Nanotechnologies pour laSanté : Nanomédicaments

Les nanotechnologies appliquées à la santé, ou nanomédecine, exploitent des matériaux à l'échelle nanométrique pourle diagnostic, l'administration de traitements et la fabrication de dispositifs médicaux. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques grâce à des outils plus sensibles etspécifiques.

Domaine des Nanotechnologies et Nanomédicaments

Qu'est-ce que l'échelle nano ?

Le préfixe "nano" vient du grec "nain" et représente un milliardième de l'unité de base (mètre), soit m ou nm. L'échelle de lananomédecine se situe généralement entre 1 et 100 nm, où des propriétés physiques et chimiques uniques apparaissent.

Origines des Nanoparticules

• Nanoparticules naturelles : Produites sans intervention humaine (ex: cendres volcaniques, pollens).

• Nanoparticules anthropiques :

  • Non-intentionnelles : Débris de combustion issus de l'activité humaine.

  • Intentionnelles : Fabriquées volontairement pour leurs propriétés spécifiques (ex: dioxyde de titane, nano-argent).

Pourquoi la petite taille est-elle avantageuse en santé ?

Les nanomatériaux présentent des propriétés uniques par rapport à leurs homologues macroscopiques, principalement en raison de leur rapport surface-volume élevé et du grand nombre de particules par unité de poids, entraînant une surface développée conséquente.

• Réactivité élevée : Une surface plus grande offre plus de sites de réaction. Parexemple, un nanocristal d'or de 1 nm a plus de 90 % de ses atomes en surface, contre moins de 1 % pour un microcristal de 1 µm.

• Propriétés fondamentales modifiées :

  • Température de fusion : Les nanoparticules d'or de 2 nm fondent à 500°C, contre 1000°C pour celles de 10 nm.

  • Propriétés optiques : L'absorption et l'émission (ex: séléniure de cadmium, nanoparticules d'or) varient avec la taille.

  • Propriétés mécaniques : Les nanocristaux de cuivre de 6 nm sont cinq fois plus résistants que les microcristaux de 50 µm.

Applications des nanotechnologies en santé

• Diagnostic :

  • In vitro : biosenseurs, dispositifs « lab-on-a-chip ».

  • In vivo : imagerie par résonance magnétique (IRM), imagerie nucléaire, ultrasons.

• Administration de traitements : Nanomédicaments, nanopharmaceutiques (ex: nanovecteurs pour molécules biologiques ou peu solubles).

• Nanodispositifs : Nanotubes, nano-aiguilles (transdermiques).

• Formation de matériaux nanostructurés/fonctionnalisés.

Stratégies des Nanomédicaments

Les nanomédicaments peuvent être divisés en deux grandes catégories :

• Nanocristaux /Nanoparticules métalliques : Constituées à 99-100% de principe actif pur, elles visent à améliorer la solubilité et la biodisponibilité.

• Nanovecteurs : Composés d'un principe actif associé à un vecteur (cargo, carrier). L'objectif est de modifier la distribution du principe actif pour atteindre une cible spécifique.

Diversité des Nanoparticules

Différentes structures

• Nanocapsules : Système réservoir avec une coque et un cœur.

• Nanosphères : Système matriciel.

États des molécules actives associées

Le principe actif (API) peut être émulsionné, dispersé ou dissous au sein du nanovecteur.

Différentes compositions

Les nanoparticulespeuvent être d'origine variée :

• Polymérique : Polymersomes, dendrimères, micelles polymères, nanosphères.

  • Avantages : contrôle précis des caractéristiques, flexibilité de charge, modification de surface facile.

  • Inconvénients : agrégation et toxicité possibles.

• Inorganique : Nanoparticules de silice, points quantiques, nanoparticules d'oxyde de fer, nanoparticules d'or.

  • Avantages : propriétés électriques, magnétiques et optiques uniques, variabilité de taille et structure, adaptées à la théranostique.

  • Inconvénients : toxicité et limitations de solubilité.

• Basées sur des lipides : Liposomes, nanoparticules lipidiques, émulsions huileuses.

  • Avantages : simplicité de formulation, biodisponibilité élevée, flexibilité de charge.

  • Inconvénients : faible efficacité d'encapsulation.

