Delivery of molecules into cells using carbon nanoparticles activated by femtosecond laser pulses
Prerona Chakravarty,Wei Qian, Mostafa A. El-Sayed & Mark R. Prausnitz
Nature Nanotechnology 5,607–611 (2010)
doi:10.1038/nnano.2010.126
A major barrier to drug and gene delivery is crossing the cell's plasma membrane. Physical forces applied to cells via electroporation1, ultrasound2 and laser irradiation3, 4, 5, 6 generate nanoscale holes in the plasma membrane for direct delivery of drugs into the cytoplasm. Inspired by previous work showing that laser excitation of carbon nanoparticles can drive the carbon-steam reaction to generate highly controlled shock waves7, 8, 9, 10, we show that carbon black nanoparticles activated by femtosecond laser pulses can facilitate the delivery of small molecules, proteins and DNA into two types of cells. Our initial results suggest that interaction between the laser energy and carbon black nanoparticles may generate photoacoustic forces by chemical reaction to create transient holes in the membrane for intracellular delivery.
Ref.
http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n8/abs/nnano.2010.126.html
Tuesday, January 3, 2012
Monday, January 2, 2012
pas de vascularisation: cartilage, articulation, système osteo-articulaire; arthrose fulgurante; Arthrose de l’Articulation Interphalangienne Distale des Doigts
L’ensemble du cartilage ne présente pas de vascularisation (comme la cornée) ce qui est assez rare par rapport aux autres tissus.
Malgré le pourcentage élevé de la population atteinte, nous disposons de peu de traitements efficaces, et les processus de destruction du cartilage articulaire restent encore mal connus.
J'ai trouvé un article sérieux qui laisserait penser un petit effet via le magnétisme (en anglais):
http://www.cmaj.ca/content/177/7/736.full
ASPECTS FONDAMENTAUX
Le cartilage, qu’il soit articulaire (AR) ou de croissance (GP pour Growth Plate) est composé d'un seul type cellulaire, le chondrocyte, qui synthétise et secrète des protéines formant une matrice extra-cellulaire très spécifique.
L’ensemble du cartilage avasculaire est donc globalement hypoxique. Il n’est pas non plus innervé (Fig. 1).
Cette matrice est responsable du maintien du phénotype cellulaire et des fonctions mécaniques du cartilage. Au cours du temps, le chondrocyte et sa matrice subissent un processus physiologique dénommé sénescence. Ce processus débute dès la deuxième décennie de la vie et touche le cartilage articulaire (et le disque intervertébral). Dans certains cas il peut s’aggraver aboutissant au processus pathologique commun de toutes les maladies articulaires : la destruction du cartilage.
L’articulation est, quant à elle, délimitée par une membrane synoviale et un manchon fibreux appelé capsule qui renforce à l’extérieur la membrane synoviale. Des ligaments latéraux et parfois intra-articulaires, notamment dans le cas du genou, viennent stabiliser l’articulation. Le cartilage se trouve donc enfermé dans une cavité close et stérile, et baigne dans un liquide visco-élastique sécrété par la membrane synoviale, le liquide synovial. Le cartilage articulaire permet de transmettre, d’amortir et de distribuer des charges tout en assurant un glissement harmonieux des pièces articulaires avec un coefficient de friction très bas. Sa capacité à subir des déformations réversibles est directement liée à son organisation structurale, c’est-à-dire à l’arrangement des macromolécules qui le composent.
