Odontologie, Nano-bio-sciences, Biomatériaux, Protéome, Biophysique

L’objectif de notre équipe d’accueil et de notre thématique de recherche est de contribuer à l’ application des Nanosciences aux domaines de la santé et de la biologie, en privilégiant particulièrement l’Odontologie. Le but principal est de rapprocher les nanomatériaux et les nanocapteurs d’une application clinique en s’appuyant sur une  approche méthodologique de qualité.
 Par Nanobiomatériaux dentaires on définit tout matériau comportant au moins une phase de taille nanométrique et dont les caractéristiques dépendent de cette phase. Les matériaux dentaires d’obturation, de prothèse et les matériaux de substitution osseux sont susceptibmeilleurles d’entrer dans cette définition. Une meilleure connaissance de l’application de ces biomatériaux au domaine de la santé et de la biologie constitue la base de notre thématique de recherche. Elle passe inévitablement par l’étude des propriétés des biomatériaux et la modélisation de ces matériaux à l’échelle nanométrique. Le choix des nanobiomatériaux impliqués dans notre thématique de recherche repose à la fois sur l’expertise du porteur du projet et sur les potentialités scientifiques offertes par l’environnement Montpelliérain.
 L’expertise acquise concerne les nanomatériaux de type nanocomposite organique-inorganique osseux qui on fait l’objet de deux brevets internationaux. Un brevet international dont l’un des inventeurs est Frédéric Cuisinier a été déposé en collaboration avec l’Université Hébraïque de Jérusalem et l’Université Louis Pasteur de Strasbourg. Ce brevet décrit les méthodes de fabrication et les différentes applications de ces nanocomposites. Un second brevet protège le traitement chimique de ces films.

Fort de cette connaissance , notre thématique va s’orienter vers le développement et une meilleure connaissance des propriétés structurales, chimiques et biologiques de ces nanocomposites ainsi que vers leurs perspectives d’utilisation en matière de santé.
 Les films multicouches basés sur un simple dépôt alterné de polycations et de polyanions permettent de construire, sur quasiment toutes les surfaces, des films fonctionnalisés. La maîtrise de cette technologie a permis le développement des nanocomposites organiques-inorganiques. Nous avons constaté, au cours de deux expériences animales (? 50 implants), qu’après deux mois d’implantation, il faut un travail double pour arracher un disque de titane recouvert de nanocomposites par rapport à un disque nu (3Nm/6Nm). Ce qui démontre leurs capacités à accélérer l’ostéointégration. La formation du nanocomposite organique-inorganique sur des implants en métal, en alternant les couches organiques avec des particules amorphes de phosphate de calcium (le précurseur inorganique) et la croissance « in situ » des cristaux d'apatite dans le film est une méthode de formation d’un nanocomposite. La quantité, la taille et la profondeur d’enfouissement des cristaux conditionnent la résistance du film à la compression. Il a été démontré que la prolifération et la différenciation de cellules souches mésenchymateuses dépendait de la rigidité du substrat. Dans le cas des nanocomposites il n’existe pas de théorie permettant de prédire la résistance des films contrairement aux méthodes chimiques de réticulations. Nous avons démontré que l’activité des nanocomposites ne dépendait pas uniquement de l’augmentation de la rigidité du film, car la réticulation chimique des nanocomposites ne modifie pas le comportement cellulaire. L’un des premiers travaux de l’équipe sera de déterminer cette valeur de résistance et les paramètres (nombre de cristaux, condition de croissance cristalline) qui permettent de modifier les propriétés mécaniques de ces films. Il est important de comprendre que la croissance des cristaux est inhibée dans le film par les polyélectrolytes organiques et que c’est l’augmentation de la concentration en phosphate et calcium qui permet la minéralisation, mais l’influence de l’hydrolyse des polypeptides sur la minéralisation n’a pas été étudié. Nous le réalisons en trempant les films dans une solution sursaturée. L’un de nos buts est de produire un nanocomposite qui se minéralise avec des concentrations en phosphate et calcium physiologiques afin de réaliser des nanobiomatériaux implantables qui pourront se minéraliser in vivo. Ces nanocomposites pourront alors être utilisés comme un cément artificiel.
 Ces nanocomposites, s’ils sont déposés autours de particules ou de liposomes, pourront former des nanocapsules organiques-inorganiques qui pourraient être un analogue biomimétique des vésicules matricielles osseuses. Par ailleurs conjointement à leur activité potentielle de déclencheur de la minéralisation (due au nanocomposite) nous pourrions utiliser ces nanocapsules comme vecteurs de molécules actives. Pour mener à bien ce travail nous devons disposer de méthodes permettant de suivre la construction des films multicouches. Nous avons choisi la Spectroscopie optique par guide d’onde et la microscopie à effet de force atomique (AFM) en raison de notre connaissance de ces méthodes et de leur adaptation à la problématique.

Parallèlement nous envisageons de nos intéresser aux films multicouches incorporant des protéines naturellement non-structurées (IUP : Intrinsically unfolded protein). Les protéines intrinsèquement non structurées forment une classe nouvelle de protéines en raison de l'abondance de preuves montrant qu’elles ont des fonctions biologiques. L'importance de l'état non structuré est soulignée par leur rôle clef dans des processus cellulaires essentiels comme la régulation du cycle cellulaire (P21, P53) et la transcription (Assemblage des complexes de transcription, protéine CREB). Ces protéines ont été classées en 5 catégories :

•  les Chaînes entropiques qui servent de réservoir de désordre moléculaire ;
•  les Effecteurs qui modifient l'activité d'une molécule associé ;
•  les Séquestrants (scavengers) qui stockent et/ou neutralisent les petits ligands;
•  les Assembleurs qui assemblent et régulent les grands complexes protéiques (ribosomes) ;
•  la Classe 5 qui médie les modifications post translationnelles (phosphorylation).

