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Des globules rouges artificiels

  • Posté le : Mercredi 1 Décembre 2004
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  • par : X. Labouze
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  • Expert : C. Chauvierre
  • Actualisé le : Lundi 8 Septembre 2008
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Même le cœur le plus amoureux bat avant tout pour distribuer le sang vers les autres organes. Le sang circule partout dans notre corps, le maintenant à bonne température, le protégeant des intrusions étrangères, lui apportant oxygène et nourriture dont il a besoin pour, un jour peut-être, chanter l'amour autour d'une claire fontaine. Voilà pour le sang. Quant au sang artificiel, c'est une autre histoire…

HématieHématie, globule rouge du sang humain in situ
© Inserm

Du sang à tout faire

Globules blancs, globules rouges, plaquettes, plasma, autant de constituants du sang qui lui confèrent son statut de fluide essentiel.

Dans le plasma sanguin, espèce de soupe visqueuse, on trouve un peu de tout : les globules du sang bien sûr, mais aussi des nutriments, comme les sucres ou les graisses, des hormones - les messagers chimiques de notre corps -, des vitamines, etc.

Qu'un corps étranger
- virus, bactéries, parasites… - s'introduise dans notre corps et voilà nos globules blancs qui les attaquent sans relâche. L'envahisseur pourra nous rendre malade, la bataille n'en sera que plus rude. Mais, à la fin, la guérison signera la victoire de notre système immunitaire, notre système de défense, dont les globules blancs sont les fervents soldats.

Les globules rouges, eux, sont les travailleurs de la respiration
: l'oxygène inspiré doit être transporté, depuis le poumon jusqu'à l'ensemble des cellules qui en ont besoin comme carburant pour produire l'énergie nécessaire à leur bon fonctionnement. Une fois consommé, l'oxygène est transformé en gaz carbonique, le gaz d'échappement de nos cellules qu'il faut évacuer ; chemin inverse, il faut transporter le gaz carbonique des cellules au poumon, qui l'expulsera à chaque expiration. Nos globules rouges recèlent en leur sein un pigment rouge, l'hémoglobine, la protéine qui assure le transport de ces gaz, oxygène à l'aller, gaz carbonique au retour.

Les plaquettes, les plus nombreuses après les globules rouges, s'activent au moment d'une plaie, interne ou externe, pour coaguler le sang, et en limiter la perte. Car il s'agit bien de conserver ce liquide précieux et rare : seulement cinq litres de sang irriguent notre corps et le maintiennent en vie.

Et quand, malgré les plaquettes, une personne perd trop de sang - c'est le cas des accidentés de la route par exemple, ou lors d'une transfusion ou d'une opération chirurgicale -, il faut lui remplacer le sang perdu par du sang compatible provenant de donneurs volontaires. Seulement, on le sait, les besoins de sang sont en constante augmentation, et, à plus ou moins long terme, les dons du sang ne suffiront plus : on manque de donneurs, donc de sang. Le recours aux substituts du sang sera bientôt inévitable.

Depuis des dizaines d'années, les scientifiques poursuivent le rêve de mettre au point un sang artificiel, recherchant un produit universellement compatible, sans effets secondaires, facilement réalisable et peu coûteux.

Le Laboratoire de la pathologie de la polymérisation des protéines
, substitut du sang et maladies rares du globule rouge, unité Inserm U779 (ex U473) du Kremlin-Bicêtre (université Paris-Sud 11), développe depuis les années 2000 l'étude de substituts du sang synthétiques. Les activités de cette équipe concourent à un objectif commun : concevoir, développer, caractériser et évaluer des systèmes colloïdaux originaux, en alliant des compétences scientifiques diverses. Cette stratégie originale fondée sur une structure interdisciplinaire a permis de mettre au point un type nouveau de transporteur d'oxygène très prometteur.

01.Un système et ses limites


En fait de substitut de sang, un "sang artificiel"
n'est pas du véritable sang : pas de plaquettes, pas de globules blancs, juste un système de synthèse qui permet de transporter efficacement l'oxygène, le comburant de nos cellules, partout dans le corps. "Juste un système" qui fait travailler les chercheurs du monde entier depuis longtemps déjà. Car la tâche est difficile.

Les limites des différents substituts du sang existants

À l'heure actuelle, plusieurs systèmes de transport d'oxygène sont en cours d'étude. Chacun avec ses inconvénients.

