Cycle de vie des nanomatériaux en milieux biologiques et naturels

Malgré la croissance exponentielle des applications industrielles et biomédicales des nanomatériaux inorganiques, leur impact sur la santé reste mal connu en raison du manque de méthodes pour étudier aux échelles appropriées les interactions entre des espèces synthétiques et vivantes au sein de milieux biologiques complexes. En collaboration étroite avec le groupe de Florence Gazeau du laboratoire Matière et Systèmes Complexes (Université Paris Cité), nous avons développé des méthodes nano-métrologiques originales pour étudier la relation entre la structure de nanomatériaux et leur cycle de vie dans l’organisme. Basée sur notre savoir-faire en science des matériaux, cette approche multi-échelle combine des analyses élémentaires et des mesures magnétiques et optiques pour quantifier la biodistribution et la transformation des nanomatériaux au niveau des organes (échelle macroscopique), avec les multifonctionnalités de la microscopie électronique pour révéler les processus de biodégradation et de recyclage à l’échelle atomique. Pour bien comprendre ces mécanismes de biotransformation, nos analyses multi-échelles sont réalisés dans des milieux biologiques de complexité croissante : (i) des solutions modèles mimant l’environnement cellulaire rencontré par les nanomatériaux ; (ii) des cultures cellulaires (analyses in vitro) et (iii) directement chez la souris (analyses ex vivo). En plus des études de microscopie électronique conventionnelles, le groupe MeANS a développé des méthodes de microscopie électronique in situ permettant de suivre directement le comportement des nanomatériaux dans des solutions modèles et même in vitro. Cette méthodologie est appliquée à des nanomatériaux ayant des applications biomédicales prometteuses, en particulier des nanostructures magnétiques (nano-oxydes de fer et de cobalt), plasmoniques (or, argent…) et graphitiques (nanotubes) et même les mùatériaux matériaux 2D (graphène, MoS2) . Ces recherches interdisciplinaires sont de toutes premières importances pour la science des matériaux qui doit savoir si et comment les propriétés des nanostructures évoluent in vivo, mais aussi pour la biomédecine qui doit évaluer les effets et risques potentiels des nanomatériaux pour la santé.
Par ailleurs, notre expertise en MET liquide et plus particulièrement la possibilité d’imager à l’échelle sub-nanométrique les interactions entre les matériaux inorganiques et biologiques a ouvert de nouvelles synergies visant à comprendre les mécanismes de bio-minéralisation du manganèse dans les biofilms bactériens et plus généralement au cycle de vie des métaux en environment naturel (ANR MAMBA en collaboration avec l’IPGP).

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Publications

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Haut gauche : Nanoparticules d’oxide de fer au sein d’un lysosome intracellulaire issu de la rate d’une souris. Haut droite : Vésicules extracellulaires décorées de nanoparticules d’or observé directement dans un milieu de culture cellulaire. Bas : Dégradation oxydative d’un nanotube de carbone encapsulant des nanoparticules de fer.

Projets :
ANR NANOTHERMOTHERAPY (2011-2014)
CNRS Defi Nano NanoMetroBio (2013 – 2015)
ANR CyCLYS (2019 – 2021)
ANR MAMBA (2021-2024)

Principales publications :

Resolution of MoS₂ Nanosheets‐Induced Pulmonary Inflammation Driven by Nanoscale Intracellular Transformation and Extracellular‐Vesicle Shuttles

Nathaly Ortiz Peña, Kondareddy Cherukula, Benjamin Even, Ding‐Kun Ji, Sarah Razafindrakoto, Shiyuan Peng, Amanda KA Silva, Cécilia Ménard‐Moyon, Hervé Hillaireau, Alberto Bianco, Elias Fattal, Damien Alloyeau, Florence Gazeau

Advanced Materials, 35 2209615 (2023)

Unexpected intracellular biodegradation and recrystallization of gold nanoparticles

Alice Balfourier, Nathalie Luciani, Guillaume Wang, Gerald Lelong, Ovidiu Ersen, Abdelali Khelfa, Damien Alloyeau, Florence Gazeau and Florent Carn
PNAS 2019 doi.org/10.1073/pnas.1911734116 (2021)

In situ monitoring of exopolymer-dependent Mn mineralization on bacterial surfaces
Thaïs Couasnon, Damien Alloyeau, Bénédicte Ménez, François Guyot, Jean-Marc Ghigo, Alexandre Gélabert
Science Advances 6, 27, eaaz3125 (2020)