Nanomédecines approuvées en clinique

Environ 80 produits commercialisés (nanomédicaments, nanomatériaux pour l'imagerie, nanoparticules pour l'anémie). Les liposomes/nanoparticules lipidiques et inorganiques représentent 50% des essais cliniques chacun. Les principaux domaines d'application sont le cancer, l'anémie et l'imagerie.

Cadre réglementaire des nanomatériaux et nanomédicaments

La réglementation des nanomatériaux est complexe et en constante évolution, avec des textes législatifs et des lignes directrices distincts.

Définition des nanomatériaux (Recommandations CE 2011/696/UE, mise à jour 2022/C 229/01)

"Nanomatériau : matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé, constitué departicules solides* qui sont présentes soit individuellement soit en tant que particules constitutives identifiables dans des agrégats ou des agglomérats, 50 % au moins de ces particules (…) dont une ou plusieurs dimensions externes de la particule se situent dans la fourchette de 1 nm à 100 nm;"

• *Particule solide minuscule, fragment de matière possédant des contours physiques bien définis (exclut les molécules uniques).

• Aggregat : particule constituée de particules soudées ou fusionnées.

• Agglomérat : un amas friable de particules ou d'agrégats.

Les particules non solides (liquides et gazeuses, ex: nanoémulsions, micelles) sont exclues de cette définition.

Réglementation par domaine

• Cosmétique (Règlement 1223/2009) : Différenciation nanoformulations liquides, notion de biodégradabilité, obligation de déclaration/notification.

• Alimentation (Règlement 1169/2011, 2015/2283) : Définition du nanomatériau manufacturé intentionnellement, notification.

• Biocide (Règlement 528/2012) : Reprise de la définition UE, notification, évaluation spéciale des risques.

• Dispositifs Médicaux (Règlement 745/2017) : Reprise de la définition UE, classification selon le potentiel d'exposition interne.

• Médicaments vétérinaires (Règlement 6/2019) : Nanomatériau = «médicament vétérinaire de thérapie innovante».

• Médicaments à usage humain (Règlement 726/2004) : Aucune référence spécifique, mais l'ANSM faitdes recommandations.

Nanomatériaux dans les médicaments vs. Nanomédicaments

• Nanomatériaux dans les médicaments : Produits médicaux contenant des nanoparticules sans fonction thérapeutique directe (ex: dioxyde de titane comme colorant).

• Nanomédicament : Médicaments conçus à l'échelle nanométrique pour une administration ciblée du principe actif (ex: liposome encapsulant un anticancéreux).

Réglementation des nanomédicaments

Les nanomédicaments sont considérés comme des Non Biological Complex Drugs (NBCD). Leur évaluation est au cas par cas, selon la balance bénéfice/risque, et suit le cadre réglementaire des médicaments classiques. Des recommandations spécifiques (Guidelines) sont émises par des agences comme l'EMA.

L'innovation en nanomédecine nécessite le développement de nouvelles méthodes d'essai pour évaluer la qualité et la sécurité.

Méthodes de Caractérisation Physico-Chimiques

La caractérisation est essentielle pour définir l'identité et la qualitédes nanoparticules, et prédire leurs interactions avec l'environnement.

Selon la norme ISO/TR 13014:2012, 9 paramètres sont nécessaires pour définir une nanoparticule :

Taille - Diamètre Hydrodynamique

Le devenir des nanoparticules en milieu liquide est crucial. Le diamètre hydrodynamique () est mesuré par Diffusion Dynamique de la Lumière (DLS).

• Principe DLS : Mesure des fluctuations d'intensité de la lumière diffusée par le mouvement brownien des particules dans un liquide.

• Équation de Stokes-Einstein : Permet de relier la taille d'une particule à sa vitesse de mouvement brownien.

  $

  Où est le coefficient de diffusion, la constante de Boltzmann, la température absolue, la viscosité de la solution et le rayon hydrodynamique de la particule.

• Le Z-average donne la taille moyenne, et l'indice de polydispersité (PDI) caractérise l'homogénéité de la distribution de taille (PDI < 0.2: monodisperse; 0.2-0.7: polydisperse; > 0.7: nonadapté à la méthode).

Taille - Suivi Individuel de Particules (NTA)

L'Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) permet de visualiser individuellement les particules et de déterminer leur diamètre hydrodynamique ainsi que leur concentration.

• Comparaison NTA vs. DLS :

  • DLS : Moins de variabilité pour des échantillons monodispersés.

  • NTA : Validation visuelle, précision sur échantillons complexes, accès à la concentration.