En premier lieu, les "perfluorocarbones", des composés chimiques particuliers qui rendent plus soluble l'oxygène en milieu aqueux. Plus d'oxygène dissous, plus d'oxygène transporté, c'est l'idée. Seulement, dans les conditions biologiques de notre corps, les perfluorocarbones restent bien moins efficaces que nos globules rouges. D'où l'idée d’utiliser des solutions d'hémoglobine pure, cette protéine contenue naturellement dans nos globules rouges et spécialisée dans le transport de gaz, oxygène et gaz carbonique.
plaquette sanguinePlaquette sanguine
© Inserm

Premier écueil : la solution d'hémoglobine devrait rester dans le circuit du sang (le circuit vasculaire) quand on l'y injecte, alors qu'elle est éliminée par les reins (l'hémoglobine administrée va stagner dans les reins ; or elle contient du fer, un oligo-élément indispensable à l'organisme mais toxique à haute dose). À cette fin, on a pensé à regrouper les molécules d'hémoglobines entre elles, pour former une méga-molécule - un polymère pour être précis. Le produit ainsi obtenu, plus solide et plus gros, ne se désintègre pas et ne peut pas sortir du circuit vasculaire par les pores présents ici ou là. On pourrait croire que ces solutions d'hémoglobines polymérisées résolvent le délicat problème du substitut du sang. Il n'en est rien.

Car, un deuxième écueil apparaît, beaucoup plus difficile à éviter que le premier : l'auto-oxydation de la molécule. Explications : si l'oxygène est le comburant de nos cellules, c'est bien qu'il apporte de l'énergie. Comment ? L'oxygène est un… oxydant bien sûr ! Autrement dit, l'oxygène facilite les réactions chimiques appelées "oxydations" qui libèrent de l'énergie quand elles se déroulent dans nos cellules. Alors, l'hémoglobine, transporteuse d'oxygène, en contact constant avec cet oxydant fort, n'est pas à l'abri, elle-même, d'une réaction d'oxydation. C'est cela qu'il faut éviter, ce qu'on a appelé : l'auto-oxydation de la molécule. Il faut savoir que l'hémoglobine accroche l'oxygène avec du fer. En cas d'oxydation, ce fer se transformerait et deviendrait une espèce de rouille biologique fort toxique. Cette oxydation normale et rapide de la molécule d'hémoglobine rend la solution d'hémoglobine très vite inefficace malgré sa persistance dans le flux circulatoire.

On pourrait se demander pourquoi cette réaction d'auto-oxydation de l'hémoglobine ne se produit pas naturellement dans notre corps. C'est que notre corps est bien fait : l'hémoglobine est contenue à l'intérieur de nos globules rouges qui la mettent ainsi à l'abri de telles réactions grâce à une machinerie dont le fioul est le glucose.

02.Les nanotechnologies à la rescousse

Pourquoi ne pas faire comme les globules rouges : mettre l'hémoglobine à l'abri, l'entourer d'un "globule" artificiel, l'encapsuler dans une matrice qui la protègerait ? L'encapsulation de l'hémoglobine dans un vecteur, permettant entre autres l'adjonction d'un système antioxydant, apporte une réponse de choix aux limites d'utilisation des solutions d'hémoglobine. Nous entrons là dans un nouveau domaine émergent de la science : les nanotechnologies, les technologies des systèmes nanométriques, de même taille que les molécules de notre corps comme l'hémoglobine.
Images de nanoparticules dextrane-PACAImages de nanoparticules dextrane-PACA obtenue en microscopie électronique à balayage
© C. Chauvierre

Les nanotechnologies étudient entre autres les moyens de fabriquer des systèmes efficaces à l'échelle biologique afin de les introduire dans notre corps et qu'ils agissent in situ. On imagine aisément ce que pourrait faire un minuscule robot, doté de son propre système de propulsion, qui circulerait dans le corps : il pourrait analyser les tissus rencontrés, diagnostiquer un dysfonctionnement, et administrer la bonne dose de médicament au bon endroit. Ceci reste de la science-fiction, mais des systèmes nanométriques de transport de substance active existent déjà ou sont à l'étude. Les substituts du sang en sont un bon exemple.

Un des mots-clés des nanotechnologies est la "vectorisation". La vectorisation est une opération visant à moduler et si possible à totalement maîtriser la distribution d'une substance active, ici l'hémoglobine, en l'associant à un système approprié appelé vecteur. Le vecteur idéal doit être capable de fixer de manière stable et reproductible une quantité suffisante de substance active, il doit être biodégradable, et non toxique. Or, comme pour tout dispositif artificiel biomédical, l'organisme réagit en tendant à isoler et détruire les intrus par des réactions de rejet mises en place par notre système immunitaire, dont font partie nos globules blancs.

