Que fait le graphène dans les poumons ?
Le graphène est considéré comme le matériau du futur. Cependant, on sait peu de choses jusqu'à présent sur les effets du graphène sur notre santé s'il devait pénétrer dans l'organisme. Une équipe de chercheurs de l'Empa et de l'Institut Adolphe Merkle (AMI) à Fribourg a réalisé pour la première fois des études sur un modèle de poumon tridimensionnel afin d'examiner le comportement du graphène et de matériaux similaires après inhalation.
La matière dont est constitué le graphène est résistante à la traction et à la déchirure, hautement élastique et conductrice d'électricité. Le graphène possède de nombreuses propriétés extraordinaires, ce qui permet des applications révolutionnaires dans les domaines les plus divers. Ce n'est pas pour rien que l'UE a lancé le "Graphene Flagship", soutenu à hauteur d'un milliard d'euros et considéré ainsi comme la plus grande initiative de recherche européenne. En tant que partie de cet énorme projet, l'Empa apporte également son savoir-faire, car dans le cadre de la recherche sur le graphène à l'échelle européenne, les éventuels aspects de santé et les effets sur l'organisme humain jouent un rôle essentiel.
Ces activités ont donné naissance à un projet supplémentaire, soutenu par le Fonds national suisse (FNS), qui vient d'être lancé à l'Empa et à l'AMI. Il s'agit d'utiliser un modèle de poumon cellulaire en 3D avec lequel les chercheurs veulent découvrir quels effets le graphène et les matériaux similaires au graphène peuvent avoir sur les poumons humains - et ce dans des conditions aussi proches que possible de la réalité. Un défi, car tous les graphènes ne se ressemblent pas. Selon la méthode de fabrication et le processus, on obtient des formes et des qualités très différentes du matériau, qui peuvent à leur tour déclencher différentes réactions dans les poumons.
Des cultures cellulaires tridimensionnelles "respirent" des particules
L'équipe de recherche composée de Peter Wick, Tina Bürki et Jing Wang de l'Empa et de Barbara Rothen-Rutishauser et Barbara Drasler de l'AMI a récemment publié ses premiers résultats dans la revue spécialisée "Carbon". Grâce au modèle de poumon en 3D, les chercheurs ont réussi à reproduire avec une grande précision les conditions réelles au niveau de la barrière air-sang ainsi que l'effet du graphène dans le tissu pulmonaire - sans avoir recours à des expériences sur l'animal ou l'homme. Il s'agit d'un modèle cellulaire qui reproduit les alvéoles pulmonaires. Les tests in vitro traditionnels utilisent des cultures de cellules d'un seul type, tandis que le modèle pulmonaire établi se compose de trois types de cellules différents qui simulent les conditions à l'intérieur des poumons, à savoir les cellules épithéliales alvéolaires et deux types de cellules immunitaires - les macrophages et les cellules dendritiques.
Un autre facteur qui n'a guère été pris en compte jusqu'à présent dans les expériences in vitro est le contact des particules de graphène avec l'air. Habituellement, les cellules sont cultivées dans une boîte de culture dans une solution nutritive et exposées sous cette forme à des matériaux tels que le graphène. Mais dans la réalité, c'est-à-dire au niveau de la barrière pulmonaire, il en va autrement.
"C'est par l'air que l'on respire que l'organisme humain entre le plus facilement en contact avec les particules de graphène", explique Tina Bürki du département de recherche "Particles-Biology Interactions" de l'Empa. Les particules sont donc inhalées et entrent directement en contact avec le tissu pulmonaire. Le nouveau modèle de poumon est conçu de telle sorte que les cellules se trouvent sur une membrane filtrante poreuse à la frontière air-liquide et que les chercheurs pulvérisent les particules de graphène sur les cellules pulmonaires à l'aide d'un atomiseur afin de reproduire le plus fidèlement possible le processus dans le corps. La culture cellulaire tridimensionnelle "respire" pour ainsi dire les poussières de graphène.
Aucune lésion aiguë détectée
Ces essais dans un modèle de poumon en 3D ont maintenant donné les premiers résultats. Les chercheurs ont pu démontrer qu'aucun dommage aigu ne se forme dans les poumons lorsque les cellules épithéliales pulmonaires entrent en contact avec de l'oxyde de graphène (GO) ou des nanoplatelets de graphène (GNP). Il s'agit de réactions telles que la mort subite des cellules, le stress oxydatif ou l'inflammation.
