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Bioperception, toxicité et stabilité de quantum dots d’oxyde de zinc – NanoZnOTox

Quantum Dots à cœur ZnO : photo-activité vs (photo)toxicité

Relation entre chimie de surface, stabilité et toxicité de nanoparticules d’oxyde de zinc.<br /><br />Les énormes progrès réalisés en nanotechnologies ont conduit à la synthèse de nombreuses nouvelles nanoparticules sans réellement connaître les propriétés associées à leurs dimensions.

Relation entre chimie de surface, stabilité et toxicité de nanoparticules d’oxyde de zinc.

Les risques encourus avec des matériaux qui possèdent des propriétés dépendantes de leur taille, morphologie et composition, génèrent de nombreuses craintes susceptibles de freiner leur acceptation par une large majorité de l’opinion publique. Avec ce projet, nous souhaitions évaluer la relation entre les propriétés de certains nanomatériaux, leur stabilité et leur toxicité en utilisant des Quantum Dots (QDs) à coeur de ZnO comme modèle. Les QDs sont des nanoparticules photoactives qui présentent un large champ d’application en raison de leurs propriétés de fluorescence ajustables par leur composition et leur taille. Il a récemment été démontré que les QDs présentaient une activité cytotoxique liée à la libération de métaux et la production d’espèces réactives de l’oxygène (EROs), avec des contributions relatives qui restent encore difficiles à déterminer. Si la libération de métaux dépend de la composition et de la stabilité de la nanoparticule, la production d’EROs est directement liée à la nature réactive de la nanoparticule et de sa chimie de surface. Avec ce projet, nous souhaitions poser les bases d’une réflexion sur la relation qui existe entre la structure chimique, la stabilité et la toxicité de QDs ZnO.

Le projet repose sur la construction à façon de diverses nanoparticules d’oxyde de zinc variables par leur chimie de surface. Ces nanoparticules ont été caractérisées par des techniques de microscopie et de spectroscopie. Leur stabilité respective a été évaluée par spectrométrie de masse, par mesure de l’émission de Zn2+ libre à l’aide de biosenseurs bactériens ou encore de méthodes combinant dialyse et spectrométrie par torche à plasma. La réactivité des nanoparticules a été étudiée en mesurant la génération photo-induite d’espèces réactives de l’oxygène grâce à des dosages colorimétriques et/ou fluorimétriques spécifiques. La toxicité globale des nanoparticules sur la cellule bactérienne a été estimée à partir d’altérations de cinétique de croissance et d’abattements de luminescence sur des cellules exprimant une bioluminescence normalement constitutive. La recherche de stress spécifiques engendrés par les nanoparticules a été réalisée à l’aide de biosenseurs bactériens fluorescent/luminescent, mais aussi par transcriptomique (en cours). Des dégâts directs causés par les nanoparticules ont, quant à eux, été recherchés au niveau des membranes des protéines et de l’ADN.

Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet ont mis en évidence des comportements très différents des QDs ZnO en termes de stabilité et de toxicité selon la concentration à laquelle ils étaient utilisés et selon le milieu de dispersion. Utilisés dans l’eau et à des concentrations élevées, les QDs ZnO sont stables et producteurs d’EROs. Des applications photocatalytiques, notamment dans le domaine de la dépollution/décontamination des eaux usées sont donc envisageables pour ces nanomatériaux. Les dégâts photo-induits observés sur l’ADN en présence de QDs ZnO pourraient également être valorisés. Au contraire, lorsque les QDs sont dispersés à faibles concentrations dans des milieux biologiques, ils se décomposent et libèrent des ions Zn2+ qui sont alors la seule source de toxicité observée avec les cellules bactériennes. En résumé, même si l’accumulation de nanoparticules de ZnO combinée à une exposition à la lumière a peu de probabilité de survenir dans l’environnement, des effets additionnels causés par une utilisation récurrente et sur le long terme, ou des expositions locales massives (matériaux non dispersés) ne peuvent pas être exclus et engagent à une grande prudence lors de l’utilisation de matériaux à base de ZnO.

- Développement d’un procédé simple, reproductible et extrapolable à grande échelle de synthèse de nanocristaux de ZnO via des procédés microfluidiques. La méthode développée est généralisable à d’autres nanoparticules d’oxyde métalliques ou de semi-conducteurs.
- Développement méthodologique (preuve de concept) pour l'évaluation de la nocivité de nanoparticules (et potentiellement tous types de composés/particules/rayonnements) par mesure directe d'altérations causées à des macromolécules biologiques sans passer par des tests in vivo. Des actions de communication sur le sujet dans la littérature scientifique, les rencontres scientifiques, ou encore des rencontres organisées par le Pôle de compétitivité Hydreos sont attendues.
- Valorisation des résultats obtenus lors de la génération et de la détection d’EROs par les nanoparticules de ZnO pour des applications photocatalytiques visant l’élimination de polluants récalcitrants (résidus médicamenteux) ou la décontamination bactérienne dans le cadre d’un nouveau projet ANR (ANR PRUMOS, CD2I, 2013) ainsi que via un programme PHC UTIQUE de collaboration avec l’Université de Carthage (Tunisie).

