Dissoudre des bactéries pathogènes avec des nanoparticules

Là où les médicaments classiques échouent : les bactéries résistantes aux antibiotiques. Micrographie électronique colorisée. Image : CDC/NIAID.

Dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques, «Dissoudre des bactéries dangereuses avec des nanoparticules», source Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche ou Empa pour Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt.

Les agents pathogènes multirésistants constituent un problème grave et croissant dans la médecine moderne. Lorsque les antibiotiques sont inefficaces, ces bactéries peuvent provoquer des infections mortelles. Les chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich (Ecole polytechnique fédérale de Zurich) développent actuellement des nanoparticules qui peuvent être utilisées pour détecter et tuer les agents pathogènes multirésistants qui se cachent dans les cellules du corps, écrit l'équipe dans la revue scientifique Nanoscale.

Dans la course à l'armement «l'humanité contre les bactéries», les bactéries sont actuellement en tête. Nos anciennes armes miracles, les antibiotiques, tombent de plus en plus souvent en panne lorsque les germes utilisent des manœuvres délicates pour se protéger des effets des médicaments. Certaines espèces se retirent même à l'intérieur des cellules du corps humain, où elles sont protégées du système immunitaire. Parmi ces agents pathogènes particulièrement redoutables figurent les staphylocoques multirésistants (SARM ou Staphylococcus aureus resistant à la méticilline) qui peuvent provoquer des maladies mortelles telles que l'empoisonnement du sang ou la pneumonie.

Afin de détecter les germes dans leur cachette et de les rendre inoffensifs, une équipe de chercheurs de l'Empa et de l'ETH Zurich développe actuellement des nanoparticules qui utilisent un mécanisme d'action complètement différent de celui des antibiotiques classiques : Alors que les antibiotiques peinent à entrer dans les cellules du corps, ces nanoparticules, en raison de leur petite taille et de leur composition, peuvent être introduites à l'intérieur de la cellule affectée. Une fois sur place, ils combattent la bactérie.

Verre bioactif et métal

L'équipe de d'Inge Herrmann et de Tino Matter a utilisé l'oxyde de cérium, un matériau qui, sous sa forme nanoparticulaire, a un effet antibactérien et anti-inflammatoire. Les chercheurs ont combiné les nanoparticules avec un matériau céramique bioactif appelé verre bioactif. Le verre bioactif est intéressant pour la médecine car il possède des propriétés régénératrices polyvalentes et est utilisé, par exemple, pour la reconstruction des os et des tissus mous.

Enfin, des nanoparticules hybrides d'oxyde de cérium et de verre bioactif ont été produites par synthèse de flamme. Les particules ont déjà été utilisées avec succès comme adhésifs pour blessures, ce qui permet d'utiliser simultanément plusieurs propriétés intéressantes : Grâce aux nanoparticules, les saignements peuvent être stoppés, l'inflammation peut être affaiblie et la cicatrisation des plaies peut être accélérée. De plus, les nouvelles particules ont un effet significatif contre les bactéries, alors que le traitement est bien toléré par les cellules humaines.

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

Des germes malicieux

Parmi les bactéries, il existe des agents pathogènes particulièrement malicieux qui pénètrent dans les cellules du corps et sont invisibles pour le système immunitaire. C'est ainsi qu'ils survivent aux périodes où la défense du corps est en état d'alerte. Ce phénomène est également connu pour les staphylocoques. Ils peuvent se retirer dans les cellules de la peau, du tissu conjonctif, des os et 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 se trouver sur la peau et les muqueuses. Dans certaines conditions, cependant, la bactérie inonde le corps et provoque une inflammation grave, pouvant aller jusqu'au choc toxique ou à l'empoisonnement du sang. 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 par antibiotiques est particulièrement préoccupant. Le SARM, germes multirésistants, est particulièrement redouté dans les hôpitaux où, en tant qu'agents pathogènes nosocomiaux, ils provoquent des infections de plaies mal soignées ou colonisent les cathéters et les équipements. Au total, environ 75 000 infections hospitalières surviennent chaque année en Suisse, dont 12 000 sont mortelles.

Destruction des bactéries

Les chercheurs ont pu montrer les interactions entre les nanoparticules hybrides, les cellules du corps et les germes en utilisant, entre autres, la microscopie électronique. Si les cellules infectées étaient traitées avec les nanoparticules, les bactéries à l'intérieur des cellules commençaient à se dissoudre. Cependant, si les chercheurs ont spécifiquement bloqué l'absorption des particules hybrides, l'effet antibactérien a également cessé.

Le mécanisme d'action exact des particules contenant du cérium n'a pas encore été entièrement clarifié. Il a été prouvé que d'autres métaux ont également des effets antimicrobiens. Cependant, le cérium est moins toxique pour les cellules du corps que l'argent, par exemple. Les chercheurs supposent actuellement que les nanoparticules agissent sur la membrane cellulaire des bactéries, produisant des composés oxygénés réactifs qui conduisent à la destruction des germes. Comme la membrane des cellules humaines est construite différemment, les cellules du corps sont épargnées par ce processus.

Les chercheurs pensent que moins de résistance se développerait probablement contre un tel mécanisme. «De plus, les modifications chimiques de l'oxyde de cérium se régénèrent avec le temps, de sorte que l'effet des nanoparticules sur les bactéries peut recommencer», explique le chercheur de l'Empa Tino Matter. Ainsi, les particules de cérium pourraient avoir un effet durable.

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