CID 54 Méthodes expérimentales, concepts et instrumentation en sciences de la matière et en ingénierie pour le vivant

IV. Molécules et objets fonctionnels en interaction avec le vivant

Nous nous attacherons dans ce chapitre à donner un aperçu (non exhaustif) des outils chimiques et écologiques développés pour sonder le vivant à l'échelle de la cellule, de l'organisme ou d'une population. Dans certains cas, la sonde sera un simple rapporteur des phénomènes que l'on souhaite observer ; dans d'autres cas, l'objet sera pensé pour interagir avec son environnement, pour avoir une action sur son fonctionnement, que ce soit à des fins de compréhension, à des fins curatives ou encore de biologie synthétique.

A. Molécules en interaction avec le vivant

Parmi les molécules utilisées en imagerie in vivo, on peut distinguer les sondes (qui sont directement détectables) des agents de contraste, qui augmentent artificiellement le contraste entre une structure anatomique (par exemple, un organe) ou pathologique (par exemple, une tumeur), et les tissus voisins. Dans les deux cas, les travaux menés par les chimistes visent à améliorer la solubilité ou la dispersion du composé dans les milieux biologiques, sa stabilité et sa non-toxicité in vivo ainsi que son efficacité en tant qu'agent d'imagerie. L'utilisation de méthodes de synthèse « propre » permet de limiter la concentration en solvant ou en catalyseur résiduel, ces composés ayant souvent un impact négatif sur le vivant. Par ailleurs, un ciblage efficace des composés sonde par le biais d'anticorps, de ligands, ou de peptides de reconnaissance, est souvent souhaité.

Les recherches portent notamment sur le développement de molécules fluorescentes photo-stables et absorbant à une longueur d'onde proche de l'infrarouge pour l'imagerie optique, et sur la synthèse d'agents chélatants performants permettant d'éviter une trans-métallation (échange de métaux) ou une trans-chélation (échange de ligands) in vivo. Dans le domaine de l'IRM, par exemple, les métaux concernés sont le Gd et le Mn d'une part et les lanthanides d'autre part (agents CEST et PARACEST). Les chimistes s'intéressent également au marquage de biomolécules par des radio-nucléotides à temps de demi-vie court (typiquement 11C ou 18F) pour la Tomographie par Émission de Positrons.

La tendance actuelle est d'aller vers des constructions plus complexes, permettant de conjuguer sur une même plate-forme (polymère, biomolécule) une molécule de reconnaissance, et un ou plusieurs agents de détection pour permettre une analyse multimodale et ciblée in vivo. Ces travaux sont rendus possibles par une expertise forte des laboratoires français en méthodes de couplage orthogonales rapides et sélectives.

Un dernier point concerne l'élaboration de molécules sondes capables de réagir in situ à des évènements biologiques spécifiques (réaction enzymatique, variation de pH ou de température, présence d'espèces oxydantes...) en induisant l'apparition (ou la disparition) d'un signal par exemple par quenching de fluorescence, ou décageage d'une molécule sonde. L'objet chimique peut également être conçu pour libérer une molécule qui va interférer avec le processus biologique à des fins de compréhension ou curatives (approche « prodrug ») ; la libération peut se faire par action enzymatique ou par une activation physique telle que la lumière, les rayons X, ou les ultra-sons focalisés.

B. Objets colloïdaux pour l'imagerie et le théragnostic

Les objets colloïdaux particulaires sont utilisés depuis de nombreuses années en tant que plate-forme de diagnostic in vitro. L'enjeu actuel est de réaliser des analyses à grande échelles, en parallèle, le plus rapidement possible (« high throughput ») et de détecter des quantités toujours plus petites. Par exemple, l'utilisation de particules magnétiques fonctionnelles, interagissant de manière très spécifique avec certaines protéines ou biomolécules, combinée à des approches de type microfluidique, permet de réaliser un tri magnétique de cellules.

Plus récemment, l'utilisation des objets colloïdaux en tant qu'outil de détection in vivo s'est beaucoup développée avec notamment la synthèse de plate-formes de détection multimodales. Qu'il s'agisse de suspensions gazeuses ou liquides perfluorées pour l'imagerie ultrasonore, de particules métalliques ou organiques pour l'imagerie optique ou par IRM, ou d'objets plus complexes permettant une détection multimodale, le contrôle de leur état de surface est crucial pour garantir leur stabilité in vivo et permettre une interaction spécifique entre la sonde et sa cible (biomolécule, cellule, tissu). Le devenir de ces objets et des composés issus de leur dégradation dans l'organisme reste l'objet de nombreux travaux, notamment depuis l'émergence de la controverse sur la toxicité des nanoparticules.

Les nanotechnologies ont également largement participé à l'essor de la nanomédecine qui exploite des nano assemblages pour imager des processus biologiques ou physiopathologiques et/ou pour transporter un médicament (siRNA, molécules anticancéreuse...) dans le corps d'une manière contrôlée depuis le site d'administration jusqu'à un site cible. Cette approche vise 1/ l'augmentation de la sensibilité des méthodes d'imagerie (fonction agent de contraste), 2/ l'accès à une information de nature métabolique ou moléculaire (marquage), 3/ l'amélioration de la biodistribution du principe actif en favorisant son accumulation sur le site cible au détriment du reste de l'organisme (contrôle de la livraison du principe actif). Ceci a pour effet de réduire les effets secondaires des traitements appliqués par voie systémique. Pour les systèmes in vivo, le grand challenge est d'arriver à atteindre une cible de façon spécifique, sans que le système immunitaire n'ait « phagocyté » l'objet. Le contrôle des caractéristiques physico-chimiques de l'objet (taille, nature et polarité de la surface, nature des ligands) permet de limiter fortement la capture par le système immunitaire et d'augmenter l'efficacité du ciblage.