03.De l'hémoglobine en capsule

Il existe deux stratégies afin d'éviter la capture des vecteurs et de prolonger ainsi leur circulation dans le globules rouges 006Globules blancs
© INSERM
compartiment sanguin : une approche physico-chimique, qui consiste à accroître la mobilité de ces particules en milieu aqueux en les rendant plus hydrophiles, tout en dressant une barrière à géométrie bien choisie qui empêche les globules blancs de les capturer ; et une approche biomimétique visant à imiter la surface des cellules de l'organisme et/ou des bactéries qui sont naturellement acceptées par notre système immunitaire. Par analogie aux avions échappant à la détection radar, de tels vecteurs sont dits "furtifs".

L'originalité du travail effectué au sein du Laboratoire de la pathologie de la polymérisation des protéines, substitut du sang et maladies rares du globule rouge, Inserm U779 (ex U473) du Kremlin-Bicêtre (université Paris-Sud 11), repose sur le fait que cette unité a réussi à élaborer des vecteurs résultant de la combinaison de ces deux approches, capables de fixer de manière stable l'hémoglobine, biodégradables, non toxiques, et non reconnus par l'organisme comme substance étrangère. L'obtention de ces vecteurs de nouvelle génération a nécessité la mise au point d'un processus de synthèse original considéré comme impossible en milieu aqueux par les scientifiques depuis les années soixante.

Le cahier des charges est en effet très strict. Premièrement, il faut que le vecteur puisse circuler librement dans le circuit vasculaire, un milieu fortement aqueux : le vecteur doit être hydrophile. Deuxièmement, il doit avoir une taille suffisamment grande pour contenir de l'hémoglobine, mais suffisamment petite pour interagir avec les molécules d'oxygène. Nous entrons là de plain-pied dans le domaine des nanotechnologies. Troisièmement, il doit être constitué de substance transparente pour le système immunitaire, pour éviter tout risque de rejet. Quatrièmement, on l'a déjà dit, il ne doit évidemment pas être toxique pour l'homme. Et enfin, d'un point de vue économique, il serait bon qu'il ne soit pas coûteux à la fabrication pour envisager une application à grande échelle. Gageure.

Représentation d’une molécule d’hémoglobineReprésentation d’une molécule d’hémoglobine sous sa forme tétramère
© Inserm U779
Le processus de fabrication, simple et extrêmement rapide, permet d'obtenir, sans solvants organiques de type alcool ou autre - ces solvants présentent une toxicité certaine pour notre organisme - des nanoparticules biodégradables. Ces nanoparticules sont constituées de molécules polymérisées (regroupées un grand nombre de fois entre elles pour former un "polymère") appartenant à une famille de composés neutres et faciles à dégrader, les poly(cyanoacrylates d'alkyle) ou PACA. Les PACA étant hydrophobes, on recouvre leur surface de polysaccharides naturels ou modifiés, des molécules de la famille des sucres, hydrophiles, faciles à manier. Voilà pour la matrice générale : un cœur hydrophobe qui pourra contenir, bien à l'abri du milieu aqueux environnant, la substance active, et une surface hydrophile qui facilitera le mouvement et la mission de ce vecteur dans le circuit vasculaire. Les résultats des études menées au sein de ce laboratoire ont montré que les polysaccharides greffés à la surface des sphères permettent à celles-ci de circuler longtemps dans le flux sanguin (de l'ordre de 24 heures).

Les vecteurs retenus se présentent ainsi sous la forme de sphères de très petite taille. La taille des sphères peut être modulée grâce au processus de synthèse développé à l'Inserm U779 (ex U743), en fonction de la nature des polysaccharides et de la nature des monomères de cyanoacrylate d'alkyle que l'on utilise pour les obtenir. La taille des sphères varie de 80 à plusieurs centaines de nanomètres. À titre de comparaison, les globules rouges ont une taille voisine de 7 micromètres dans leur plus grande dimension. La taille extrêmement réduite de ces vecteurs leur permet de circuler au sein des microcapillaires sanguins, ces micro-veines et micro-artères qui permettent d'irriguer l'ensemble de notre corps, à condition que le fluide qu'elles contiennent parvienne à les traverser.

Ces particules sont stables, sans ajout de conservateur, sur une période de plus de trois ans. Il est également possible de les déshydrater afin de les conserver sous forme de poudre et de les reconstituer ensuite.

04.Le coin des spécialistes

L'originalité et l'intérêt de ces vecteurs dans l'optique d'une utilisation transfusionnelle résident dans le choix de polysaccharides doués de propriétés biologiques différentes, susceptibles de faciliter et/ou de cibler l'apport d'oxygène aux tissus concernés. Ainsi, selon le polysaccharide utilisé, le produit sera indiqué pour traiter un syndrome hémorragique, un accident vasculaire occlusif ou comme adjuvant à une thérapie cancéreuse.