Le cartilage articulaire joue également un rôle essentiel dans la répartition des contraintes mécaniques sur une surface maximale de l’os sous-chondral (Radin et Rose 1986). Il est ainsi capable de résister aux forces de compression, tout en étant capable de se déformer pour supporter au mieux les contraintes mécaniques. Ces propriétés d’amortissement sont conférées par l’eau qu’il contient et qui constitue plus de 80% du poids du tissu hydraté, ainsi que par les protéoglycanes (PG) auxquels cette eau est associée et qui sont eux-mêmes piégés dans une trame de collagènes. La résistance aux compressions est d’autant mieux supportée que l’os sous-chondral présente une organisation en travées espacées les unes des autres par la mœlle osseuse, et perpendiculaires à la surface articulaire. En réponse à l’application d’une contrainte, cette structure de l’os sous-chondral permettrait au cartilage de s’affaisser entre les travées. Ainsi, il est essentiel que l’intégrité biochimique et structurale du cartilage articulaire et de l’os sous-chondral soit conservée pour préserver la fonction articulaire.
Les PGs confèrent l’élasticité nécessaire aux propriétés mécaniques du tissu cartilagineux. Quand les forces de compression s’exercent sur le cartilage, il se comporte comme un matériau visco-élastique : en charge, le cartilage se déforme instantanément. Cette capacité à se déformer est directement liée à la teneur en PGs. En effet, les charges négatives des groupements sulfatés attirent des ions de charges opposés, principalement du sodium, rendant le tissu très hydrophile. L’eau attirée dans le tissu crée alors une forte pression osmotique et augmente le volume des fibres de collagène. Lors d’une déformation, l’eau est expulsée et un équilibre s’établit entre la charge appliquée et la pression osmotique. Une fois la charge supprimée, les PGs se réhydratent et le réseau reprend son volume initial.
Les chondrocytes occupent 10 % du volume cartilagineux total mais leur nombre, leur taille et leur forme ainsi que leur activité métabolique varient considérablement selon le type d’articulation, la localisation topographique et surtout l’âge de l’individu. Les chondrocytes ne migrent pas et se multiplient peu ou pas dans un cartilage sain. La densité cellulaire tend même à décroître avec l’âge.
En raison du caractère avasculaire du cartilage, le chondrocyte utilise essentiellement le glucose et privilégierait la voie de la glycolyse anaérobie. Le cartilage est un des rares tissus à fonctionner en hypoxie. Il existe ainsi un gradient hypoxique qui varie de 10 % de teneur en oxygène en surface à 1 % en profondeur. Les chondrocytes de la couche superficielle peuvent alors utiliser partiellement un fonctionnement aérobie par diffusion de l’oxygène présent dans le liquide synovial.
L’apport en nutriments provient presque exclusivement du liquide synovial. Celui-ci correspond à un dialysat sélectif du plasma auquel manquent les protéines de poids moléculaire élevé. Le liquide synovial sert également de lubrifiant pour l’articulation, amortit les chocs et évite le contact direct des cartilages articulaires entre eux. Ce pouvoir lubrifiant du liquide synovial est lié à l’abondance en AH à l’origine de sa viscosité. Il permet aussi l’évacuation des débris issus du cartilage articulaire en les dirigeant jusqu’au tissu synovial, siège de leur phagocytose. Chaque nutriment diffuse des capillaires synoviaux vers le liquide synovial avant d’atteindre la MEC du cartilage. Seuls les composants de bas poids moléculaire peuvent pénétrer le cartilage par simple diffusion ou imbibition favorisée par la mobilité de l’articulation. Les plus encombrants ne peuvent pénétrer que sous l’effet de la compression intermittente qui s’exerce au cours des mouvements. Les macromolécules ne peuvent pas pénétrer les mailles serrées de la surface articulaire. La charge ionique des molécules conditionne également leurs accès aux chondrocytes. Chaque cellule possède l’ensemble des organites nécessaires à la synthèse et à la maturation des protéines à destinée intra- et extracellulaire. L’analyse ultrastructurale du chondrocyte révèle un noyau central volumineux, des ribosomes, un réticulum endoplasmique, un appareil de Golgi, des mitochondries ainsi que des vacuoles lipidiques, glycogéniques et lysosomiales. Cependant, le métabolisme chondrocytaire tout comme l’aspect cellulaire et le nombre de cellules, est très variable selon la zone cartilagineuse considérée (Aydelotte et al. 1992). En situation physiologique, le chondrocyte maintient un équilibre dynamique entre la synthèse et la dégradation des protéines structurales de la matrice cartilagineuse (collagènes, PGs, glycoprotéines). Cet équilibre est rompu lors d'une maladie articulaire.
