La recherche de nanosécurité sans expérimentation animale

Pour réduire davantage le nombre d'expériences sur les animaux dans la recherche, les chercheurs recherchent des méthodes alternatives. Toutefois, garantir la sécurité de substances qui n'ont pas encore fait l'objet de recherches approfondies constitue un défi majeur. Cela est particulièrement le cas pour les nanomatériaux. Une équipe de l'Empa développe actuellement des procédés permettant d'atteindre cet objectif, en combinant des expériences en éprouvette avec des modèles mathématiques.
De nombreuses expériences sur les animaux peuvent déjà être évitées à l'aide de cultures de cellules ou de micro-organismes. Le succès est encore plus grand si les technologies sont intégrées dans des modèles de données appropriés. (Photo : Empa)

Elles sont déjà utilisées dans les cosmétiques et l'industrie textile : les nanoparticules contenues dans les crèmes solaires sont censées nous protéger des coups de soleil et les vêtements contenant des nano-argents ralentissent les bactéries. Toutefois, l'utilisation de ces minuscules ingrédients est également liée à la responsabilité de pouvoir exclure les conséquences négatives pour la santé et l'environnement. Les substances contenues dans les cosmétiques ou les textiles appartiennent à la classe encore mal caractérisée des nanomatériaux, dont la taille est comprise entre 1 et 100 nanomètres et qui ont un large éventail d'applications, par exemple dans les pots catalytiques pour gaz d'échappement, les peintures murales, les plastiques et la nanomédecine. Aussi nouveaux et inhabituels que soient les nanomatériaux, on ne sait toujours pas s'ils présentent des risques pour l'homme et l'environnement.

C'est là qu'entrent en jeu les analyses de risques et les évaluations du cycle de vie, qui s'appuyaient autrefois fortement sur l'expérimentation animale lorsqu'il s'agissait de déterminer les effets nocifs d'une nouvelle substance, y compris la toxicité. Aujourd'hui, la recherche est nécessaire pour réduire ou remplacer l'expérimentation animale dans la mesure du possible. Au cours des 30 dernières années, cette tendance a conduit à une forte diminution, notamment des tests dits toxicologiques. Cependant, l'expérience acquise avec les produits chimiques conventionnels ne peut pas être simplement transférée à de nouvelles substances telles que les nanoparticules. Afin de réduire le nombre d'expériences sur les animaux dans la recherche sur les nanomatériaux, les chercheurs de l'Empa développent actuellement de nouvelles approches qui poursuivent cet objectif tout en permettant une utilisation sûre des nanomatériaux.

"Nous développons actuellement une nouvelle approche intégrée pour analyser les risques des nanoparticules et déterminer les bilans écologiques", explique la chercheuse de l'Empa Beatrice Salieri du département "Technologie et société" de Saint-Gall. Ce qui est nouveau et différent des analyses conventionnelles est, entre autres, qu'en plus du mode d'action d'une substance, d'autres données sont incluses, comme l'exposition et le sort d'une particule dans le corps, de sorte qu'une vue globale est intégrée dans l'évaluation des risques.

Les analyses de risques sont basées sur les propriétés biochimiques des nanoparticules afin de développer des expériences de laboratoire appropriées, par exemple avec des cultures cellulaires. Afin de pouvoir transférer les résultats de l'éprouvette ("in vitro") à la situation dans le corps humain ("in vivo"), les chercheurs utilisent des modèles mathématiques ("in silico") qui, par exemple, s'appuient sur la nocivité d'une substance de référence. "Si deux substances, telles que les nanoparticules d'argent et les ions d'argent, agissent de la même manière, le danger des nanoparticules peut être calculé à partir de celui des ions", explique Beatrice Salieri.

Mais pour que les études en laboratoire sur les nanoparticules soient instructives, il faut d'abord développer un système modèle approprié pour chaque type de nanoparticule. "Les substances inhalées sont examinées, par exemple, dans le cadre d'expériences sur des cellules pulmonaires humaines", explique le chercheur de l'Empa Peter Wick, chef du laboratoire "Interactions entre les particules et la biologie" à St-Gall. En revanche, les cellules intestinales ou hépatiques sont utilisées pour simuler la digestion dans l'organisme.

 Non seulement la dose nocive d'une nanoparticule est déterminée dans des expériences de culture cellulaire, mais toutes les propriétés biochimiques sont également prises en compte dans l'analyse des risques, comme la forme, la taille, la vitesse de transport et la liaison à d'autres molécules. Par exemple, le nano-argent libre dans un liquide de culture cellulaire est environ 100 fois plus toxique que les nanoparticules d'argent liées aux protéines. Ces analyses de laboratoire complètes sont intégrées dans des modèles cinétiques qui, au lieu de fournir un instantané d'une situation dans l'éprouvette, peuvent représenter l'action complète des particules.

Et enfin, à l'aide d'algorithmes complexes, les phénomènes biologiques attendus peuvent être calculés à partir de toutes ces données. "Au lieu d'intercaler une expérience animale entre les deux, nous pouvons déterminer les risques possibles des nanoparticules sur la base de parallélismes avec des substances connues, de nouvelles données issues d'analyses en laboratoire et de modèles mathématiques", explique le chercheur de l'Empa Mathias Rösslein. À l'avenir, cela pourrait également nous permettre de représenter de manière réaliste les interactions entre les différentes nanoparticules dans le corps humain ainsi que les propriétés de certains groupes de patients, comme les personnes âgées ou les patients atteints de plusieurs maladies, estime le scientifique.

Grâce à ces nouvelles analyses de risques pour les nanoparticules, les chercheurs espèrent que le développement et l'approbation de nouveaux nanomatériaux sur le marché pourront également être accélérés. Des applications concrètes existent déjà dans le projet "Safegraph", l'un des projets de l'initiative "Graphene Flagship" de l'UE, dans lequel l'Empa est impliquée en tant que partenaire. Les analyses de risque et les évaluations du cycle de vie du nouveau graphène "matériau miracle" sont encore rares à l'heure actuelle. Les chercheurs de l'Empa ont récemment pu démontrer les premières analyses de sécurité du graphène et des matériaux apparentés au graphène dans des études fondamentales in vitro.  De cette manière, des projets tels que Safegraph peuvent désormais mieux identifier les risques potentiels pour la santé et les conséquences environnementales du graphène, tout en réduisant le nombre d'expériences sur les animaux.