Développer des nanoparticules pour détecter et tuer les pathogènes multi-résistants

Les agents pathogènes multi-résistants sont un problème sérieux et croissant dans la médecine d’aujourd’hui. Lorsque les antibiotiques sont inefficaces, ces bactéries peuvent provoquer des infections potentiellement mortelles. Des chercheurs de l’Empa et de l’ETH Zurich développent actuellement des nanoparticules qui peuvent être utilisées pour détecter et tuer les agents pathogènes multi-résistants qui se cachent à l’intérieur des cellules de notre corps. L’équipe a publié l’étude dans le numéro actuel de la revue Nanoscale.

Dans la course aux armements «l’humanité contre les bactéries», les bactéries sont actuellement en avance sur nous. Nos anciennes armes miracles, les antibiotiques, échouent de plus en plus fréquemment lorsque les germes utilisent des manœuvres délicates pour se protéger des effets de ces médicaments. Certaines espèces se retirent même à l’intérieur des cellules humaines, où elles restent «invisibles» pour le système immunitaire. Ces agents pathogènes particulièrement redoutés comprennent les staphylocoques multirésistants (SARM), qui peuvent provoquer des maladies potentiellement mortelles telles que la septicémie ou la pneumonie.

Afin de traquer les germes dans leurs cachettes et de les éliminer, une équipe de chercheurs de l’Empa et de l’ETH Zurich développe actuellement des nanoparticules qui utilisent un mode d’action complètement différent des antibiotiques conventionnels: alors que les antibiotiques ont du mal à pénétrer les cellules humaines, ces nanoparticules , en raison de leur petite taille et de leur structure, peuvent pénétrer la membrane des cellules affectées. Une fois sur place, ils peuvent combattre les bactéries.

Bioglass et métal

L’équipe d’Inge Herrmann et Tino Matter a utilisé l’oxyde de cérium, un matériau aux propriétés antibactériennes et anti-inflammatoires sous sa forme nanoparticulaire. Les chercheurs ont combiné les nanoparticules avec un matériau céramique bioactif appelé bioglass. Le bioglass présente un intérêt dans le domaine médical car il possède des propriétés régénératrices polyvalentes et est utilisé, par exemple, pour la reconstruction des os et des tissus mous.

Ils ont ensuite synthétisé des hybrides de nanoparticules fabriquées à la flamme, constitués d’oxyde de cérium et de bioglass. Les particules ont déjà été utilisées avec succès comme adhésifs pour plaies (https: //www.empa.ch /de /la toile/s604 /empa-innovation-award-2020), grâce auquel plusieurs propriétés intéressantes peuvent être utilisées simultanément: grâce aux nanoparticules, le saignement peut être arrêté, l’inflammation peut être atténuée et la cicatrisation des plaies peut être accélérée. De plus, les nouvelles particules montrent une efficacité significative contre les bactéries, alors que le traitement est bien toléré par les cellules humaines.

Récemment, la nouvelle technologie a été brevetée avec succès. L’équipe a maintenant publié ses résultats dans la revue scientifique Nanoscale dans le « Emerging Investigator Collection 2021 ».

Destruction des germes

Les chercheurs ont pu montrer les interactions entre les nanoparticules hybrides, les cellules humaines et les germes en utilisant la microscopie électronique, entre autres méthodes. Si les cellules infectées étaient traitées avec les nanoparticules, les bactéries à l’intérieur des cellules commençaient à se dissoudre. Cependant, si les chercheurs bloquaient spécifiquement l’absorption des particules hybrides, l’effet antibactérien avait disparu.

Le mode d’action exact des particules n’est pas encore entièrement compris. Il a été démontré que d’autres métaux ont également des effets antimicrobiens. Cependant, le cérium est moins toxique pour les cellules humaines que, par exemple, l’argent. Les scientifiques supposent actuellement que les nanoparticules affectent la membrane cellulaire des bactéries, créant des espèces réactives de l’oxygène qui conduisent à la destruction des germes. La membrane des cellules humaines étant structurellement différente, nos cellules ne sont pas affectées par ce processus.

Les chercheurs pensent que la résistance est moins susceptible de se développer contre un mécanisme de ce type.

De plus, les particules de cérium se régénèrent avec le temps, de sorte que l’effet oxydant des nanoparticules sur les bactéries peut recommencer. « 

Tino Matter, chercheur Empa

De cette manière, les particules de cérium pourraient avoir un effet durable.

Ensuite, les chercheurs souhaitent analyser plus en détail les interactions des particules dans le processus d’infection afin d’optimiser davantage la structure et la composition des nanoparticules. L’objectif est de développer un agent antibactérien simple et robuste, efficace à l’intérieur des cellules infectées.

Germes délicats

Parmi les bactéries, il existe des agents pathogènes particulièrement sournois qui pénètrent dans les cellules et sont donc invisibles pour le système immunitaire. C’est ainsi qu’ils survivent aux moments où la défense du corps est en alerte. Ce phénomène est également connu pour

staphylocoques. Ils peuvent se retirer dans les cellules de la peau, du tissu conjonctif, des os et même du système immunitaire. Le mécanisme de cette persistance n’est pas encore entièrement compris.

Les staphylocoques sont pour la plupart des germes inoffensifs qui peuvent être trouvés sur la peau et les muqueuses. Dans certaines conditions, cependant, les bactéries inondent le corps et provoquent une inflammation sévère, voire entraînent un choc toxique et une septicémie. Cela fait des staphylocoques la principale cause de décès par infection avec un seul type d’agent pathogène.

Le nombre croissant d’infections à staphylocoques qui ne répondent plus au traitement antibiotique est particulièrement précaire. Les SARM, germes multi-résistants, sont particulièrement redoutés dans les hôpitaux où, en tant que pathogènes nosocomiaux, ils provoquent des infections de plaies mal traitables ou colonisent les cathéters et autres équipements médicaux. Au total, environ 75 000 infections hospitalières surviennent chaque année en Suisse, dont 12 000 mortelles.

Cérium: touche-à-tout parmi les éléments chimiques

L’élément chimique cérium a été injustement nommé d’après la planète naine Cérès; le métal argenté fait actuellement sensation. En tant qu’oxyde de cérium, il est incorporé dans les convertisseurs catalytiques des voitures, et il est également utilisé dans la fabrication de produits aussi divers que les fours autonettoyants, les pare-brise et les diodes électroluminescentes (LED). Ses propriétés antimicrobiennes et anti-inflammatoires le rendent également intéressant pour les applications médicales.