Un physicien de l’Université du Manitoba fait partie d’une équipe de recherche internationale qui met au point une méthode de traitement du cancer utilisant des nanoparticules magnétiques pour tuer les tumeurs par la chaleur.
L’idée d’utiliser la chaleur pour détruire les tumeurs cancéreuses existe depuis longtemps. Toutefois, selon Johan van Lierop, professeur de physique à l’Université du Manitoba, « le défi consiste à surchauffer la tumeur sans surchauffer également les tissus sains environnants ». Jusqu’à présent, cette difficulté a limité l’utilisation du traitement thermique à une poignée d’applications cancéreuses, telles que le traitement de certains types de tumeurs cérébrales.
Les chercheurs médicaux du monde entier s’efforcent de trouver des moyens de relever ce défi, car les traitements actuels contre le cancer ne sont pas toujours efficaces. En outre, de nombreuses tumeurs sont actuellement traitées par radiothérapie, ce qui peut avoir des effets secondaires néfastes. Selon les experts, de nombreux types de tumeurs seraient mieux traités à la fois par rayonnement et par chaleur, car cette combinaison permettrait de réduire la dose de rayonnement nécessaire, et donc les effets secondaires du traitement, et de raccourcir les délais de guérison.
M. Van Lierop et ses collaborateurs internationaux étudient un moyen de rendre le traitement thermique destructeur de tumeurs plus applicable à différents types de tumeurs. Leur méthode consiste à injecter dans les tumeurs des nanoparticules magnétiques qui génèrent de la chaleur en réponse à un champ magnétique alternatif. La chaleur qui en résulterait serait juste suffisante pour tuer la tumeur sans endommager les tissus ou organes environnants. Cette approche est extrêmement prometteuse ; en fait, certains patients atteints de tumeurs cérébrales ont récemment été traités avec succès dans plusieurs hôpitaux allemands à l’aide d’une méthode très similaire qui fait l’objet d’essais cliniques en phase finale.
« Après un seul traitement, la chaleur générée a provoqué une régression presque complète des tumeurs. »
« Nos découvertes alimentent désormais les processus de conception d’autres équipes de recherche dans le monde entier »
Robert Ivkov, professeur de médecine à l’Université Johns Hopkins et l’un des collaborateurs de van Lierop, envisage le jour où ces nanoparticules magnétiques seront utilisées pour traiter le cancer de la prostate, car ce cancer est souvent détecté trop tard pour les traitements conventionnels. Les cancers du cou, de la gorge et du sein ne sont que quelques autres exemples de cancers qui pourraient être traités avec cette méthode, car ces tumeurs sont souvent proches de la surface de la peau, ce qui permet d’injecter facilement les nanoparticules.
Le principe de base de cette méthode de traitement est assez simple : la chaleur est générée à partir d’un matériau magnétique à l’aide d’un champ magnétique alternatif. Le même principe explique pourquoi l’adaptateur d’un ordinateur portable chauffe chaque fois qu’il est branché, parce que le courant alternatif (CA) dans l’adaptateur crée un champ magnétique alternatif autour d’un noyau de fer. L’orientation de l’aimantation du fer s’inverse chaque fois que la direction du champ magnétique change, ce qui se produit environ 60 fois par seconde. Ce processus de retournement n’étant pas parfaitement efficace, une partie de l’énergie électrique est perdue sous forme de chaleur dans le fer.
Normalement, ces pertes de chaleur sont considérées comme des déchets et les ingénieurs tentent de les réduire pour économiser l’énergie. En revanche, van Lierop et ses collaborateurs veulent maximiser cette production de chaleur. Cependant, il ne s’agit pas simplement d’ajouter plus de matériau magnétique (c’est-à-dire des nanoparticules) pour augmenter la température ; en fait, cela réduirait le contrôle précis des médecins sur l’endroit où la chaleur est produite et pourrait amplifier les effets secondaires des nanoparticules magnétiques elles-mêmes.
« Du point de vue des matériaux, le défi consiste à concevoir des nanoparticules qui produisent de la chaleur de la manière la plus efficace possible », explique M. van Lierop. Cependant, cette tâche est extrêmement difficile, car « les mécanismes de cette production de chaleur ne font pas l’objet d’une description physique complète ».
« Lorsque nous avons commencé cette recherche, nous ne savions pas grand-chose des caractéristiques importantes pour maximiser la diffusion de la chaleur », ajoute Cindi Dennis, physicienne au National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis et l’une des collaboratrices de M. van Lierop. « Une grande partie de nos connaissances était basée sur des calculs théoriques, et ces calculs reposaient sur des hypothèses simplificatrices que nos recherches ont rapidement révélées erronées ».
Dans une série d’études menées au cours de la dernière décennie, van Lierop, Dennis, Ivkov et leurs collaborateurs d’autres instituts de recherche aux États-Unis et en Allemagne ont fait des découvertes importantes sur la façon dont les nanoparticules magnétiques produisent de la chaleur.
« La méthode de caractérisation la plus importante pour comprendre les propriétés magnétiques des nanoparticules était cependant une technique spécialisée de faisceau de neutrons »
Dans l’une de leurs premières expériences, les chercheurs ont traité des souris atteintes de tumeurs imitant le cancer du sein humain en injectant des nanoparticules magnétiques et en utilisant un équipement externe pour produire un champ magnétique alternatif autour de la souris. L’équipe a mesuré la quantité de chaleur délivrée aux tumeurs sous différents champs magnétiques, ainsi que la vitesse à laquelle cette chaleur était administrée, et a observé son impact sur la croissance de la tumeur. Cette étude a constitué une démonstration importante de la capacité expérimentale, à laquelle ils allaient donner suite peu de temps après.
