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Les nanomatériaux bidimensionnels font progresser la réparation, le traitement et le diagnostic du cerveau

Divers types de nanomatériaux ont été utilisés en neurosciences, y compris des nanomatériaux bidimensionnels (2D) largement connus pour leurs structures uniques et leurs propriétés physiques et chimiques. Récemment Journal de la nanobiotechnologie Bilan, les scientifiques discutent des applications des nanomatériaux 2D en neurosciences.

Stady : Application biomédicale des nanomatériaux bidimensionnels aux neurosciences. Crédit image : Gorodenkoff/Shutterstock.com

Types de nanomatériaux bidimensionnels

L’épaisseur des nanomatériaux bidimensionnels se situe généralement entre une ou plusieurs couches atomiques, les électrons se déplaçant librement dans les deux autres dimensions en dehors de l’échelle nanométrique de moins de 100 nanomètres (nm). Ces matériaux présentent des propriétés biochimiques et physicochimiques supérieures et ont été appliqués en médecine régénérative et en ingénierie tissulaire.

Certains types courants de nanomatériaux 2D comprennent le graphène, les hydroxydes doubles en couches (LDH), le phosphore noir (BP), les carbures de métaux de transition (TMC) et les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC). Beaucoup de ces nanomatériaux sont utilisés en neurosciences, notamment pour réduire l’inflammation neuronale, réparer les neurones/tissus lésés, modifier les synapses et réguler le destin des cellules souches.

Le graphène, le premier nanomatériau bidimensionnel découvert, est constitué d’atomes de carbone liés par covalence dans un réseau hexagonal. Plusieurs formes fonctionnelles de nanomatériaux à base de graphène (GBN) ont été développées, notamment le carboxylate de graphène, l’oxyde de graphène (GO) et le GO réduit (RGO).

Un autre nanomatériau 2D qui a attiré beaucoup d’attention récemment est le TMDC. La formule de généralisation des TMDC est MX2, où M sont des atomes de métal de transition pris en sandwich entre deux couches d’atomes de chalcogène (X). En 2014, les scientifiques ont découvert un BP bidimensionnel, qui se compose d’allotropes stables de phosphore qui ont une épaisseur combinée d’un à deux nanomètres.

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La LDH interagit avec les molécules organiques par échange d’anions, caractérisé par un phénomène appelé intercalation. Ce nanomatériau est chimiquement stable avec une biodégradabilité dépendant du pH.

Applications des nanomatériaux bidimensionnels en neurosciences

Différents types de nanomatériaux 2D ont été appliqués dans différents aspects des neurosciences, tels que la réparation neuronale, la stimulation synaptique, les maladies neurodégénératives (ND) et les gliomes.

Réparation et régénération neurologique

Le système nerveux a une faible capacité à régénérer les connexions axonales après une blessure ou une maladie. De plus, il est difficile pour les médicaments d’atteindre les zones endommagées à travers la barrière hémato-encéphalique (BHE).

Récemment, les nanomatériaux 2D ont été largement explorés pour leur potentiel thérapeutique, notamment dans la réparation et la régénération neuronale. Parce que les GBN présentent une grande conductivité électrique et une bonne biocompatibilité, ils sont d’excellents candidats pour l’ingénierie des tissus neuronaux.

Le substrat de graphène a été utilisé comme échafaudages cellulaires avec une stimulation électrique optimale. De plus, il a été démontré que les substrats de graphène favorisent l’adhésion cellulaire et favorisent la prolifération cellulaire. Des coussinets en nanofibres de poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA) recouverts de GO et de bleu de méthylène (MB) améliorent la capacité des cellules progénitrices neuronales (NPC) à faire face au stress de la maladie.

Simulation emmêlée

De plus, les nanomatériaux 2D ont été utilisés dans le développement de dispositifs de réticulation artificielle possédant des propriétés optoélectroniques, électroniques, électrochimiques et mécaniques.

Le graphène, avec d’autres matériaux, forme des hétérostructures qui agissent comme des réseaux artificiels. Par exemple, un phototransistor graphène/tantale/graphène présente des propriétés d’intrication visible sous rayonnement électromagnétique.

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ND

Les ND sont des maladies chroniques caractérisées par une dégénérescence neuronale et des dommages à la myéline, qui entraînent des troubles cognitifs et une morbidité chez les personnes âgées. Les trois principaux types de ND comprennent la maladie de Parkinson (MP), la maladie d’Alzheimer (MA) et la maladie de Huntington (HD), qui sont toutes associées à l’agrégation ou au mauvais repliement des protéines.

Auparavant, les nanomatériaux 2D étaient utilisés pour le diagnostic précoce et le traitement ultérieur des ND. utilisé l’aluminiure de nickel LDH avec des monocouches de graphène pour suivre les neurones dopaminergiques (DA) en temps réel afin de soutenir le diagnostic de la MP basé sur la DA.

Les nanocomposites de disulfure de molybdène soutenus par des nanoparticules de bleu de Prusse sont également une sonde potentielle de DA. Le BP marqué avec le ligand ciblant le cerveau, la lactoferrine chargée de Paeoniflorin, a également été utilisé dans le traitement de la MP.

Les échafaudages LHD contenant de courts acides nucléiques interférents (siARN) améliorent la capacité des siARN à cibler et à détruire des ARN messagers spécifiques (ARNm), qui peuvent être utilisés pour traiter la MH. De plus, GO a le potentiel de favoriser l’élimination de la huntingtine mutante (Htt) qui contribue à la pathogenèse de la MH.

Maladies traumatiques

Les deux principales causes de mortalité et de morbidité liées aux traumatismes dans le système nerveux central (SNC) sont les lésions cérébrales traumatiques (TBI) et les lésions de la moelle épinière (SCI).

Le traumatisme crânien cérébral est lié à une lésion cérébrale causée par une force mécanique externe pouvant entraîner une altération cérébrale temporaire ou permanente. Des nanoparticules de silicium à pores moyens dégradables recouvertes de nanofeuilles GO ont été développées pour transférer des siARN thérapeutiques et faire taire efficacement les gènes cibles.

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Les lésions de la moelle épinière ont été associées à des lésions de la moelle épinière pouvant entraîner divers degrés de quadriplégie ou de paraplégie. PLGA/GO est conçu pour transporter le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) et le facteur de croissance analogue à l’insuline 1 (IGF-1), qui peuvent fournir une protection aux NSC contre le stress oxydatif. De plus, GO a été considéré comme le principal nanomatériau pour le traitement des lésions médullaires.

gliale

Le gliome, un craniome commun résultant de la transformation maligne des cellules gliales de la moelle épinière et du cerveau, représente environ 80 % de toutes les tumeurs cérébrales malignes. Récemment, des nanomatériaux bidimensionnels ont été proposés pour le traitement et le diagnostic des gliomes. Par exemple, le BP a des propriétés supérieures d’absorption de la lumière et a été utilisé dans la thérapie photothermique (PTT) pour les cancers, y compris le gliome.

Référence de la revue :

  • Li, K., Ji, Q., Liang, H., et coll. (2023) Application biomédicale des nanomatériaux 2D en neurosciences. Journal de la nanobiotechnologie 21 (181). doi : 10.1186/s12951-023-01920-4

Delphine Perrault

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