Comprendre la cytotoxicité des nanoparticules métalliques

Une étude récente publiée dans la revue « Chemical Science » et impliquant FEMTO-ST donne de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes d’altération de l’ADN dans les cellules par les nanoparticules métalliques.

Le stress oxydant est l’un des processus souvent incriminés à la genèse de nombreuses maladies, comme les cancers. Ce stress oxydant est caractérisé par la production dans les cellules d’espèces oxydantes appelées ROS (reactive oxygene species), qui peuvent altérer l’ADN. La production des ROS découle de processus de transfert d’électrons faisant intervenir des cations métalliques. Heureusement, le plus souvent les cellules possèdent des systèmes efficaces d’auto-défense efficaces qui préviennent la formation des ROS. Des molécules de la famille des catéchols (des molécules aromatiques possédant au moins deux fonctions alcool adjacentes) jouent ce rôle d’agents de défense contre les ROS. Ces mécanismes d’échanges d’électrons bien connus expliquent parfaitement la toxicité des nanoparticules d’oxyde métalliques. En revanche, le mécanisme d’action des nanoparticules métalliques reste méconnu alors qu’elles sont pourtant plus toxiques que leurs alter-ego à base d’oxydes ou les cations métalliques correspondants en solution.

Des chercheurs de l’Institut Néel (CNRS/Université Grenoble Alpes), de l’Institut FEMTO-ST (CNRS/Université Bourgogne-Franche-Comté), de l’Institut de la science des matériaux de Madrid (Espagne) et de l’Institut des matériaux de Trieste (Italie) ont découvert des sources de cyto-toxicité pour des nanoparticules métalliques.

Pour comprendre et modéliser le rôle de la surface des nanoparticules, les chercheurs ont concentré leur étude sur une surface de basse énergie (particulièrement stable) du cuivre interagissant avec une couche moléculaire sous ultra-haut vide. Les observations de molécules individuelles, par microscopie à effet tunnel, l’analyse à haute résolution de la composition de chaque molécule, et des calculs ab initio, ont révélé la façon dont se transforme progressivement les molécules. Le principal résultat démontre que la surface de cuivre est le siège d’une réaction d’oxydo-réduction très particulière, dit “intramoléculaire” : les molécules de catéchol voient leurs fonctions alcool oxydées alors que d’autres fonctions sont réduites, grâce à un transfert d’électrons entre les substituants d’une même molécule. Cette transformation est gouvernée par l’alignement des niveaux électroniques de la surface de cuivre et des molécules, la surface de cuivre « forçant » la molécule à se transformer pour permettre son adsorption.

Cette étude propose un mécanisme d’action des surfaces des nanoparticules métalliques pour transformer les agents de défense des cellules en agents de type ROS susceptibles d’altérer l’ADN cellulaire et donc de provoquer des cancers. Le métal joue ici un rôle catalytique, c’est-à-dire qu’une infime quantité de surface de cuivre peut oxyder une très grande quantité de molécules de type catéchol. L’étude illustre la puissance de l’attirail de techniques de la science des surfaces pour mettre à jour l’évolution de systèmes a priori très complexes, y compris vivants. Le travail est amené à se prolonger pour valider en milieu biologique le mécanisme d’action des nanoparticules métalliques découvert et d’ouvrir de nouvelles perspectives dans la compréhension des mécanismes d’altération de l’ADN.

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Article sur site du CNRS

DOI : 10.1039/D0SC04883F

 Contact : Frédéric Chérioux