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Les maladies articulaires sont de deux types :
- inflammatoire (arthrite) ou
- dégénérative (arthrose).
On est alors dans le cadre d’une maladie locale.
Dans le cas de l’arthrite, le processus pathologique associe à la fois une inflammation locale articulaire et une inflammation systémique.
L’arthrose est une maladie très fréquente (en France, 5 millions de personnes sont concernées par cette pathologie) et le pourcentage de la population touchée par cette maladie augmente avec l’âge (Hamerman 1993). Différentes articulations peuvent être atteintes parmi lesquelles le genou (gonarthrose = 35 %), la hanche (coxarthrose= 20 %) ou encore les doigts. L’arthrose constitue la seconde cause d’invalidité après les maladies cardio-vasculaires et représente ainsi un véritable enjeu en terme de santé publique.
Avant l’âge de 50 ans, la pathologie est également répartie entre homme et femme. Puis, elle prédomine chez la femme en raison d’une prévalence élevée de la gonarthrose : 35 % des femmes de plus de 65 ans présentent des atteintes arthrosiques au niveau du genou (Kean et al. 2009).
Au cours du processus arthrosique, le cartilage s’assombrit, se ramollit, ce qui a pour conséquences de modifier ses propriétés d’amortissement des chocs. Il se fissure, s’érode et s’amincit pour ensuite disparaître totalement laissant l’os sous-chondral à nu. Ces changements provoquent des altérations osseuses avec une sclérose de l’os sous-chondral, la formation d’ostéophytes en marge des zones érodées et de géodes sous-chondrales. En se désagrégeant, le cartilage libère des fragments qui peuvent déclencher des réactions inflammatoires au niveau de la membrane synoviale. Les médiateurs inflammatoires alors libérés dans la cavité articulaire entretiennent le processus dégénératif en activant les enzymes protéolytiques et en diminuant la synthèse de la matrice.
A la suite de leur dégradation par les MMP-1, -8 et -13, les collagènes de la matrice cartilagineuse perdent leur structure en triple hélice (Billinghurst et al. 1997) et deviennent beaucoup plus sensibles à l’action des protéases. Un nouvel équilibre s’installe alors entre la pression osmotique générée par les PGs et la tension des fibres de collagènes qui ne peuvent plus restreindre l’entrée d’eau dans le cartilage. Le turn-over des collagènes étant très lent, une atteinte du réseau fibrillaire rend irréversible une atteinte du cartilage (Hasty et al. 1990).
L’arthrose peut être considérée comme une maladie du cartilage mais celui-ci n’est pas la seule cible puisque l’os sous-chondral est aussi atteint (Lajeunesse et Reboul 2003). Ainsi, ces changements de l’os accompagnant l’arthrose apparaissent assez tôt au cours du processus pathologique (Buckland-Wright et al. 2000).
L’arthrose est une maladie évolutive. Son rythme de progression diffère d’une personne à l’autre et n’est pas uniforme au cours du temps (Meachim et al. 1977) (Cicuttini et al. 1999) (Raynauld et al. 2004). Dans la plupart des cas, l’arthrose est marquée par des épisodes évolutifs par intermittence avec des poussées congestives aiguës caractérisées par des modifications du rythme de la douleur suivies de périodes d’accalmie. Ces poussées surviennent à une fréquence variable selon les patients et l’ancienneté de la maladie. Durant ces poussées, une accélération de la dégradation cartilagineuse est observée (Wluka et al. 2004).
La radiographie classique reste la technique la plus utilisée (bien que n'imageant que l'os et non le cartilage) mais l'IRM commence à l'être de plus en plus en plus (these Etude IRM du vieillissement articulaire à 1.5 et 7 Teslas : Approches volumiques et cartographiques par Jean-Christophe Goebel: http://www.theses.fr/2009NAN10108).