Degradation of ZnGa2O4:Cr3+ luminescent nanoparticles in lysosomal-like medium
Thomas Lécuyer, Marc-Antoine Durand, Jeanne Volatron,Morgane Desmau, René Lai-Kuen, Yohann Corvis, JohanneSeguin, Guillaume Wang, Damien Alloyeau, Daniel Scherman, Nathalie Mignet, Florence Gazeau, Cyrille Richard
Nanoscale (2019)

Monitoring the dynamics of cell-derived extracellular vesicles at the nanoscale by liquid-cell transmission electron microscopy
M. Piffoux, N. Ahmad, J. Nelayah, C. Wilhelm A. Silva, F. Gazeau, D. Alloyeau_ Nanoscale 10, 1234 – 1244 (2018)

Physiological Remediation of Cobalt Ferrite Nanoparticles by Ferritin
J. Volatron, J. Kolosnjaj-Tabi, Y. Javed, Q. L. Vuong, Y. Gossuin, S. Neveu, N. Luciani, M. Hémadi, F. Carn, D. Alloyeau, F. Gazeau
Scientific Reports 7, 40075 (2017)

Ferritin Protein Regulates the Degradation of Iron Oxide Nanoparticles
J. Volatron, F. Carn, J. Kolosnjaj‐Tabi, Y. Javed, Q. L. Vuong, Y. Gossuin, C. Ménager, N. Luciani, G. Charron, M. Hémadi, D. Alloyeau, F. Gazeau
Small 13, 1602030 (2017)

In Vivo Degeneration and the Fate of Inorganic Nanoparticles
N. Feliu, D. Docter, M. Heine, P. del Pino, S. Ashraf, J. Kolosnjaj-Tabi, P. Macchiarini, P. Nielsen, D. Alloyeau, F. Gazeau, Roland H. Stauber and Wolfgang J. Parak
Chemical Society Reviews 45, 2440-2457 (2016)

Biotransformations of Magnetic Nanoparticles in the Body
J. Kolosnjaj-Tabi, L. Lartigue, Y. Javed, N. Luciani, T. Pellegrino, C. Wilhelm, D. Alloyeau, F. Gazeau
Nano Today 11, 280-284 (2016)

Carbon Nanotube Degradation in Macrophages : Live Nanoscale Monitoring and Understanding of Biological Pathway
Dan Elgrabli, Walid Dachraoui, Cécilia Ménard-Moyon, Xiao Jie Liu, Dominique Bégin, Sylvie Bégin-Colin, Alberto Bianco, Florence Gazeau, and Damien Alloyeau_ ACS Nano, DOI : 10.1021/acsnano.5b03708

Anthropogenic Carbon Nanotubes Found in the Airways of Parisian Children
Jelena Kolosnjaj-Tabi, Jocelyne Just, Keith B. Hartman, Yacine Laoudi, Sabah Boudjemaa, Damien Alloyeau, Henri Szwarc, Lon J. Wilson, Fathi Moussa
Ebiomedicine, doi:10.1016/j.ebiom.2015.10.012

The One Year Fate of Iron Oxide Coated Gold Nanoparticles in Mice
Jelena Kolosnjaj-Tabi, Yasir Javed, Lénaic Lartigue, Jeanne Volatron, Dan Elgrabli, Iris Marangon, Giammarino Pugliese, Benoit Caron, Albert Figuerola, Nathalie Luciani, Teresa Pellegrino, Damien Alloyeau, and Florence Gazeau
ACS Nano, 9, 7925

Biodegradation Mechanisms of Iron Oxide Monocrystalline Nanoflowers and Tunable Shield Effect of Gold Coating
Yasir Javed, Lénaic Lartigue, Pierre Hugounenq, Quoc Lam Vuong, Yves Gossuin, Rana Bazzi, Claire Wilhelm, Christian Ricolleau, Florence Gazeau, Damien Alloyeau
Small

Biodegradation of iron oxide nanocubes : high-resolution in situ monitoring
Lénaic Lartigue, Damien Alloyeau, Jelena Kolosnjaj-Tabi, Yasir Javed, Pablo Guardia, Andreas Riedinger, Christine Pe´choux, Teresa Pellegrino, Claire Wilhelm, Florence Gazeau
ACS nano 7 (5), 3939-3952

Long term biotransformation of iron oxide nanoparticles in the organism
Michael Levy, Nathalie Luciani, Damien Alloyeau, Dan Elgrabli, Vanessa Deveaux, Christine Pechoux, Sophie Chat, Guillaume Wang, Nidhi Vats, François Gendron, Cécile Factor, Sophie Lotersztajn, Alain Luciani, Claire Wilhelm, Florence Gazeau
Biomaterials, 32, 3988 (2011)