Taille / Forme

• Microscopie Électronique à Balayage (MEB / SEM) : Caractérisation de la taille, de la forme et de la surface des nanoparticules avec une résolution d'environ 1 nm.

• Microscopie Électronique à Transmission (MET / TEM) : Image d'un faisceau d'électrons traversant un échantillon mince, résolue à environ 0.1 nm. Permet d'identifier l'état d'agglomération.

• CryoTEM : Adaptation du TEM pour l'observation d'objets en état dispersé, maintenus congelés.

• Microscopie à Force Atomique (AFM) : Visualisation 3D, imagerie qualitative et quantitative de la taille, morphologie, texture de surface et rugosité. Large gamme de taille analysable (1 nm à 8 µm).

Charge de Surface (Potentiel Zeta)

Le potentiel zeta () est la charge que la particule acquiert grâceaux ions environnants en solution. Il influence fortement la stabilité colloïdale de la suspension et les interactions avec l'environnement biologique.

• Un potentiel zeta > +30 mV ou < -30 mV indique une dispersion stable.

• Une charge positive peut favoriser l'interaction avec les cellules (transfection in vitro) mais peut être un inconvénient in vivo (adsorption protéique, interaction avec le système immunitaire).

• Mesure par Electrophoretic Light Scattering (ELS), qui détermine la vitesse de déplacement des particules sous champ électrique.

Dosage du Principe Actif Encapsulé

Calcul des taux d'encapsulation et des rendements (efficacités) d'encapsulation.

• Méthodes de séparation : Ultrafiltration par centrifugation, dialyse, chromatographie d'exclusion stérique.

• Dosage du PA avec méthode physique adaptée (fluorimétrie, spectrophotométrie UV).

Méthodes de Caractérisation Biologique in vitro

Ces méthodes permettent de prédire les interactions des nanoparticules avec le vivant.

• Interactions avec lescomposés sanguins : Formation de corona protéique, activation du complément.

• Interactions cellulaires in vitro : Internalisation, devenir intracellulaire, modèles de passage de barrière (peau, intestin).

• Caractérisation de la sécurité biologique in vitro : Viabilité cellulaire, prolifération, production de ROS, réponse inflammatoire, génotoxicité, mutagénicité, toxicogénomique.

Nanocristaux - Nanosuspensions

Définitions et propriétés

Les nanocristaux sont desdispersions colloïdales de principes actifs purs, stabilisés par des tensioactifs, sous forme de particules de 1 à 1000 nm. Le PA peut être cristallin, semi-amorphe ou amorphe.

Avantages de la forme nanocristalline

• Reconsidération des PA insolubles dans l'eau (avec logP élevés ou insolubles dans l'huile).

• Maintien de la structure cristalline désirée.

• Haut rapport surface/volume et masse/volume (utile pour les doses unitaires importantes).

• Augmentation de la surface disponible pour la dissolution, donc augmentation de la vitesse de dissolution.

Mode de formation

1. Précipitation « bottom-up » (à partir de l'état moléculaire).

2. Réduction en taillede particules préexistantes « top-down » (nécessite un coût énergétique et un stabilisant pour prévenir l'agrégation).

Administration

Voie orale

• Augmentation de la vitesse et de l'intensité d'absorption du PA.

• Réduction de l'effet repas.

Mécanismes : Augmentation de la vitesse de dissolution (équation de Noyes-Whitney) et bioadhésion. Le défi est de limiter la fusion des nanocristaux et d'assurer une redispersion sous forme nano (<30% en poids dans la forme finale).

Exemple : Emend® (Aprépitant), un anti-émétique, utilise la technologie Nanocrystals® pour augmenter la biodisponibilité. Permet une diminution des doses et donc des effets secondaires.

Voie parentérale

• Solubilisation (anticancéreux, antifongiques, antibiotiques).

• Aspects pharmacocinétiques : Dépôt et libération progressive (IM, SC), ou solution rapide (IV si solubilisation rapide et complète).

Exemple : Palmitate de palipéridone (Invega® Sustenna®), pour la schizophrénie, est une suspension pour injection IM. La technologie Nanocrystal® permet un relargage lent et une injection mensuelle.

Bilan nanocristaux

• Amélioration du taux de dissolution des PA faiblement solubles.

• Procédés de fabrication complexes et souvent développés au cas par cas.

