Claire Wilhelm : Des Nano-aimants au coeur du vivant

Claire Wilhelm : Des Nano-aimants au coeur du vivant
Claire Cochet
Arthur Stril
Séminaire FIP - 19 février 2008
Résumé
L'utilisation de nano-particules magnétiques apporte des potentialités inédites à l'étude du vivant :
elles sont à la fois manipulables par des champs magnétiques, détectables par l'imagerie médicale IRM, et
sources de chaleur dans un champ alternatif. Ces nano-robots magnétiques s'insèrent à l'intérieur de petites
vésicules (les endosomes). Il devient alors possible de manipuler les endosomes magnétiques dans l'espace
intracellulaire, d'inuencer la migration des cellules magnétiques par une force à distance, de traquer les
cellules magnétiques dans l'organisme par IRM, ou encore de tuer des cellules malignes par hyperthermie
magnétique.
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Le principe
Le sens magnétique
La plupart des animaux ne sont pas sensibles au champ magnétique. Pourtant, quelques animaux comme
les abeilles ou certaines bactéries possèdent un aimant interne qui leur permet de s'orienter par rapport à un
champ magnétique extérieur. Cet aimant est sous la forme de cristaux magnétiques situés dans le cerveau des
animaux ou la bactérie elle-même. L'idée est alors de reproduire ce phénomène.
Fig.
1 Bactérie magnétique : Magnetospirillum magnetotacticum
On utilise des nano-particules, qui sont à l'échelle des protéines : leur petite taille les rend idéales pour être
implantées dans les cellules (1000 à 10000 fois plus grandes).
Absorption des nano-aimants par la cellule
La cellule peut absorber des organismes qui lui sont extérieurs de deux manières :
Par endocytose : une partie de la membrane entoure complètement la particule, qui pénètre ainsi dans
une vésicule. Elle est alors transportée à l'intérieur de la cellule.
Par phagocytose : la particule est directement absorbée par la cellule. Ceci peut se produire avec des
particules bien plus grandes, jusqu'à la moitié de la taille de la cellule.
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Claire Wilhelm : Des Nano-aimants au coeur du vivant - Séminaire FIP rapporté par C. Cochet et A. Stril
Fig.
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2 Gauche : endocytose. Droite : phagocytose.
On introduit alors dans le milieu cellulaire un liquide magnétique qui comporte des particules de 5 à 20 nm de
diamètre. Chacune est un nano-aimant. On constate par microscopie électronique que les cellules absorbent bien
les particules : soit par endocytose, dans de petites vésicules (100 nm) qui contiennent jusqu'à 104 particules,
soit par phagocytose, les billes magnétiques pouvant alors atteindre 2,8 µm.
Fig.
3 Observation du processus de phagocytose
Les cellules étant rendues magnétiques, on souhaite maintenant manipuler leurs éléments internes à distance,
par des champs magnétiques externes.
Manipulation des aimants
Cette fois-ci, on travaille avec des cellules vivantes. Celles-ci possèdent un cytosquelette dynamique, une
architecture que l'on souhaite sonder. Pour cela, on applique un champ magnétique extérieur : les aimants
s'alignent dans sa direction, formant des endosomes ou des phagosomes (selon le processus d'intégration cellulaire), véritables chaînes d'aimants. Puis on applique un champ magnétique tournant, à divers régimes :
rotation instantanée (pulse de champ) : on mesure certaines propriétés physiques de la cellule à partir
d'un modèle mécanique (voir ci-dessous)
rotation permanente (champ tournant) : on mesure la viscosité locale, en régime permanent
petites oscillations : on mesure les modules visco-élastiques G' et G. Ces modules contiennent la caractérisation mécanique de la cellule. On constate qu'ils suivent une loi de puissance en fonction de la fréquence,
ce qui traduit une innité de temps de relaxation (d'oscillateurs harmoniques parfaits couplés) : la cellule
est un système complexe.
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Fig. 4 Un modèle mécanique : en noir, les nano-aimants. On mesure les coecients du modèle en étudiant la
rotation de la chaîne sous l'eet d'un pulse de champ.
En plus d'être un système complexe, les observations conrment que la cellule est un système hors-équilibre.
En eet, le théorème de uctuation-dissipation introduit un lien entre la dissipation et l'intensité des uctuations.
Si on l'applique à la cellule, on obtient une température eective près de 100 fois supérieure à la température
réelle. Il y a donc un apport d'énergie interne (molécule ATP) : la cellule n'est pas à l'équilibre.
