Dans le contexte de la lutte contre le cancer, les nanoparticules magnétiques sont utilisées à plusieurs fins : marquage de tissus pour l'imagerie, ciblage de la délivrance de médicament, destruction de cellules cancéreuses par chauffage magnétique, etc. Un des axes de recherche, de portée plus générale, porte sur l'effet de forces mécaniques locales appliquées à la cellule pour en modifier la physiologie ou le comportement. Il a par exemple été montré que la mise en vibration de particules magnétiques de taille micronique, par application d'un champ magnétique externe basse fréquence, entraîne la mort cellulaire en quelques minutes.
Les nanoparticules les plus couramment utilisées pour les applications biomédicales sont constituées d'oxyde de fer avec une taille d'au plus quelques dizaines de nanomètres. Or, celles-ci sont beaucoup trop petites pour générer les forces magnéto-mécaniques susceptibles de perturber la cellule, celles-ci nécessitant plutôt des particules de taille micronique. De telles particules magnétiques (MP) ont été développées à l'Irig, par exemple sous forme de disques de permalloy (alliage Ni₈₀Fe₂₀) de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur (Figure de gauche). Ces particules sont fabriquées par lithographie optique en salle blanche mais présentent l'inconvénient d'un coût de fabrication élevé et d'un faible rendement de production. D'autre part, des études menées in vivo où les particules étaient injectées dans une tumeur ont mis en évidence le fait qu'elles circulaient très peu à l'échelle du tissu tumoral, empêchant ainsi une action globale sur l'ensemble de la tumeur.
Pour pallier à ces inconvénients, les chercheurs de l’Irig [collaboration] ont développé un type nouveau de microparticules magnétiques. Ce sont des particules de magnétite, obtenues par broyage d’une poudre de magnétite pour obtenir une production en masse et à coût réduit. Leur taille d'environ un micron est optimisée afin que leur vibration induise le stress mécanique recherché sur les cellules (Figure de droite). Après obtention de la granulométrie recherchée, les microparticules sont recouvertes d'une enveloppe de silice sur laquelle sont greffés divers types de ligands PEG (poly(éthylène glycol)) afin d'en améliorer la dispersion dans les cellules.


À gauche : microparticules magnétiques de permalloy fabriquées par lithographie optique.
À droite : microparticules de magnétite fabriquées par broyage de poudre. Credit CEA​

Une première étape de validation de ces nouvelles microparticules a consisté à vérifier leur toxicité in vitro sur des cellules de glioblastome, une forme extrêmement agressive de cancer du cerveau. Les résultats montrent que ces particules sont bien tolérées jusqu'aux doses les plus élevées. Ces tests ont aussi permis d'observer que le greffage avec le PEG améliore de façon considérable la dispersion des particules au milieu des cellules, ce qui était un des effets recherchés.
La seconde étape de validation consiste à observer l'effet sur les cellules de la mise en vibration des particules sous l'action d'un champ magnétique externe de fréquence comprise entre 2 et 20 Hz. Un résultat intéressant se dégage si l'on compare l'effet des particules nues, et l'effet des particules recouvertes de PEG (MP-PEG) : alors que les particules nues entraînent la mort de 90 % des cellules, la mise en vibration des MP-PEG entraîne une mortalité moindre. Néanmoins, les cellules exposées aux MP-PEG présentent en proportion une forte augmentation de mort par apoptose. Qui plus est, l'augmentation de l'apoptose est plus marquée lorsque la fréquence de vibration est la plus faible (2 Hz).

Ces résultats mettent en évidence une différence dans le mécanisme de mort cellulaire en fonction du type de particules (fonctionnalisées ou non) et des conditions de la stimulation mécanique. Cette différence pourrait être attribuée à l'amortissement des vibrations par les chaînes de PEG : là où des vibrations plus énergiques entraîneraient la nécrose cellulaire par rupture de la membrane, les vibrations plus douces et l'amortissement induit par le PEG initierait une chaîne de réactions cellulaire menant à l'apoptose.

Ces résultats ouvrent la porte à des études plus poussées de l'effet des vibrations magnéto-mécaniques sur la cellule, à la fois dans un contexte de recherche de thérapies nouvelles que dans un contexte plus fondamental de recherche sur la mécano-sensibilité cellulaire.