• Des produits commercialisés pour voies orale et parentérale représentent 44% du chiffre d'affaires des nanomédicaments.

La Nanovectorisation

La nanovectorisation vise à administrer un traitement de manière ciblée, au bon endroit et au bon moment.

• La distribution de la molécule active devient dépendante des propriétés physico-chimiques du vecteur, non plusde celles du PA seul.

• Objectif : atteindre la cible sans effets toxiques, avec spécificité.

Classification des Nanomédecines par génération

• Première génération (vecteurs « nus ») : Nanoparticules polymères,liposomes. Design simple, action locale, circulation courte, accumulation foie/rate.

• Deuxième génération (ciblage passif, systèmes PEGylés) : Stabilisation colloïdale, diminution de la reconnaissance par le système immunitaire inné => temps de circulation allongé. Pénètredifficilement les tissus et l'internalisation cellulaire est faible.

• Troisième génération (ciblage actif, systèmes fonctionnalisés) : Carbohydrates, vitamines, anticorps, aptamères. Meilleure spécificité, internalisation cellulaire, mais risque d'immunogénicitédu motif de ciblage et complexité accrue.

Effet EPR (Enhanced Permeability and Retention)

L'effet EPR est l'accumulation passive de nanoparticules dans les tissus tumoraux, due à leur endothélium lacunaire (architecture vasculaire désordonnée) età l'absence de drainage lymphatique. Cependant, l'hétérogénéité des tumeurs et des individus peut varier l'efficacité de cet effet.

Administration locale

Voie pulmonaire

Les nanoparticules doivent traverser le mucus bronchique (moins de 120 nm, charge négative, hydrophiles) et le surfactant alvéolaire. Elles peuvent interagir avec les macrophages alvéolaires et les cellules dendritiques (moins pour les particules non chargées).

Voie orale

Passage à travers l'épithélium intestinal par voieparacellulaire, internalisation par les entérocytes (voie trans-cellulaire) ou capture par les cellules M des plaques de Peyer (voie lymphatique).

Liposomes et LNP (Lipid Nanoparticles)

Définition

Les liposomes sont desvésicules formées d'une ou plusieurs bicouches lipidiques (généralement phospholipidiques) délimitant un espace interne aqueux.

• Historique : Découverts en 1965, utilisés comme modèles membranaires (1970-1980), puis commevecteurs de médicaments (1980-1990). Le premier liposome approuvé par la FDA fut Doxil® en 1995.

• La température de transition de phase () est cruciale pour la stabilité et la libération de l'actif, et dépend de la composition lipidique.

Différentes structures et composition

• Les liposomes sont constitués de phospholipides (naturels ou synthétiques), de sphingosines, de céramides.

• Le cholestérol(~30 mol%) est souvent ajouté pour améliorer la stabilité.

• Des lipides cationiques sont utilisés pour complexer les acides nucléiques.

• Des lipides sensibles au pH ou à la température permettent une libération ciblée de l'actif (ex: dans les zones inflammatoires outumorales).

• Le PEG (polyéthylène glycol) est couplé aux lipides pour la stabilisation physique et la "furtivité" biologique (diminution de la reconnaissance par le système immunitaire). La densité et le poids moléculaire du PEG influencent son efficacité.

Exemples de méthodes de préparation

• Hydratation d'un film lipidique (méthode de Bangham) : Les lipides sont hydratés pour former des multilamellar vesicles (MLV).

• Homogénéisation de taille :Ultrasons, extrusion à travers des membranes de polycarbonate (pour obtenir des Large Unilamellar Vesicles ou LUV), ou microfluidisation.

• Injection de solvant : Les lipides dissous dans un solvant miscible sont injectés dans une phase aqueuse.

• Lamicrofluidique permet un contrôle précis de la taille et de la polydispersité, et une meilleure reproductibilité.

Développement des liposomes et LNP

De nombreux liposomes et LNP sont en usage clinique pour diverses indications (anticancéreux, antifongiques, thérapie photodynamique, analgésiques).

Exemples notables :

• Vaccins ARN - COVID-19 :

  • Comirnaty (Pfizer-Biontech): utilise des lipides ionisables (ALC-0315), PEGylés (ALC-0159), DSPC et cholestérol.

  • Spikevax (Moderna) : utilise un lipide ionisable (SM-102), DSPC, cholestérol et PEG2000-DMG.