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Applications biophysiques
Chaque cellule étant un aimant,
sous l'eet d'un
gradient
de champ magnétique, toutes les cellules avancent
−
→ −−→ →
−−→
−
−
dans le sens de ce gradient : →
F = −grad(Ep ) = M .grad( B ). Une mesure de leur vitesse donne ainsi une mesure
→
de −
M : on peut remonter à la quantité de fer absorbé par la cellule.
Des pointes ou microcanaux sources de champ magnétique peuvent ainsi permettre de :
trier les cellules en fonction de leur magnétisme (gure ci-dessous)
créer un tissu cellulaire : on introduit une pointe dans une culture de cellules, celles-ci migrent vers elle et
s'y collent
faire des motifs de cellules magnétiques
Fig.
5 Sélection des cellules selon la quantité de nano-aimants absorbée
Un ranement supplémentaire consiste à contrôler la migration cellulaire dans des cellules adhérentes et
non plus libres. Ces cellules développent d'importantes forces adhérentes et motrices : quelques nN. Un exemple
est présenté ci-dessous.
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Un exemple : le cycle de morphogenèse de
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Dictyostelium Discoeideum
Ce sont des cellules individuelles qui, lorsqu'elles manquent de nourriture, forment des agrégats ressemblant
à des vers qui migrent plus facilement vers les sources de nourriture. Une fois arrivées, elles explosent en cellules
individuelles. L'absorption de nano-aimants ne perturbe pas leur fonctionnement puisqu'on retrouve toujours les
agrégats. En revanche, on peut forcer les cellules à s'agréger dans la direction d'un champ magnétique externe.
La magnétotaxie concurrence alors la chimiotaxie, et on peut mesurer la force développée par cette dernière.
Fig.
6 Magnétotaxie en fonction de la force magnétique appliquée
Sur cette gure, on constate que le seuil est de 14-33 pN pour fortes densités cellulaires (à droite) et de
30-76 pN pour de faibles densités cellulaires (à gauche). Par l'intermédiaire des nano-particules magnétiques,
on perturbe et mesure l'auto-organisation cellulaire.
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Applications biomédicales
La biocompatibilité
Il faut tout d'abord s'assurer que les cellules sont vivantes, qu'elles conservent leur fonctionnement en plus
de leurs propriétés magnétiques. C'est eectivement le cas. D'une part, les cellules continuent à se diviser.
D'autre part, elles conservent leurs propriétés, notamment thérapeutiques (régénération musculaire, réparation
d'un anévrisme, formation de vaisseaux, inltration tumorale...).
Suivi des cellules dans l'organisme
Un des avantages des nano-aimants est que, très succintement, ils diminuent le temps de relaxation du proton
en créant un champ local. Les cellules magnétiques apparaissent donc noires à l'IRM, et peuvent être pistées.
On peut ainsi observer une régression tumorale ou la réparation d'un anévrisme étape par étape. La cellule joue
ainsi le rôle d'agent de contraste IRM. L'imagerie est non invasive, contrairement aux méthodes classiques qui
nécessitent de tuer l'animal.
Utilisation de nanovecteurs
On cherche à faire parvenir de manière non invasive un médicament au plus près de sa cible. Pour cela, on
le cache sous une membrane lipidique : un liposome. En formant des magnéto-liposomes, on peut injecter le
médicament et le guider vers la tumeur par vectorisation, ce qui est encore une méthode non invasive.
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Hyperthermie magnétique
Avec un champ magnétique oscillant à haute fréquence (700 kHz), on fait chauer les cellules par frottement
des nano-aimants en rotation rapide. Le but serait de passer à une application in vivo (car in vitro on ne tue que
les cellules de culture implantées !) pour cibler et provoquer la mort des cellules tumorales ou cancéreuses. Les
recherches en cours portent sur l'optimisation de la taille des nano-particules et un ciblage accru : aujourd'hui
cette méthode est utilisée, mais nécessite d'implanter un grand nombre de nano-aimants, et de faire chauer
jusqu'à des températures pouvant atteindre 50C .
Fig.
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7 Accumulation de magnétoliposomes dans la microcirculation intracérébrale
Conclusion
Les particules magnétiques sont des agents multifonctions, sources d'applications variées, dont le grand atout
est d'être non invasives, puisqu'elles reposent sur des champs magnétiques externes.