Détecter les nanoparticules en très petites quantités

Les nanomatériaux maintiennent nos matelas propres, réparent les fissures de nos dents, empêchent l'œuf de brûler dans la poêle et permettent de mieux conserver nos aliments. Les particules sont petites de quelques milliardièmes de mètre et sont utilisées dans une multitude de produits de consommation. Jusqu'à présent, on ignore toutefois largement comment ces matériaux agissent sur l'environnement et dans quelles quantités et formes ils y sont présents. "Il existe certes de nombreuses études de laboratoire qui ont examiné l'effet des nanomatériaux sur les cellules humaines et animales. Mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de détecter les très petites quantités dans les échantillons environnementaux", explique le Dr Yvonne Kohl du Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT à Sulzbach, en Sarre.

1 millionième de milligramme par litre

C'est précisément l'objectif du projet NanoEnvironnement. L'équipe interdisciplinaire composée d'écotoxicologues, de toxicologues humains, de physiciens, de chimistes et de biologistes a franchi une première étape importante en développant une méthode de détection des nanomatériaux dans différents échantillons environnementaux, tels que l'eau des rivières, les tissus animaux ou l'urine et le sang humains, dans une plage de concentration de l'ordre du nanogramme par litre (ppb - parties par milliard). Cela correspond à la moitié d'un morceau de sucre dans le volume d'eau de 1 000 piscines sportives.

La nouvelle méthode permet de détecter non seulement de nombreux nanomatériaux dans des liquides clairs, comme c'était le cas jusqu'à présent, mais aussi très peu de particules dans des mélanges complexes de substances, comme le sang humain ou des échantillons de sol. L'approche est basée sur le fractionnement par flux de champ (FFF), qui permet de séparer des mélanges complexes et hétérogènes de liquides et de particules en leurs éléments individuels, tout en triant les composants solides selon leur taille. Cela est possible grâce à l'action combinée d'un flux de liquide contrôlé et d'un champ physique de séparation qui agit perpendiculairement sur la suspension en écoulement.

Pour que la détection soit réussie, les échantillons environnementaux doivent être préparés en conséquence. L'équipe de l'IBMT du département Bioprocessus & Bioanalytique a préparé de l'eau de rivière, de l'urine humaine et du tissu de poisson pour l'appareil FFF. "Nous préparons les échantillons avec des enzymes spéciales. Lors de ce processus, les nanomatériaux ne doivent toutefois pas être détruits ou modifiés. Ce n'est qu'alors que nous pouvons détecter les quantités et les formes réelles des nanomatériaux dans l'environnement", explique Kohl.

Les scientifiques sont notamment des experts lorsqu'il s'agit de tenir à disposition, de traiter et de stocker des échantillons de tissus humains. Depuis janvier 2012, l'IBMT gère la "Banque fédérale d'échantillons environnementaux (UPB) - échantillons humains" pour le compte de l'Office fédéral allemand de l'environnement (UBA). Chaque année, l'institut de recherche collecte des échantillons de sang et d'urine de 120 volontaires dans quatre endroits d'Allemagne. Les échantillons individuels sont un instrument précieux pour suivre les tendances temporelles de l'exposition humaine aux polluants. "Pour le projet NanoUmwelt, du sang et de l'urine supplémentaires ont été donnés, stockés à froid à l'IBMT et utilisés pour élaborer la nouvelle méthode de détection", explique le Dr Dominik Lermen, responsable du groupe de travail Biomonitoring & Cryobanques à l'IBMT. Après l'approbation de l'UBA, une partie des échantillons humains des archives de l'UPB pourrait également être analysée avec la nouvelle méthode.

Développement de nouveaux modèles de culture cellulaire

Les nanomatériaux peuvent pénétrer dans l'environnement par différentes voies, dont les eaux usées, et sont probablement absorbés par les humains et les animaux via des barrières biologiques telles que les poumons ou les intestins. L'équipe du projet reproduit ces processus dans une boîte de Pétri afin de comprendre comment les nanomatériaux sont transportés à travers ces barrières. "C'est un processus très complexe qui implique les cellules et les couches tissulaires les plus diverses", explique Kohl.

Les chercheurs reproduisent les processus de la manière la plus réaliste possible. Pour cela, ils mesurent par exemple les flux électriques à l'intérieur des barrières afin de déterminer leur fonctionnalité ou simulent l'interaction des poumons avec l'air à l'aide de nuages de brouillard artificiels. Au cours de la première phase du projet NanoUmwelt, l'équipe de l'IBMT a pu développer différents modèles de culture cellulaire pour le transport de nanoparticules à travers des barrières biologiques. Pour ce faire, l'IBMT collabore avec l'Institut Fraunhofer de biologie moléculaire et d'écologie appliquée IME, qui a développé un modèle d'étude de la cardiotoxicité à partir de cellules souches pluripotentes. Le partenaire suisse du projet Empa réalisé un modèle de barrière placentaire pour étudier le transport de nanomatériaux entre la mère et l'enfant.

Dans la prochaine étape, les partenaires de coopération veulent utiliser cette méthode pour mesurer les concentrations de nanoparticules dans différents échantillons environnementaux et analyser les valeurs obtenues afin de mieux évaluer le comportement des nanomatériaux dans l'environnement et leur danger potentiel pour l'homme, l'animal et l'environnement. "Notre prochain objectif est de détecter des quantités de particules encore plus petites", explique Kohl. Les scientifiques prévoient d'utiliser des filtres spéciaux pour éliminer les éléments perturbateurs des échantillons environnementaux et d'élaborer de nouvelles techniques de traitement.

(Fraunhofer IBMT)