L'encapsulation conjointe d'une molécule active et d'un agent de contraste d'imagerie permet de suivre in situ la biodistribution des vecteurs dans l'organisme et leur éventuelle accumulation sur le site cible. Ces vecteurs agents d'imagerie sont appelés agents « théragnostiques ». Plusieurs modalités d'imagerie peuvent être utilisées pour révéler la distribution des médicaments (IRM, ultrasons, imagerie optique...) au voisinage de la cible thérapeutique et l'effet thérapeutique correspondant. Enfin, certains objets sont conçus pour être activables, c'est-à-dire capables de relarguer leur contenu sous l'action d'un stimulus extérieur, uniquement au voisinage de la cible.

De nombreuses solutions sont à l'étude, nécessitant des approches fortement multi- et interdisciplinaires (chimie, physique, imagerie, biologie, pharmacologie, médecine...) :

– nano plate-formes (nanogels, nanoparticules et nanocapsules, microbulles et nanobulles, liposomes, polymersomes) multifonctions activables et contrôlables à distance par champs magnétiques, la lumière, ou par ultrasons ;

– quantum dots, nanofils, nanotubes de carbone, nanoparticules d'or ;

– nanoaimants pour l'imagerie, la thérapie cellulaire, l'ingénierie tissulaire.

La communauté de chimistes travaillant à l'interface chimie-imagerie-biologie s'est structurée notamment autour de France Bio Imaging et France Life Imaging. Si le développement de ces outils chimiques est généralement bien accueilli au sein des sections disciplinaires correspondantes, les études plaçant la question biologique en avant trouvent leur place au sein de cette CID. De telles études, alliant chimie, techniques d'imagerie et questionnement biologique, sont par nature fortement interdisciplinaires. Toutefois l'accessibilité pour les biologistes à des composés développés par les chimistes reste une des difficultés de ce type d'approche. Dans un contexte de marché en pleine croissance, on peut également regretter le faible nombre de vecteurs actuellement mis sur le marché. La difficulté vient essentiellement de la procédure longue et coûteuse pour faire valider une formulation médicamenteuse.

C. Sondes écologiques

Les organismes équipés d'appareils enregistreurs ou transmetteurs agissent à la manière de sondes environnementales car ils réagissent et ajustent leurs paramètres comportementaux et physiologiques de manière spécifique aux stimuli provenant de l'environnement. L'organisme et l'instrumentation qu'il véhicule vont non seulement nous renseigner sur l'état de l'environnement dans lequel il évolue – à des échelles spatiales et temporelles immédiates et donc pertinentes pour comprendre la biologie de l'organisme – mais aussi sur la plasticité de réaction de l'organisme en interaction avec son environnement. Cette approche, retrouvée dans la littérature sous les dénominations de biotélémétrie (transmission d'information) et bio-logging (enregistrement d'information in situ), est interdisciplinaire par essence car elle concerne la biomédecine, la physiologie, l'écologie comportementale, l'écophysiologie, mais aussi les sciences de l'univers tels que l'océanographie, la météorologie, et la géographie. Au niveau français, les laboratoires qui s'intéressent à ce type d'approches sont également à la pointe du développement dans un domaine connexe d'instrumentation en écologie : l'identification automatisée des organismes en conditions naturelles. Cette approche repose sur l'injection de puces RFID (Radio-Frequency Identification) porteuses d'un numéro d'identification unique dans un organisme, classiquement appartenant à la catégorie des vertébrés supérieurs (du poisson aux mammifères terrestres de taille suffisante pour accommoder des puces d'au minimum quelques millimètres de long). Le numéro d'identification de ces puces sera ensuite lu à distance par des antennes portables ou fixes qui permettront ainsi de reconstruire une partie des allées et venues de l'organisme et de les relier aux variations des caractéristiques biotiques et abiotiques de l'environnement. Si le suivi RFID présente un découplage spatio-temporel entre l'identification de l'organisme et les conditions environnementales par rapport aux approches de type biotélémétrie/bio-logging, il permet toutefois de s'intéresser à un grand nombre d'individus simultanément et donc de réaliser des suivis d'un très grand nombre d'individus, s'approchant presque du niveau des populations.

Enfin, il convient d'intégrer à ce chapitre les sondes écologiques qui prennent la forme de molécules chimiques émises par les organismes dans leur environnement. Ces molécules, souvent appelées « métabolites secondaires » sont impliquées dans les interactions entre les organismes et leur environnement car elles représentent les vecteurs principaux dans les processus de communication chimique et sont également impliquées dans la réponse des organismes aux changements environnementaux. Les métabolites secondaires contribuent donc significativement à la structuration de la biodiversité et au fonctionnement des écosystèmes. Dans ce cadre, la métabolomique, qui représente l'un des quatre domaines « omiques », possède de nombreuses applications en écophysiologie, en écotoxicologie et en écologie chimique pour identifier des composés bioactifs impliqués dans les interactions écologiques. Dans le paysage scientifique français, les plate-formes et plateaux techniques de métabolomique couvrent ainsi un champ d'investigation large mais qui est naturellement dominé par les applications médicales, toxicologiques, agro-alimentaires et agronomiques. Toutefois, et au vu de l'important essor que connaît la métabolomique environnementale, il apparaît capital de développer ce type de plateaux techniques au sein de laboratoires d'écologie.