Quelle est l’action du graphène sur les poumons?

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 (Image: Pixabay CC0)
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Le graphène est célébré comme le matériau de demain. Pourtant, on ne sait pas encore grand chose de ses éventuels effets sur la santé humaine s’il parvient à l’intérieur du corps. Une équipe de chercheurs de l’Empa et de l’Institut Adolphe Merkle (AMI) de Fribourg vient de conduire une étude sur le comportement du graphène et des matériaux du même type lorsqu’ils sont inhalés. Ils ont utilisé à cette fin un modèle tridimensionnel de poumon, ce qui est une première.

Il résiste à la traction et à la déchirure, il est très élastique et conduit bien l’électricité. Riche en propriétés remarquables, le graphène va trouver des applications dans les domaines les plus variés. C’est pourquoi l’Union Européenne a doté le projet phare «Graphene Flagship» d’un milliard d’Euro, ce qui en fait son plus important projet de recherche. La question se pose dès lors des éventuels effets du graphène sur l’organisme et la santé humaine. L’Empa se penche sur la question, apportant son précieux savoir-faire au gigantesque projet.

Cette recherche a engendré à son tour un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS) et récemment lancé par l’Empa et l’AMI. On y utilise un modèle cellulaire tridimensionnel du poumon qui, par les conditions très proches de la réalité qu’il recrée, devrait permettre aux chercheurs d’identifier les effets du graphène et des matériaux du même type sur le poumon humain. Ce n’est pas une mince affaire car il y a graphène et graphène. Les caractéristiques de ces matériaux dépendent de leur mode de production et de façonnage et se traduisent par des effets différents sur le poumon.

L’équipe réunie autour 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». Le modèle 3D leur a permis de recréer de manière très réaliste les conditions prévalant au niveau de la barrière air-sang ainsi que les effets du graphène sur les tissus pulmonaires, sans recours à des essais sur des animaux ou de s humains. Le modèle cellulaire en question reproduit les alvéoles pulmonaires. Les essais in vitro habituels ne mettent en jeu qu’un seul type de cellules alors que le nouveau modèle prend trois types de cellules en compte pour simuler les conditions de fonctionnement de l’intérieur du poumon: les pneumocytes et deux types de cellules immunitaires, les macrophages et les cellules dendritiques.

Un autre facteur a par ailleurs été négligé à ce jour dans les essais in vitro, c’est le mode de contact des particules de graphène véhiculées par voie aérienne. En général, les cellules sont cultivées dans le liquide nutritionnel de boîtes de Petri, puis présentées sous cette forme à la substance testée, par exemple du graphène. Dans le corps, plus précisément au niveau de la barrière pulmonaire, la réalité est autre. Selon Tina Bürki, du secteur de recherche «Particles-Biology Interactions», «l’organisme n’entre en contact avec les particules de graphène que par la voie respiratoire». Les particules inhalées aboutissent directement sur les tissus pulmonaires. Avec ce nouveau modèle, les cellules pulmonaires reposent sur une membrane poreuse filtrante formant une frontière air-liquide. On y pulvérise les particules de graphène pour mimer plus fidèlement ce qui se passe dans le corps. La culture cellulaire tridimensionnelle «inhale» en quelque sorte les poussières de graphène.

Les premiers résultats fournis à l’aide du modèle de poumon 3D sont là. Les chercheurs n’ont pu mettre en évidence aucun dommage aigu consécutif au contact entre pneumocytes et oxyde de graphène (GO) ou nanoplaquettes de graphène (GNP). De tels dommages auraient par exemple été la mort cellulaire subite, le stress oxydatif ou l’inflammation.

Il s’agit également de détecter les éventuels effets chroniques sur le corps. C’est pourquoi le projet FNS s’étend sur trois ans et passe maintenant aux études de longue durée. Toujours à l’aide du modèle tridimensionnel, Wick et son équipe exposent les cellules pulmonaires non seulement à des particules de pur graphène, mais également à des particules de graphène provenant de la friction de matériaux composites usuellement employés pour renforcer les polymères. Jing Wang, du secteur «Advanced Analytical Technologies» de l’Empa, participe à cette étude. On tente également d’y évaluer de la manière la plus réaliste possible la quantité de particules de graphène à laquelle le public est exposé. C’est pourquoi Wang étudie et quantifie l’érosion des matériaux composites. Ces mesures permettent d’ajuster le modèle de poumon 3D, ce qui consolide les prévisions à long terme sur la toxicité des graphènes et matériaux similaires.