À titre d'exemple, le Laboratoire de la pathologie de la polymérisation des protéines, substitut du sang et maladies rares du globule rouge, Inserm U779 (ex U473) du Kremlin-Bicêtre (université Paris-Sud 11) a développé in vitro un vecteur nanoparticulaire fixant l'hémoglobine, constitué de poly(cyanoacrylate d'isobutyle) recouvert d'héparine dont on connaît les propriétés anticoagulantes. Ce transporteur d'oxygène serait ainsi plus particulièrement destiné aux traitements consécutifs à des accidents vaso-occlusifs. D'autres composés étudiés, constitués de PACA recouverts de différentes molécules (par exemple dérivés de dextrane et héparine mélangés) sont capables de fixer l'hémoglobine à des degrés variables. De plus, ces revêtements polysaccharidiques, sous forme de brosse dense, protègent ces nanoparticules contre la capture par les systèmes immunitaires chargés de la défense non spécifique contre les bactéries.

Dans nos globules rougeNanoparticules chargées en hémoglobine avec et sans oxygèneImage de nanoparticules chargées en hémoglobine avec (à gauche) et sans oxygène (à droite)
© Inserm U779
s, les molécules d'hémoglobine se regroupent par quatre, sous forme "tétramère". C'est sous cette forme que l'hémoglobine est fonctionnelle dans notre corps. Pour s'assurer que l'hémoglobine se fixe bien sur ces nouveaux vecteurs sous sa forme tétramère, deux formes d'hémoglobine humaine ont été testées : l'hémoglobine A normale, et une autre forme appelée forme pontée. Les résultats obtenus, avec ces deux types d'hémoglobine, sont similaires quel que soit le vecteur utilisé pour les fixer, démontrant bien que l'hémoglobine se fixe sous sa forme tétramère fonctionnelle.

Une fois qu'on s'est assuré que ces vecteurs pouvaient fixer l'hémoglobine sous sa forme biologique, il fallait encore savoir si ces nanoparticules étaient aussi efficaces que nos globules rouges. Résultat : ces vecteurs de première génération fixent environ 4 milligrammes (mg) d'hémoglobine par millilitre (ml) contre 130 mg/ml chez les globules rouges d'un homme moyen. Quoique largement inférieure, cette valeur est considérée comme satisfaisante pour certaines applications thérapeutiques. Toutefois, l'effort pour se rapprocher des valeurs physiologiques se poursuit.

À ce stade, des essais cliniques ont été menés et ont montré que les nanoparticules de PACA ne présentent pas de toxicité pour l'homme. De plus, la capacité de transport des gaz par l'hémoglobine vectorisée a été évaluée in vitro. Les résultats montrent que la fonction de l'hémoglobine est préservée quand elle est vectorisée.

L'originalité de ces systèmes repose sur les points suivants : systèmes de transport d'oxygène de très petite taille, ne posant pas de problème de conservation ; universellement compatibles, ne présentant pas d'effets secondaires ; biodégradables ; spécifiques de la pathologie grâce à la nature des polysaccharides employés dans la constitution du vecteur. Cette invention mime parfaitement les globules rouges, et, à l'heure actuelle des connaissances, apparaît comme un substitut du sang des plus prometteurs. De plus, les matières premières pour élaborer ces nouvelles nanoparticules et leur processus d'obtention sont peu onéreux, et l'on peut en produire en grande quantité.

L'invention de ce nouveau type de sang artificiel ouvre de réelles perspectives dans le domaine médical, puisque le marché des substituts du sang est mondial et que la demande est en forte croissance. Les enjeux économiques sont donc énormes.

05.L'état d'avancement

globules rougesGlobule rouge, appelé aussi hématie ou érythrocyte.
© Inserm
Des essais cliniques ont été menés et ont montré que les nanoparticules de PACA ne présentent pas de toxicité pour l'homme. De plus, la capacité de transport des gaz par l'hémoglobine vectorisée a été évaluée in vitro. Les résultats montrent que la fonction de l'hémoglobine est préservée quand elle est vectorisée. L'originalité de ces systèmes repose sur les points suivants : systèmes de transport d'oxygène de très petite taille, ne posant pas de problème de conservation, universellement compatibles, ne présentant pas d'effets secondaires, biodégradables, spécifiques de la pathologie grâce à la nature des polysaccharides employés dans la constitution du vecteur. Cette invention mime parfaitement les globules rouges, et, à l'heure actuelle des connaissances, apparaît comme un substitut du sang des plus prometteur. De plus, les matières premières pour élaborer ces nouvelles nanoparticules et leur processus d'obtention sont peu onéreux, et l'on peut en produire en grande quantité. L'invention de ce nouveau type de sang artificiel ouvre de réelles perspectives dans le domaine médical puisque le marché des substituts du sang est mondial, et que la demande est en forte croissance. Les enjeux économiques sont donc énormes

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