Parallèlement à leurs premières études sur les souris, ils ont utilisé une série de méthodes d’observation pour caractériser pleinement les propriétés physiques des nanoparticules. Par exemple, ils ont utilisé la spectroscopie Mössbauer – une méthode dont van Lierop est spécialiste – pour déterminer la composition précise des noyaux magnétiques des nanoparticules. La méthode de caractérisation la plus importante pour comprendre les propriétés magnétiques des nanoparticules était cependant une technique spécialisée de faisceau de neutrons disponible au Centre de recherche sur les neutrons du NIST aux États-Unis.
« Les faisceaux de neutrons nous ont permis de voir ce qui se passe physiquement et magnétiquement à l’intérieur de la nanoparticule, alors que les particules se trouvent dans un environnement réaliste », explique M. Dennis. « Les autres méthodes ne sont pas sensibles à la structure magnétique, nécessitent des conditions irréalistes ou ne peuvent pas sonder l’échelle nanométrique.
Lors des premières expériences menées par Dennis et Ivkov, l’équipe de recherche a examiné deux types de nanoparticules différentes, toutes deux composées d’un noyau magnétique enrobé d’une couche de sucre. La principale différence entre les deux nanoparticules était que l’une d’entre elles avait une double couche de revêtement.
La pensée dominante à l’époque, tel qu’informé par les modèles scientifiques, suggérait que la double couche ne devrait pas faire une grande différence en termes d’effet de chauffage, mais c’est ce qui s’est passé. Comme l’ont révélé les données du faisceau de neutrons, les nanoparticules dotées d’une double couche ont eu tendance à se regrouper dans un alignement magnétique. De plus, cet alignement magnétique a amplifié l’effet de chauffage par un facteur de sept. Cette découverte a infirmé l’hypothèse précédente selon laquelle les nanoparticules pouvaient être traitées comme des unités indépendantes. En effet, comme l’a montré l’expérience, des nanoparticules voisines peuvent avoir un effet énorme l’une sur l’autre.
Dans des recherches ultérieures, van Lierop, Ivkov, Dennis et leurs collaborateurs ont démontré le succès du traitement de tumeurs de souris à l’aide de ces nanoparticules à double couche. Après un seul traitement, la chaleur générée a entraîné une régression presque complète des tumeurs. En outre, les tumeurs n’ont réapparu que chez 25 % des souris. Ces résultats prometteurs ont été publiés dans un article de référence en 2009 (doi:1088/0957-4484/20/39/395103). Cependant, certaines questions subsistent quant aux mécanismes exacts qui ont permis aux nanoparticules à double couche de générer autant de chaleur.
L’équipe de recherche a donc entrepris d’examiner une gamme plus large de nanoparticules afin de mettre en lumière les caractéristiques précises qui rendent les nanoparticules à double couche si avantageuses pour le chauffage, et de déterminer quels autres facteurs seraient importants pour améliorer encore la production de chaleur. En fait, ils ont identifié un ensemble de facteurs précédemment négligés qui se sont avérés essentiels au processus de chauffage.
L’un de ces facteurs est lié au domaine magnétique des nanoparticules (c’est-à-dire la région où les champs magnétiques produits dans le matériau sont tous alignés dans la même direction). Les chercheurs ont utilisé des faisceaux de neutrons pour caractériser les domaines magnétiques à l’intérieur de leurs nanoparticules et ont découvert une structure multi-domaine assez complexe. Avant cette étude, les modèles étaient souvent basés sur le cas plus simple d’un noyau magnétique à un seul domaine, en supposant qu’une structure plus complexe aurait des effets négligeables. Cependant, l’équipe a pu modéliser ses observations pour montrer que la structure multidomaine contribuait sans aucun doute de manière significative aux capacités de chauffage des nanoparticules ; elle a publié ces résultats en 2011 (doi:10.1063/1.3540589).
Les conclusions de l’équipe sur la façon dont une structure multidomaine affecte le chauffage ont des implications importantes pour le traitement du cancer, car elles introduisent la possibilité séduisante de concevoir délibérément le noyau magnétique des nanoparticules pour un chauffage optimal. Avant d’y parvenir, ils ont dû examiner un éventail plus large de types de noyaux.
Pour ce faire, les chercheurs ont examiné un ensemble de trois autres nanoparticules présentant des propriétés physiques similaires, mais des noyaux tout à fait différents (c’est-à-dire des noyaux ferromagnétiques, magnétiques ou à cristaux magnétiques). Ces différences se sont avérées assez frappantes, et la modélisation informatique a montré que ces variations du noyau étaient responsables des différences observées dans la capacité de chauffage, qui variait d’un facteur quatre entre les types. Ces résultats, publiés en 2015 (doi:10.1002/adfm.201500405), ont suscité l'enthousiasme des communautés physique et médicale.
« Ivkov prend maintenant la tête de la poursuite des essais précliniques pour démontrer les capacités de destruction du cancer des nanoparticules améliorées »
« Nos découvertes alimentent désormais les processus de conception d’autres équipes de recherche dans le monde entier », explique M. Dennis.
En fait, les résultats cumulés de l’équipe représentent un changement de paradigme dans la pensée scientifique en termes de conception de nanoparticules pour des applications telles que le traitement des tumeurs.
« La collaboration entre les physiciens et les scientifiques biomédicaux a été très fructueuse », explique M. van Lierop. « Alors que nous, physiciens, avons fourni les compétences et les techniques pour caractériser et comprendre les matériaux, nos partenaires nous ont aidés à déterminer notre approche de la recherche, afin de nous assurer que les résultats seraient utiles pour le développement d’applications biomédicales ».
En effet, M. Ivkov est actuellement à la tête d’essais précliniques visant à démontrer les capacités de destruction du cancer des nanoparticules améliorées.
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