From visible to white-light emission by siloxane-capped ZnO quantum dots upon interaction with thiols, A. Schejn, L. Balan, D. Piatkowski, S. Mackowski, J. Lulek, R. Schneider, Optical Materials, 2012, 34, 1357-1361.
One-pot non-injection route to CdS quantum dots via hydrothermal synthesis, A. Aboulaich, D. Billaud, M. Abyan, L. Balan, J.J. Gaumet, G. Medjahdi, J. Ghanbaja, R. Schneider, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4, 2561-2569.
Physicochemical properties and cellular toxicity of (poly)aminoalkoxysilanes functionalized ZnO quantum dots, A. Aboulaich, C.-M. Tilmaciu, C. Merlin, C. Mercier, H. Guilloteau, G. Medjahdi, R. Schneider, Nanotechnology, 2012, 23, 335101 (9 pp).
Mass spectrometry techniques in the context of nanometrology, M. Fregnaux, J.J. Gaumet, S. Dalmasso, J.P. Laurenti, R. Schneider
Microelectronic Engineering, 2013, 108, 187-191.
Size-controlled synthesis of ZnO quantum dots in microreactors
A. Schejn, M. Frégnaux, J.-M. Commenge, L. Balan, L. Falk, R. Schneider, Nanotechnology, 2014, 25, 145606.
Atypical stress response to temperature and NaOCl exposure leading to septation defect during cell division in Cupriavidus metallidurans CH34, B. Arroua, X. Bellanger, H. Guilloteau, L. Mathieu, C. Merlin
FEMS Microbiology Letters, 2014, 353, 33–39.
Incidence of the core composition on the stability, the ROS production and the toxicity of CdSe quantum dots, F.-A. Kauffer, C. Merlin, L. Balan, R. Schneider, Journal of Hazardous Materials, 2014, 286, 246-255.
Aqueous synthesis and enhanced photocatalytic activity of ZnO/Fe2O3 heterostructures, F. Achouri, S. Corbel, A. Aboulaich, L. Balan, A. Ghrabi, M. Ben Said, R. Schneider, Journal of Chemistry and Physics of Solids, 2014, 75, 1081-1087.
Stability and toxicity of ZnO quantum dots: Interplay between nanoparticles and bacteria, X. Bellanger, P. Billard, R. Schneider, L. Balan, C. Merlin, Journal of Hazardous Materials, 2015, 283, 110–116.

Ces dernières années, les énormes progrès réalisés en nanotechnologie ainsi qu’en science des matériaux ont conduit à la synthèse de nombreuses nouvelles nanoparticules sans réellement connaître l’ensemble des propriétés associées à leurs dimensions. Les risques encourus avec des matériaux qui possèdent des propriétés dépendantes de leur taille, de leur morphologie et de leur composition, génèrent de nombreuses craintes susceptibles de freiner leur acceptation par une large majorité de l’opinion publique.
Avec ce projet, nous souhaitons évaluer les risques et les problèmes associés aux nanomatériaux, en termes de toxicité et de stabilité, en utilisant des Quantum Dots (QDs) à coeur de ZnO comme modèle. Les QDs sont des nanoparticules photoactives qui présentent un large champ d’application allant du photovoltaïsme à l’imagerie de fluorescence en milieu biologique. Ces propriétés de fluorescence, dont les caractéristiques sont directement liées à la composition et à la taille, peuvent être mises à profit dans un contexte plus fondamental pour rendre compte de leur stabilité. Il a récemment été démontré que les QDs présentaient une activité cytotoxique supérieure à celle attendue pour les éléments les composant. Cette toxicité aurait deux sources, une libération de métaux et une production d’espèces réactives de l’oxygène (EROS), avec des contributions relatives qui restent encore difficiles à anticiper. Si la libération de métaux dépend de la composition et la stabilité de la nanoparticule, la production d’EROS est directement liée à la nature réactive de la nanoparticule et de sa chimie de surface. Avec ce projet, nous souhaitons poser les bases d’une réflexion sur la relation qui existe entre la structure chimique, la stabilité et la toxicité de QDs ZnO.
Notre travail sera divisé en trois parties : (i) tout d’abord, synthèse de 12 QDs ZnO de structures contrôlées et détermination de la relation existant entre leurs propriétés et leur toxicité. Différentes fonctionnalisations de surface seront réalisées afin de faire varier les interactions entre les nanomatériaux et des cellules bactériennes utilisées comme matériel biologique modèle, (ii) dans un second temps, évaluation de la stabilité, à la fois en l’absence et en présence de matériel biologique, à l’aide d’outils nouveaux et originaux tels que la spectrométrie de masse et des biosenseurs à Zn2+, enfin, (iii) évaluation de la toxicité des QDs sur des bactéries à l’aide de tests basés sur la cinétique de croissance de microorganismes, l’évolution de l’intégrité membranaire et d’activités enzymatiques après exposition aux QDs, l’évaluation des dommages causés par les EROS, et grâce à l’utilisation d’une batterie de biosenseurs bactériens couvrant diverses réponses au stress (notamment oxydant). Des tests d’adaptation des bactéries à ces « nouveaux polluants » seront également réalisés afin d’évaluer dans quelle mesure les microorganismes sélectionnés peuvent faire face à de nouvelles pollutions anthropogéniques. Nous espérons ainsi établir un algorithme permettant de prédire les effets bénéfiques ainsi que les risques associés à l’exposition aux nanomatériaux qui prennent une place de plus en plus importante dans l’industrie et en médecine.

Coordination du projet

Raphaël SCHNEIDER (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST) – Raphael.Schneider@ensic.inpl-nancy.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LIMOS, UMR 7137 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST
LSMCL, EA 1094 UNIVERSITE DE METZ [PAUL VERLAINE]
IS2M, LRC 7228 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE
LRGP, UPR 3349 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST
LCPME, UMR 7564 CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE CENTRE-EST

Aide de l'ANR 440 000 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2011 - 36 Mois

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