EMPA - Nanomédecine Traitement plus doux des tumeurs

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La radiothérapie est l'une des pierres angulaires du traitement du cancer. Toutefois, certains types de tumeurs ne répondent pas ou peu aux radiations.

S'il était possible de rendre les cellules tumorales plus sensibles, le traitement serait plus efficace et plus doux. Des chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich ont réussi à utiliser des nanoparticules d'oxyde métallique comme « radiosensibilisateurs » et à les produire à l'échelle industrielle.

Aujourd'hui, il existe plusieurs méthodes de traitement du cancer, qui peuvent se compléter. On a souvent recours à la radiothérapie, qui peut être associée à la chirurgie et à la chimiothérapie, par exemple. Bien que le traitement par rayonnements ionisants soit utilisé en médecine depuis plus de 100 ans, même l'oncologie moderne n'est parfois pas satisfaite de son efficacité. La raison : les tumeurs malignes ne réagissent pas toujours de manière assez sensible aux rayonnements. « Si la sensibilité des cellules tumorales pouvait être augmentée, la radiothérapie pourrait être plus efficace et plus douce », explique Lukas Gerken, chercheur à l'Empa et à l'ETH Zurich.

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En d'autres termes : Un objectif de traitement souhaité pourrait être atteint avec une dose de rayonnement plus faible qu'actuellement, ou des tumeurs particulièrement résistantes aux rayonnements pourraient même devenir finalement sensibles aux rayonnements. L'équipe dirigée par Lukas Gerken et Inge Herrmann du Laboratoire des interactions particules-biologie de l'Empa à Saint-Gall et du Laboratoire d'ingénierie des systèmes de nanoparticules de l'ETH Zurich travaille donc avec les oncologues de l'Hôpital cantonal de Saint-Gall pour trouver des moyens de sensibiliser les cellules tumorales aux rayonnements.

Les chercheurs ont jeté leur dévolu sur des nanoparticules composées d'oxydes métalliques, qui peuvent agir en tant que radiosensibilisateurs. L'équipe a maintenant réussi à produire ces radiosensibilisateurs en grande quantité et à analyser leur effet de manière plus détaillée. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique « Chemistry of Materials ».

Mûri dans le feu

Dans le domaine de la recherche sur le cancer, des études sont actuellement en cours sur différentes classes de substances pour rendre l'irradiation des tumeurs plus efficace. On ne sait pas encore exactement comment fonctionnent les nanoparticules d'or ou d'oxydes métalliques plus exotiques comme le dioxyde d'hafnium dans ce contexte. On sait qu'une cascade de réactions complexes exerce un stress oxydatif dans les cellules cancéreuses. De cette façon, les mécanismes de réparation des cellules malignes peuvent éventuellement être dépassés.

Afin de rendre les nanoparticules disponibles pour un usage clinique, deux obstacles ont d'abord dû être surmontés : La production par les méthodes classiques de la chimie par voie humide rend difficile la production de quantités à l'échelle industrielle, et il y a un manque d'analyses comparatives sur l'efficacité des différentes substances.

Le chercheur de l'Empa Lukas Gerken a maintenant réussi à produire des radiosensibilisateurs à base d'oxydes métalliques en utilisant une méthode qui convient parfaitement à une application industrielle : Il s'est appuyé sur la synthèse de flamme pour obtenir des oxydes d'hafnium, de zirconium et de titane de la plus haute qualité. « Grâce à la méthode de production, il est même possible de synthétiser plusieurs kilogrammes par jour selon l'usine », explique Lukas Gerken. Pour les analyses de laboratoire de l'Empa, le scientifique s'est toutefois contenté de quelques grammes.

Outil brillant

L'élément chimique hafnium porte le nom de son lieu de découverte, Copenhague (lat. Hafnia). Le chimiste et lauréat du prix Nobel George de Hevesy et le physicien Dirk Coster ont finalement réussi à détecter l'élément du groupe du titane en 1923 au moyen de la spectroscopie à rayons X, alors que plusieurs scientifiques, comme le lauréat du prix Nobel Niels Bohr, n'avaient auparavant que soupçonné son existence. Le hafnium n'est normalement pas présent dans le corps humain et n'est pas toxique. En oncologie, on espère que le hafnium aura un effet de soutien dans le traitement du cancer. Les premiers essais cliniques ont déjà été réalisés avec succès.

Mieux que l'or

Une fois les nanoparticules disponibles en quantités suffisantes, Lukas Gerken a pu examiner les « bijoux » en détail, par exemple à l'aide de la spectroscopie aux rayons X et de la microscopie électronique. Son verdict : « Nous pouvons produire des nanoparticules d'oxyde métallique stériles et de haute qualité qui semblent inoffensives pour les cellules saines de l'organisme », explique le chercheur. Il l'a prouvé à l'aide de cultures cellulaires qu'il a traitées en laboratoire avec différentes suspensions de nanoparticules. Les oxydes métalliques se sont accumulés en grande quantité à l'intérieur des cellules. Le dioxyde d'hafnium était en tête de liste : Ici, un demi-milliard de nanoparticules ont pénétré dans chaque cellule individuelle sans être toxiques. Par rapport aux oxydes métalliques, le nano-or a fait beaucoup moins bien à taille de particule égale : environ 10 à 30 fois moins de particules d'or ont pénétré à l'intérieur des cellules.

Aussi inoffensives que soient initialement ces substances pour les cellules saines, elles déploient puissamment leurs effets lorsqu'elles sont utilisées dans les rayonnements. L'équipe a pu le démontrer en utilisant des lignées de cellules cancéreuses. Si les cultures cellulaires étaient traitées avec des oxydes métalliques puis bombardées par des rayons X, l'effet de destruction augmentait considérablement. Le dioxyde d'hafnium s'est avéré être l'outil le plus puissant : les cellules tumorales traitées avec des particules d'hafnium ont pu être éliminées avec moins de la moitié de la dose de rayonnement. Cette première étude comparative a également montré que le dioxyde d'hafnium fonctionne même quatre fois mieux que le nano-or et le dioxyde de titane. En revanche, les cellules humaines saines (appelées fibroblastes) n'ont montré aucun effet négatif des rayonnements après le traitement par nanoparticules.

Ces résultats rendent Lukas Gerken confiant : « Nous allons poursuivre dans cette voie pour explorer le mécanisme d'action des nanoparticules et optimiser encore leur efficacité. » Il espère que ses études feront ainsi progresser l'application clinique des nanoparticules en radiothérapie. MSM

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