Un capteur implantable à base de nanoparticules d’or révolutionne le diagnostic médical

L’idée de capteurs implantables qui transmettent en permanence des informations sur les valeurs vitales et les concentrations de substances ou de médicaments dans le corps fascine depuis longtemps les médecins et les scientifiques. De tels capteurs permettent une surveillance constante de la progression de la maladie et du succès thérapeutique. Cependant, jusqu’à présent, les capteurs implantables n’étaient pas adaptés pour rester dans le corps de manière permanente mais ont dû être remplacés après quelques jours ou semaines. D’une part, il y a le problème du rejet d’implant car le corps reconnaît le capteur comme un corps étranger. D’autre part, la couleur du capteur qui indique les changements de concentration a été instable jusqu’à présent et s’est estompée avec le temps.

Des scientifiques de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ont mis au point un nouveau type de capteur implantable qui peut être utilisé dans le corps pendant plusieurs mois. Le capteur est basé sur des nanoparticules d’or de couleur stable qui sont modifiées avec des récepteurs pour des molécules spécifiques. Intégré dans un tissu polymère artificiel, le nanor est implanté sous la peau où il signale des changements dans les concentrations du médicament en changeant sa couleur.

L’implant rapporte des informations sous la forme d’un « tatouage invisible »

Le groupe de recherche du professeur Carsten Sönnichsen à la JGU utilise des nanoparticules d’or comme capteurs pour détecter de minuscules quantités de protéines dans des cellules à écoulement microscopiques depuis de nombreuses années. Les nanoparticules d’or agissent comme de petites antennes pour la lumière: elles l’absorbent et la diffusent fortement et, par conséquent, semblent colorées. Ils réagissent aux altérations de leur environnement en changeant de couleur. L’équipe de Sönnichsen a exploité ce concept pour la détection médicale implantée.

Pour empêcher les minuscules particules de nager ou d’être dégradées par les cellules immunitaires, elles sont incorporées dans un hydrogel poreux avec une consistance tissulaire. Une fois implantés sous la peau, de petits vaisseaux sanguins et des cellules se développent dans les pores. Le capteur est intégré dans le tissu et n’est pas rejeté comme corps étranger.

Notre capteur est comme un tatouage invisible, pas beaucoup plus gros qu’un sou et plus mince qu’un millimètre.  »

Professeur Carsten Sönnichsen, chef du groupe de nanobiotechnologie à JGU

Les nanoparticules d’or étant infrarouges, elles ne sont pas visibles à l’œil nu. Cependant, un type spécial d’appareil de mesure peut détecter leur couleur de manière non invasive à travers la peau.

Dans leur étude publiée dans Nano Lettres, les chercheurs du JGU ont implanté leurs capteurs de nanoparticules d’or sous la peau de rats sans poils. Les changements de couleur de ces capteurs ont été surveillés après l’administration de différentes doses d’un antibiotique. Les molécules de médicament sont transportées vers le capteur via la circulation sanguine. En se liant à des récepteurs spécifiques à la surface des nanoparticules d’or, elles induisent un changement de couleur qui dépend de la concentration du médicament. Grâce aux nanoparticules d’or de couleur stable et à l’hydrogel intégrant les tissus, le capteur s’est avéré rester mécaniquement et optiquement stable pendant plusieurs mois.

Énorme potentiel des nanoparticules d’or en tant que capteurs médicaux implantables de longue durée

« Nous sommes habitués à ce que les objets colorés blanchissent avec le temps. Les nanoparticules d’or, cependant, ne blanchissent pas mais conservent leur couleur en permanence. Comme elles peuvent être facilement recouvertes de divers récepteurs différents, elles constituent une plate-forme idéale pour les capteurs implantables », a expliqué le Dr Katharina Kaefer, premier auteur de l’étude.

Le nouveau concept est généralisable et a le potentiel de prolonger la durée de vie des capteurs implantables. À l’avenir, des capteurs implantables à base de nanoparticules d’or pourraient être utilisés pour observer simultanément les concentrations de différents biomarqueurs ou médicaments dans le corps. De tels capteurs pourraient trouver une application dans le développement de médicaments, la recherche médicale ou la médecine personnalisée, comme la gestion des maladies chroniques.

Le travail d’équipe interdisciplinaire a porté ses fruits

Sönnichsen a eu l’idée d’utiliser des nanoparticules d’or comme capteurs implantés dès 2004 lorsqu’il a commencé ses recherches en chimie biophysique en tant que professeur junior à Mayence. Cependant, le projet n’a été réalisé que dix ans plus tard en coopération avec le Dr Thies Schroeder et le Dr Katharina Kaefer, tous deux scientifiques à JGU. Schroeder était expérimenté dans la recherche biologique et la science des animaux de laboratoire et avait déjà effectué plusieurs années de recherche aux États-Unis.

Kaefer était à la recherche d’un sujet passionnant pour son doctorat et était particulièrement intéressée par la nature complexe et interdisciplinaire du projet. Les premiers résultats ont conduit à une allocation accordée à Kaefer par le Max Planck Graduate Center (MPGC) ainsi qu’à un soutien financier de la Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation. « Un tel projet nécessite de nombreuses personnes ayant des antécédents scientifiques différents. Petit à petit, nous avons réussi à convaincre de plus en plus de personnes de notre idée », a déclaré Sönnichsen avec joie. En fin de compte, c’est un travail d’équipe interdisciplinaire qui a abouti au développement réussi du premier capteur implanté fonctionnel avec des nanoparticules d’or.