« Si vous prenez du sable et que vous le chauffez à 500 degrés Celsius, rien ne change », a déclaré Bradley Smith, professeur de sciences Emil T. Hofman à l’Université de Notre Dame. Ainsi Smith, qui est également le directeur de l’installation d’imagerie intégrée de Notre Dame, a été perplexe lorsque Canjia Zhai et Cassandra Shaffer, deux doctorantes du Département de chimie et de biochimie qui travaillaient dans son laboratoire, ont découvert qu’elles avaient modifié la structure des particules de silice – le composant principal du sable – à 80 degrés Celsius, une température similaire à celle d’une tasse de café.

La découverte s’est faite par hasard. Les particules étaient microscopiquement petites – un millième du diamètre d’un cheveu humain. Mais comme leurs homologues plus gros marqués « gel de silice » dans des emballages attachés à de nouveaux vêtements, ces particules étaient poreuses et pouvaient retenir un produit chimique. Dans ce cas, ce produit chimique était un colorant bleu utilisé pour détecter les tumeurs chez les souris.

Le nouveau colorant, qui avait été développé dans le laboratoire de Smith, mettait beaucoup de temps à pénétrer dans les pores étroits des particules. Ainsi, pour que les molécules se déplacent plus rapidement, Shaffer et Zhai ont chauffé le mélange juste en dessous de l’ébullition et l’ont laissé toute la nuit. Quand ils sont revenus le lendemain, ils ont pu voir que les particules étaient devenues bleues.

Pour confirmer que le colorant avait été complètement infusé, Shaffer et Zhai ont fait appel à Tatyana Orlova et Maksym Zhukovskyi, experts en microscopie au Notre Dame Integrated Imaging Facility.

Orlova et Zhukovskyi ont produit des images de microscopie électronique à haute résolution qui ont montré que non seulement le colorant avait été infusé, mais que les particules de silice elles-mêmes avaient changé de forme. Les particules d’origine étaient des sphères solitaires légèrement parsemées de pores comme la peau d’une orange. Les nouvelles structures étaient sphériques et étaient composées de globules plus petits remplis de colorant. Ils avaient aussi de petites ouvertures ici et là qui révélaient un noyau creux à l’intérieur. L’ensemble ressemblait à une framboise creuse.

Après la surprise de la découverte initiale vint un certain nombre de questions pratiques. Quels autres produits chimiques les chercheurs pourraient-ils charger dans des particules similaires en forme de framboise ? Et, plus important encore, ces produits chimiques resteraient-ils actifs même après que leurs structures environnantes aient changé de forme ?

Jordan Chasteen, étudiant au doctorat, a repris ces questions en répétant le processus en utilisant un médicament anticancéreux. Après une série de tests, il a confirmé que le médicament anticancéreux chargé dans les particules était toujours actif et capable de tuer les cellules cancéreuses.

Cette découverte offre un nouvel outil pour rendre les médicaments existants plus efficaces, a déclaré Smith.

« Ce que nous avons maintenant est un moyen de parcourir l’ensemble du catalogue de médicaments contenant des amines, et en suivant les étapes simples que nous avons découvertes, nous pouvons créer de nouvelles versions de médicaments existants qui pourraient être plus efficaces ou avoir moins d’effets secondaires indésirables,  » il a dit.

Smith et ses étudiants ont découvert que des changements subtils dans la procédure de chargement leur permettaient de faire varier l’épaisseur des particules, offrant toute une série de nouvelles options pour affiner les particules afin de libérer des médicaments à des vitesses différentes. La structure unique de la nouvelle particule peut également permettre de la charger avec plus d’un ingrédient – par exemple, un médicament dans la couche externe et un colorant à l’intérieur de la « framboise » – pour améliorer la capacité des chercheurs à observer la façon dont les médicaments se libèrent. .

De plus, la nouvelle particule, dit Smith, met également en lumière un phénomène biologique peu compris connu sous le nom de biominéralisation.

« Nous avons découvert que les médicaments contenant des amines ont certains attributs chimiques qui accélèrent le processus de dégradation et de reformage de la silice, et nous pensons que c’est similaire à ce qui se passe dans la nature », a-t-il déclaré. Smith mentionne comme exemple les diatomées, une sorte de plancton microscopique, et leurs délicates coquilles vitreuses formées de silice.

« Ces micro-organismes ont des mécanismes qui leur permettent de prendre du sable et de le remodeler dans leurs coquilles », dit-il. « Et ils le font clairement à une température relativement basse en utilisant des molécules organiques. Ce que nous avons découvert est potentiellement une partie de la chimie derrière ce processus. »

Alors que Smith et son laboratoire continuent d’innover, ils s’inspirent à la fois de la nature et des découvertes en laboratoire. « La grande leçon ici », dit-il, « est que nous pouvons découvrir en laboratoire comment fonctionnent les processus naturels, puis nous pouvons utiliser ces connaissances et imiter ces processus pour concevoir quelque chose de complètement nouveau. »

Cette découverte a été rendue possible grâce au financement de la National Science Foundation et des National Institutes of Health.