également présente sur le créneau des quantum dots, mais uniquement au niveau de la recherche. Ainsi, à l'École supérieure de physique et chimie industrielles de la Ville de Paris (ESPCI), Benoît Dubertret travaille sur l'amélioration de biocompatibilité des nanocristaux. « Notre approche consiste à les encapsuler dans des micelles de phospholipides et de copolymères-blocs, explique-t-il. Nous avons réussi à les utiliser pour de l'imagerie in vitro et in vivo. S'ils sont conjugués à de l'ADN, il devient possible de marquer spécifiquement les séquences complémentaires. »

À l'École normale supérieure (Paris), des points quantiques ont permis la visualisation de mécanismes moléculaires au niveau des synapses, lieu de jonction où s'opère la communication entre deux neurones. Ces travaux se prolongent actuellement dans le domaine de la pharmacologie des synapses. L'École polytechnique (Palaiseau) n'est pas en reste avec ses quantum dots dopés par des ions lanthanides luminescents. Ces nanoparticules présentent l'avantage de ne pas « clignoter » et conviendraient, par exemple, au suivi d'agents pathogènes dans les cellules. Un partenariat dans ce sens a été signé avec l'Institut Pasteur.

Enfin, au moment où les nanocristaux semi-conducteurs trouvent leur voie, une autre famille pointe à l'horizon. En août 2004, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont annoncé un marquage biologique avec des quantum dots solubles à base... d'or. Avec un atout majeur à la clé : l'absence de toxicité.

...quantum dots ?

Ces nanocristaux semi-conducteurs révolutionnent l'imagerie biologique - Ce sont des marqueurs fluorescents dont la surface est fonctionnalisée par des molécules spécifiques leur permettant de reconnaître leur cible (une cellule) et de s'y accumuler. - Excités par une source lumineuse comme un laser, ils émettent à leur tour une lumière très brillante visualisée par microscopie. - On parvient ainsi à localiser la cellule colonisée et à observer et les mécanismes biologiques qui s'y produisent. Pour des applications in vitro et in vivo - Localisation très précise de cellules cancéreuses ou de métastases. - Observation de la croissance de vaisseaux sanguins. - Suivi d'agents pathogènes au sein d'une cellule. - Exploration des mouvements moléculaires dans et sur les cellules. - Marquage spécifique de séquences complémentaires d'ADN. Avec d'énormes atouts Par rapport aux marqueurs fluorescents organiques classiques, ils présentent des avantages majeurs : - Une brillance mille fois plus forte ; - Qui dure beaucoup plus longtemps ; - Et une émission de fluorescence variable selon la taille des nanocristaux.

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