Actuellement aucun traitement réparateur n’existe pour répondre à la destruction du cartilage (hormis la pose d'une prothèse chirurgicale). Le développement d'alternatives thérapeutiques à la chirurgie pour prévenir ou réparer les lésions du cartilage reste un défi.
Thérapie tissulaire
1) intérêt des cellules souches du tissu péri-articulaire dans la régénération provoquée du cartilage
2) conception de biomatériaux destinés à réparer les traumatismes du cartilage articulaire (et du DIV) et à prévenir l’initiation de l’arthrose post-traumatique. Un biomatériau hybride peut être réalisé à partir de chondrocytes humains inclus dans un polymère biocompatible, le chitosan. Le phénotype de "néocartilage" des cellules a été analysé au cours de la culture (collaboration A. Domard, UMR CNRS 5627, et Laboratoires Genévrier, Sophia Antipolis). Ce travail a fait l'objet d'un Brevet en 2006. (Montembault et al, Biochimie 2006).
3)Récemment un chirurgien rennais commence à soigner l’arthrose de l’épaule en faisant repousser le cartilage. Une révolution qui est déjà une réalité. Philippe Collin est le seul à pratiquer cette opération en France.
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La destruction du cartilage se traduit d’abord par une dégradation de la matrice. Ce phénomène est initié par une diminution du contenu en protéoglycanes et en eau du tissu. Il s’y associe ensuite un processus de néosynthèse de collagène, considéré comme une réaction de défense de la cellule. Toutefois, cette réaction est inadaptée puisqu’elle aboutit à la production de collagène de type I et non de collagène de type II ce qui conduit à la formation d’une matrice non fonctionnelle.
En fait, le cartilage pathologique subit un double déséquilibre à la fois sur les synthèses et sur la dégradation des protéines matricielles. Les enzymes clés de la dégradation du cartilage sont les métalloprotéases matricielles (MMPs) dont la production est augmentée au cours de la destruction du cartilage. Ces MMPs et leur régulation sont une cible thérapeutique d’intérêt. L'augmentation de synthèse des MMPs est sous la dépendance de médiateurs pro-inflammatoires comme les cytokines (Interleukin-1beta, IL-1beta ; TNFalpha ; IL-17, etc...), des espèces réactives oxygénées (NOl, Ol) et/ou du stress mécanique (Figs. 2A, 2B).
Deux os recouverts de cartilage s’articulant ensemble forment une articulation. Au niveau des doigts les surfaces articulaires sont parfaitement congruentes et glissent l’une sur l’autre permettant le mouvement.
L’arthrose de l’articulation inter-phalangienne distale touche l’articulation située à l’extrémité du doigt.
SYMPTOMES et EXAMEN CLINIQUE
Le patient consulte pour un ou plusieurs symptômes parmi :
- La douleur : évoluant par poussées de 3 semaines environ.
- Le gonflement du bout du doigt lors des poussées douloureuses.
- La déformation de l’articulation inter phalangienne distale avec parfois désaxation du doigt. On retrouve fréquemment des nodules sur le dos du doigt appelés nodules d’Heberden.
- Un kyste mucoïde (petite boule située près de l’ongle, le déformant parfois.
- Une raideur articulaire de l’extrémité du doigt.
Plusieurs doigts d’une même main sont fréquemment touchés, souvent les deux mains sont atteintes. Parfois l’arthrose est globale et touche toutes les articulations des doigts.
TRAITEMENT
Le traitement commence avant tout par un traitement médical. On associera des antalgiques et des anti-inflammatoires en cas de non contre-indication. On peut également envisager le port d’une petite attelle. Cette attelle permet de diminuer les douleurs mais ne peut pas prévenir de la déformation du doigt.
En cas d’inefficacité du traitement précédent, il faut envisager un traitement chirurgical.
