Dr Nanotech vs Cancer

Si vous faites partie du tiers de la population qui développera un jour un cancer, votre corps contiendra des signes avant-coureurs bien avant que votre médecin ne puisse diagnostiquer la maladie. Si ces signaux subtils dans vos cellules et votre circulation sanguine ne pouvaient être détectés que plus tôt, vous auriez beaucoup plus de chances de survivre. Le problème est que les changements qui marquent les premiers stades du cancer sont remarquablement complexes – et souvent légers, même au niveau moléculaire.

Mais James Heath, physico-chimiste au California Institute of Technology, pense que la nanotechnologie pourrait enfin apporter la solution à cette énigme moléculaire. Heath parie que des banques de fils de silicium ultrapetits, chacune conçue pour détecter une protéine spécifique liée au cancer, pourraient détecter même les changements les plus subtils de la chimie de notre corps. Les nanocapteurs que Heath et ses collègues de Caltech développent chercheront simultanément des centaines, voire des milliers de biomolécules différentes dans, disons, une goutte de sang. S'ils fonctionnent, ces nanocapteurs pourraient servir de base à des tests de dépistage du cancer qui sont non seulement plus précis mais, parce qu'ils n'impliquent pas d'échantillonnage de tissus et d'analyses en laboratoire, moins chers et plus pratiques que ceux actuellement disponibles.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de février 2005

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Cela ne veut pas dire grand-chose, bien sûr. Le dépistage de la plupart des cancers reste primitif, impliquant souvent de simples examens physiques pour trouver des preuves de la croissance tumorale, ou des méthodes d'imagerie brutes telles que la mammographie et les radiographies. Des tests sanguins existent pour quelques cancers, tels que les cancers de la prostate et de l'ovaire, mais leurs performances sont déplorables ; non seulement ils sont lents et coûteux, mais ils sont notoirement peu fiables. Pour diagnostiquer le cancer de la prostate, par exemple, les médecins recherchent une protéine appelée PSA (antigène prostatique spécifique) dans le sang. Mais seulement 25 à 30 pour cent des hommes qui subissent le processus extrêmement stressant d'avoir des biopsies tissulaires en raison des niveaux élevés de PSA dans leur sang ont en fait un cancer de la prostate. Le PSA est toujours dans la prostate, souligne Heath, et s'échappe tout le temps dans le sang en petites quantités. Lorsqu'il y a une sorte de traumatisme à la prostate - qui peut être un cancer ou autre chose - il s'écoule en plus grande quantité. Mais c'est un très mauvais marqueur pour le cancer de la prostate à un stade précoce, car il n'y a vraiment pas trop de traumatisme à la prostate à ce stade.

Un test de cancer plus précis refléterait mieux la complexité des événements biomoléculaires. L'ambition de Heath est de construire des appareils capables non seulement d'effectuer plusieurs mesures à la fois, à partir d'une goutte de sang ou de quelques cellules prélevées dans un tissu particulier, mais également de détecter des quantités extrêmement faibles de biomolécules. Nous essayons de développer un test basé sur la piqûre au doigt, explique-t-il. Nous aimerions que ce test soit à terme quelque chose d'analogue à ce qui est utilisé pour les diabétiques. Les diabétiques peuvent désormais surveiller leur taux de glucose, et parce qu'ils peuvent le faire régulièrement, ils prennent le contrôle de la maladie. Nous aimerions développer une plate-forme similaire pour le cancer.

Reconstituer le puzzle
La recherche sur le cancer peut sembler un endroit peu probable pour James Heath. En tant qu'étudiant diplômé de l'Université Rice à Houston au début des années 1980, il a commencé à étudier les propriétés de minuscules morceaux de matériaux. Il faisait partie de l'équipe qui, en 1985, a découvert la molécule de carbone en forme de ballon de football C60 ; la découverte a valu au professeur de Heath, Richard Smalley, un prix Nobel 11 ans plus tard et a contribué à lancer l'intérêt d'aujourd'hui pour la nanotechnologie. Mais Heath s'est ensuite concentré sur les semi-conducteurs, tels que le silicium, utilisés par l'industrie de la microélectronique, à la recherche de moyens de les transformer en dispositifs de plus en plus petits. Récemment, lui et des collaborateurs de l'Université de Californie à Santa Barbara ont mis au point une méthode pour fabriquer des fils de silicium de quelques nanomètres de large, environ dix fois plus petits que les plus petites caractéristiques des circuits intégrés d'aujourd'hui.

L'avancée a été une étape importante dans la miniaturisation continue de l'électronique. Et, dit Heath, nous espérions qu'en résolvant un problème aussi difficile, d'autres opportunités se présenteraient. Ils l'ont fait : Heath a réalisé que ces nanofils pouvaient également servir de biocapteurs ultrasensibles.

Il s'est également rendu compte, cependant, que l'incorporation de nanofils dans un outil de diagnostic efficace ne serait pas facile. Les changements dans l'état de santé d'une personne se reflètent dans des fluctuations sauvages des concentrations de biomolécules lorsque différents gènes s'allument et s'éteignent. Mais au cours des dernières années, les généticiens et les biologistes moléculaires ont réalisé que les gènes n'agissent généralement pas de manière indépendante. Ils ont tendance à fonctionner en groupes et en réseaux, et ils peuvent réguler l'expression de l'autre. Ainsi, pour donner un sens aux empreintes moléculaires de la maladie, il faut une compréhension au niveau des systèmes de la façon dont les gènes et les protéines fonctionnent ensemble.

