Comprendre la cytotoxicité des nanoparticules métalliques

Publié par Isabelle le 13/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
Un des enjeux majeurs des nanoparticules est leur biocompatibilité. En utilisant les outils de la science des surfaces, les chercheurs analysent ici le rôle du métal dans l'interaction de nanoparticules métalliques avec des molécules impliquées dans la défense des cellules contre l'oxydation (catéchols). Ils révèlent ainsi un mécanisme catalysé par le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) entrainant leur propre oxydation et pouvant expliquer la toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα...) des nanoparticules.


Représentation de la surface de la nanoparticule de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) avec la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de catéchol HHTP (hexahydroxytriphenylene).
Crédit: Johann Coraux, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel (CNRS/Université Grenoble Alpes).

Le stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général...) oxydant est l'un des processus souvent incriminés à la genèse de nombreuses maladies, notamment les cancers. Il est caractérisé par la production dans les cellules d'espèces oxydantes appelées ROS (reactive oxygen species), qui peuvent altérer l'ADN. La production des ROS découle de processus de transfert d'électrons faisant intervenir des cations métalliques. Heureusement, le plus souvent les cellules possèdent des systèmes efficaces d'autodéfense qui préviennent la formation des ROS, notamment grâce à des molécules de la famille des catéchols (des molécules aromatiques possédant au moins deux fonctions alcool adjacentes). Les mécanismes d'action impliquant des nanoparticules sont connus lorsqu'elles sont constituées d'oxydes métalliques. Ce n'est pas le cas pour les nanoparticules métalliques (non oxydées), alors même qu'elle se révèlent plus toxiques encore.

Des chercheurs, spécialistes de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) des surfaces à l'Institut Néel (NEEL, CNRS/Université Grenoble Alpes), à l'Institut Franche-Comté Electronique Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) Thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et Optique-Sciences et Technologies (FEMTO-ST, CNRS/COMUE Univ. Bourgogne-Franche-Comté/Univ. Franche-Comté/Univ. de technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de Belfort Montbéliard/Ecole nationale supérieure de mécanique et des microtechniques), à l'Institut de la science des matériaux (La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie...) de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le...) (Espagne), à l'Institut des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) de Trieste (Trieste (anciennement Tergeste en latin), est une ville d'Italie, d'environ 205 000 habitants...) (Italie) et à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Polytechnique de Cartage, ont mis à jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) un mécanisme d'oxydation interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) des agents de défense des cellules eux-mêmes, catalysé par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec une surface métallique étudiée dans des conditions de ultra-haut vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Ces résultats, qui indiquent une origine possible à la cytotoxicité de la surface de nanoparticules métalliques, sont publiés dans la revue Chemical Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...).

Pour comprendre et modéliser le rôle de la surface des nanoparticules, les chercheurs ont concentré leur étude sur une couche de molécules de catéchol adsorbées sur une surface de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (particulièrement stable) du cuivre. En associant l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de molécules individuelles par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...), l'analyse à haute résolution par rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs...) de la composition de chaque molécule, et des calculs de type ab initio, ils ont révélé la transformation des molécules, étape par étape.

Ils montrent que contrairement aux surfaces d'oxydes métalliques, la surface de cuivre catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...) une réaction d'oxydo-réduction très particulière, dite intramoléculaire: les molécules de catéchol voient leurs fonctions alcool oxydées alors que d'autres fonctions sont réduites, grâce à un transfert d'électrons entre les substituants d'une même molécule. La molécule devient ainsi une semiquinone, puis une quinone, deux espèces connues pour être des ROS agressifs. Cette transformation est gouvernée par l'alignement des niveaux électroniques de la surface de cuivre et des molécules, la surface de cuivre "forçant" la molécule à se transformer pour interagir avec elle. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) cela se produit sans oxydation de la surface métallique, qui conserve donc sa propension à générer des ROS, d'où sa potentielle cytotoxicité.

L'étude propose ainsi un mécanisme d'action des surfaces des nanoparticules métalliques qui dégradent les agents de défense des cellules en les transformant en agents ROS susceptibles d'altérer l'ADN cellulaire. Elle illustre la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des outils de la science des surfaces pour décrypter l'évolution de systèmes a priori très complexes, y compris vivants. Ce travail est amené à se prolonger pour valider en milieu biologique le mécanisme d'action des nanoparticules métalliques et ouvrir de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes d'altération de l'ADN.


Figure 1: Photographie du microscope à effet tunnel. Crédit: FEMTO-ST, L. Godard-UFC.

Référence:
Copper-assisted oxidation of catechols into quinone derivatives.
A.-C. Gómez-Herrero, C. Sánchez-Sánchez, F. Chérioux, J.- I. Martínez, J. Abad, L. Floreano, A. Verdini, A. Cossaro, E. Mazaleyrat, V. Guisset, P. David, S. Lisi, J.-A. Martín Gago et J. Coraux. Chem. Sci. volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 12, pages 2257-2267. Publié le 21 décembre 2020.
DOI: 10.1039/D0SC04883F.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes hal

Contacts:
- Johann Coraux - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut Néel - johann.coraux at neel.cnrs.fr
- Frédéric Chérioux - Chercheur CNRS, Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) – sciences et technologies - frederic.cherioux at femto-st.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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