Plusieurs interventions sont possibles en fonction de la gêne:
- Le doigt est raide et/ou douloureux : L’arthrodèse est l’intervention la plus couramment utilisée. Elle consiste à faire fusionner l’articulation atteinte en extension à l‘aide de 2 broches. Elle a pour avantage de faire disparaître les douleurs et de donner un aspect cosmétique satisfaisant. En revanche, elle fait disparaître la mobilité de cette articulation.
- Les nodules du dos du doigt (nodules d’Heberden) douloureux ou non : Il est possible de réaliser une intervention de chirurgie esthétique (le lifting du doigt) consistant en l’ablation de ces nodules et à retendre la peau du dos du doigt. Il sera également pratiquer un lavage articulaire permettant de diminuer temporairement les douleurs. Cette intervention a l’avantage de redonner un doigt esthétique et de garder la mobilité articulaire mais l’inconvénient est que l’amélioration sur les douleurs et la mobilité est temporaire.
- Le kyste mucoïde : il est possible d’en réaliser l’ablation.
Toutes ces interventions se déroulent en ambulatoire (c-a-d le patient ne dort pas à l’hôpital), sous anesthésie locale ou locorégionale (l’anesthésie générale est pratiquée uniquement en cas de contre-indication à l’anesthésie locale ou si le patient le souhaite).
SUITES POST-OPERATOIRES
En cas d’arthrodèse, le doigt reste immobilisé dans une petite attelle de doigt pendant 2 mois puis sera envisagé l’ablation des broches.
Pour les autres interventions, le patient sort de la clinique avec un pansement à changer tous les 2 jours jusqu’à cicatrisation complète, environ 2 à 3 semaines. Le patient mobilise les doigts immédiatement après l’intervention. Il n’y a pas de rééducation dans les suites. Quelques douleurs peuvent persister pendant le mois qui suit l’intervention.
COMPLICATIONS
Les complications sont rares. Il s’agit essentiellement d’infection, parfois d’algodystrophie.
En cas d’arthrodèse, la fusion articulaire n’est parfois pas obtenue et nécessite une nouvelle intervention chirurgicale si le doigt reste douloureux. On pourra alors proposer une greffe osseuse pour obtenir la consolidation.
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Perturbation hormonale
Les effets des polluants environnementaux sur la croissance du squelette pendant le développement et sur l’homéostasie du cartilage articulaire (et du DIV) sont à souligner. Par example deux catégories de polluants: les Arylhydrocarbures (benzo-a-pyrène du tabac, Dioxine) et les produits pharmaceutiques rejetés dans l’environnement par les eaux usées.
qq cibles:
-l’expression du récepteur des arylhydrocarbures (AhR) dans le cartilage et les effets de ses ligands sur le gène cible de AhR, CYP1A1, ainsi que sur les marqueurs chondrogéniques. AhR n’est pratiquement pas exprimé dans le AR alors qu’il est exprimé plus fortement dans le CR. Dans les deux cas, il est inductible par IL-1beta, et cet effet est inhibé par l'hypoxie. AhR ne se transloque dans le noyau et n’active le gène CYP1A1 sous l’effet de la Dioxine qu’en conditions de normoxie et en présence de l’IL-1beta.
-le resvératrol comme antagoniste compétitif du AhR; antagonistes pharmacologiques dérivés du resvératrol de haute affinité pour AhR (Brevet 2002) (De Medina et al., 2005).
-perturbation du développement du squelette in utero sous l'influence des pesticides xénoestrogènes (Projet MEDD, collaboration C. Canivenc-Lavier, INRA Dijon).
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Ref.
http://www.biomedicale.univ-paris5.fr/UMR-S_747/equipe_2_032.htm
http://www.rtflash.fr/tag/philippe-collin
http://www.chirurgiemain.fr/pathologies/maladie-de-la-main/arthrose-de-larticulation-interphalangienne-distale-des-doigts/
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