C'est là qu'intervient Leroy Hood, collaborateur de Heath, fondateur de l'Institute for Systems Biology à Seattle. et des signaux d'arrêt et de relais. Les capteurs de Heath peuvent fournir des milliers d'indices sur l'état de santé d'une personne, mais l'approche de la biologie des systèmes de Hood est nécessaire pour rassembler toutes ces informations en une image cohérente.

Hood et son équipe ont, par exemple, examiné comment les gènes sont exprimés pour produire des protéines dans les cellules et les tissus touchés par le cancer de la prostate. Notre idée, dit Hood, est que la différence entre les cellules normales et malades est que les réseaux de régulation des protéines et des gènes dans les cellules malades ont été perturbés, et ces perturbations de la maladie se reflètent dans des modèles modifiés d'expression des protéines contrôlés par les réseaux. Une fraction de ces protéines perturbées se retrouvera dans le sang et constituera des empreintes moléculaires qui diagnostiquent non seulement la santé et la maladie, mais aussi quelle maladie et quel type de maladie particulière. (Il existe au moins trois types différents de cancer de la prostate, par exemple.)

Nous avons identifié 300 gènes [marqueurs du cancer] qui sont exprimés de manière unique dans la prostate, dit Hood, et nous prévoyons qu'environ 62 d'entre eux pourraient être sécrétés dans le sang. Nous en avons testé un en fabriquant des anticorps contre lui et avons démontré qu'il n'était présent que dans le sang des patients atteints d'un cancer de la prostate. L'équipe de Hood teste actuellement cinq autres protéines sécrétées par le cancer de la prostate. Il a également trouvé une gamme similaire de gènes qui devraient être diagnostiques pour le cancer de l'ovaire.

Une situation fluide
À quoi ressemblerait exactement un nanocapteur pour détecter de telles protéines ? Pour transformer un nanofil en transistor, les chercheurs mettent chacune de ses extrémités en contact avec des fils métalliques afin qu'un courant puisse le traverser. Ils positionnent ensuite une électrode à proximité du nanofil. Le chargement de cette électrode modifie la conductivité du nanofil, l'allume et l'éteint, ce qui est bien connu de tout ingénieur électricien.

Heath transforme ensuite ses transistors à nanofils en minuscules biocapteurs. Disons, par exemple, qu'un nanofil doit agir comme un capteur pour une protéine particulière. Les chercheurs enduisent la surface du fil d'anticorps qui adhèrent à la protéine cible mais pas à d'autres molécules. Lorsque les protéines se lient aux anticorps, elles interagissent avec les électrons voyageant dans la couche superficielle du nanofil, modifiant sa conductivité. Si le fil n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, il y a un changement significatif - et mesurable - de sa conductivité globale. Si le fil est vraiment, vraiment petit, dit Heath, au lieu de mettre une tension dessus, nous pouvons mettre des molécules dessus, et un événement chimique est ce qui fait basculer le transistor.

Leur petite taille rend également les appareils très sensibles. En fin de compte, le nombre de molécules nécessaires pour produire une lecture dépendra de la force avec laquelle elles se lient aux groupes récepteurs à la surface du capteur ; mais il pourrait être possible de détecter des molécules individuelles. Heath dit que, bien que son groupe n'ait pas encore atteint ce niveau de sensibilité, il n'a réussi à détecter que quelques molécules. (Charles Lieber de l'Université Harvard, quant à lui, a fait la démonstration de nanocapteurs capables de détecter une seule particule virale*).

Mais ce n'est pas seulement la sensibilité élevée sur laquelle Heath s'appuie pour une détection facile et précoce de la maladie. Nous pouvons fabriquer des milliers de ces capteurs dans une très petite zone, dit-il. Cela signifie la capacité de cribler les différents contenus moléculaires des cellules individuelles. Heath collabore avec l'expert en microfluidique de l'Université de Stanford, Stephen Quake, pour fabriquer des puces dans lesquelles les fluides pompés dans les canaux microscopiques transportent des cellules individuelles en position sur un réseau de nanocapteurs, où elles peuvent être étudiées une à la fois.

Au final, toute cette technologie doit être intégrée dans un appareil utilisable en clinique, ce qui revient à résoudre des problèmes encore plus techniques et pratiques. En 2003, l'Institute for Systems Biology de Caltech et l'Université de Californie à Los Angeles ont créé la NanoSystems Biology Alliance pour garantir que les nouveaux outils reflètent les dernières avancées en biologie et immunologie du cancer. Le diagnostic du cancer et d'autres maladies, selon Quake, sera effectué automatiquement, en quelques secondes ou minutes, sur une poignée de cellules ou leur contenu. Et cette conjecture, prédit-il, deviendra réalité au cours de cette décennie.

Le dernier livre de Philip Ball s'intitule Masse critique : comment une chose en amène une autre .

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