• Anatomie d'une LNP : Elle comprend un lipide ionisable (pH-sensible), des lipides helper/structuraux (cholestérol, DSPC),des lipo-polymères (PEG) pour la stabilité et la furtivité, et un acide nucléique stabilisé/optimisé (ARNm ou siRNA).

• Formulation des LNPs : Principalement par nanoprécipitation ou injection d'éthanol, pouvant être réalisée par simple mélange ou microfluidique.

Nanoparticules Polymères / Micelles Polymères

Autoassemblages de macromolécules

Une grande variété de polymères (naturels, semi-synthétiques, synthétiques) sont utilisés pourleurs qualités pharmaceutiques et leur compatibilité avec différentes voies d'administration.

NP polymères - procédés de formulation

La formulation dépend des propriétés du principe actif (solubilité, coefficient de partage) et du matériau encapsulant (biocompatibilité, biodégradabilité, profil delibération).

• À partir de la polymérisation de monomères : Emulsion, dispersion, polymérisation en émulsion/dispersion/suspension.

• À partir de polymères préformés : Insubilisation du polymère, émulsification/évaporation de solvants, nanoprécipitation, salting out.

Nanomédicaments à base de NP polymères / NP protéines

• Assemblage peptides : Copaxone® (traitement de la sclérose en plaques),polymère de 4 acides aminés.

• Nanoparticules de protéines : Abraxane® (nanoparticules d'albumine-paclitaxel).

• Protèines PEGylées.

NP polymères - Applications

Abraxane® (Paclitaxel) : Nanoparticules d'albumine-paclitaxel, approuvé en 2005 (FDA) et 2008 (EMA) pour le cancer du sein métastatique et les adénocarcinomes dupancréas. Permet une meilleure spécificité.

Micelles polymères - Applications

Les micelles sont des auto-assemblages de molécules amphiphiles formant des structures cœur-écorce dans une seule phase. Elles sont de petite taille (< 100 nm)et encapsulent des principes actifs hydrophobes.

• Formulation et structures : Les micelles sont formées à partir de copolymères diblocs A-B amphiphiles ou multiblocs B-A-B.

• Le cœur hydrophobe (polymères biodégradables ou non) sert de réservoir pour le PA insoluble.

• La couronne hydrophile (généralement PEG) stabilise la micelle et interagit avec les milieux biologiques.

• Incorporation du principe actif : Par conjugaison chimique (liaison covalente) ou encapsulation physique (interactions hydrophobes ou électrostatiques).

• Exemple : Genexol-PM® (Paclitaxel), micelles de copolymères de PEG-PLA, augmente la solubilité du Paclitaxel. Approuvé en Corée du Sud pour le cancer du sein et du poumon.

• CRLX101 (NLG207) : nanoparticules polymériques de cyclodextrin-PEG encapsulant la camptothécine, en développement clinique pour le cancer du poumon.

Bilan des nanomédecines

• Environ 80 produits commercialisés (nanomédicaments, nanomatériaux pour l'imagerie, nanoparticules pour l'anémie).

• 499 études cliniques en cours (phase I, II, III/IV).

Défis : Améliorer l'accès aux plateformes de caractérisation, former les professionnels, gérer les transpositions d'échelle, harmoniser le cadre réglementaire.

Nanotechnologies et les métiers de pharmaciens

Les nanotechnologies sont déjà bien présentes en pharmacie officinale et dans les pharmacies à usage intérieur (PUI).

• Traitements anticancéreux : Onyvide (liposomes) ou Abraxane (protéines), où le PA est encapsulé.

• Testsde grossesse : Nanoparticules d'or pour capter l'hCG.

• Médicaments antifongiques : Ambisome (liposomes enrobant l'amphotéricine B).

• Pansements antibactériens : Fonctionnalisés de nanoparticules d'argent.

• Nanoparticules lipidiques de siRNA : Onpattro (patisiran) pour traiter la polyneuropathie amyloïde.

• Vaccins ARN : Comirnaty et Spikevax.

Nanomédecine : Quel avenir ?

La nanomédecine est à l'aube d'une nouvelle ère, passant du développement académique à la validation clinique, et elle est appelée à jouer un rôle central dans les innovations de rupture en santé.

Principaux acteursdu marché mondial des LNP : Moderna, Acuitas Therapeutics, BioNTech, CureVac, Genevant Sciences, Arbutus Biopharma, Translate Bio, AstraZeneca, etc.