L'une des facultés fonctionnelles des IUP est leur structure ouverte qui est en grande partie préservée lors de la formation d’un complexe avec leur ligand. Cette conformation permet un nombre de contacts très important associé à une surface de liaison importante pour une protéine de cette taille. Malgré l'importance biologique des IUP il n’existe que très peu d'études sur les propriétés d'adsorption et d'assemblage de ces protéines. C'est la connaissance et la compréhension de ces deux mécanismes qui est primordiale pour l'utilisation de ces protéines en biotechnologie. Nous avons choisi comme protéine modèle des IUP les caséines car la séquestration du calcium est un mécanisme fondamental qui contrôle l'homéostasie sanguine du calcium et la bio minéralisation et la formation des biofilms. De plus, les films de caséines sont un facteur important de l'industrie laitière car ils inhibent la croissance de sécrétion phosphocalcique dans les tubulures. Elles appartiennent à la famille des SCPP (secretory calcium binding phosphoproteins) a laquelle appartiennent aussi les phosphoprotéines osseuses et les protéines de la matrice de l'émail. Les caséines forment des micelles avec le phosphate de calcium amorphe. Les applications biomédicales de ces protéines sont liées à cette propriété car les caséines diminuent le nombre de caries dentaires et facilite la reminéralisation de l'émail en formant un film limitant la diffusion de ces ions.
 Notre but est, grâce à une approche multidisciplinaire, d’étudier l'adsorption de caséines pour former des films multicouches de polyélectrolytes. Le but scientifique étant de déterminer les propriétés d'un film multicouche de polyélectrolyte permettant d'adsorber la plus grande quantité de caséines et de s'assurer que la caséine adsorbée a conservé sa capacité à séquestrer le calcium et le phosphate ainsi que son caractère non structuré. Ce projet sur la caséine pouvant déboucher également sur la réalisation de prototypes de nanocomposites organiques-inorganiques composés de caséine. Ce qui, à notre connaissance n’a jamais été réalisé ni étudié. Outre l’intérêt de guider et constituer des films composés de caséine, leur utilisation dans le domaine de la protection carieuse par protection et reminéralisation des surfaces amélaires constitue un champ d’application potentiel nouveau .Les caséines, par leur facilité de production, pouvant être un très bon candidat comme composant de nanobiomatériaux. L’ étude de la formation des films de nanobiomatériaux composés de caséines peut parallèlement nous permettre de comprendre la formation des structures exopolymériques constitutives des biofilms bactériens et de leur adhésion. Ainsi une meilleure connaissance des films multicouches à base de caséines pourrait permettre de mieux comprendre la dynamique de formation et de déstructuration des biofilms bactériens.
 Nous pourrons dans cette thématique, grâce au microscope AFM combiné à un microscope confocale Raman suivre l’accumulation de calcium dans les films en fonction de la concentration locale en calcium et phosphate.

Nous avons depuis longtemps mené une activité de recherche sur les biocapteur optique en particulier sur l’utilisation de guide d’onde optique pour la détection de molécules. Cette expertise nous à permis de créer une très f orte collaboration locale avec le Groupe d’Etude des Semiconducteurs (UMR 5650 CNRS-Université Montpellier II). Ce laboratoire possède une salle blanche et nous avons débuté une recherche en collaboration sur les guides d’ondes optiques de symétrie inversé. Nous avons démontré que ce nouveau type de guide d’onde permettait de suivre la formation de films très épais (la limite absolue n’a pas encore été étudié expérimentalement) de plus de 300 nm d’épaisseur qui représente la limite des guide d’onde classique. Dans ce type de guide d’onde les ondes électromagnétiques sont guidés à la fois dans le guide et dans la couche adsorbée. Ainsi, même avec des films de plus de 1µm d’épaisseur, on conserve la même sensibilité que pour des films de 50nm d’épaisseur. L’étude de l’adsorption de protéines et de particules sur des films si épais n’a jamais été réalisé.
 Notre activité de recherche sur les biocapteurs s’appuie également sur le projet de plateforme technologique TeraPole accepté par la région Languedoc-Roussillon à laquelle nous appartenons. Dans cette plateforme nous participons au développement de nouveaux biocapteurs utilisant le rayonnement Terahertz. s. La technologie utilisée pour réaliser les capteurs sera la méthode layer by layer utilisant soit les interactions électrostatiques, soit les interactions hydrophobes. Nous possédons une grande expérience de l’immobilisation de protéines ou de colloïdes dans ce type de films et nous utiliserons la spectroscopie optique par guide d’onde pour suivre la formation des biocapteurs et aussi pour la mise au point de nouvelles méthodes optiques

Microscopie AFM, SNOM, RAMAN (WITEC)

1.  Estephan E., Larroque C., Bec N., Martineau P., Cuisinier FJG., Cloitre T., Gergely C. “Selection And Mass Spectrometry Characterization Of Peptides Targeting Semiconductor Surfaces” [2009] Biotechnology & Bioengineering: in press.
2.  Estephan E., Saab M.-b., Larroque Martin M., Olsson F., Lourdudoss S., Gergely C. “Peptides for functionalization of InP semiconductors” [2009] J. Coll. Int. Sci. DOI: 10.1016/j.jcis. 2009.05.040
3.  Tristán F., Palestino G., Menchaca JL., Pérez E., Atmani H.,Cuisinier F., Ladam G., “Tunable Protein-Resistance Of Polycation-Terminated Polyelectrolyte Multilayers” [2009] Biomacromolecules: 10; 2275–22
4.  Martin M., Palestino G., Agarwal V., Cloitre T., Zimányi L., Gergely C. “Three Dimensional Spatial Resolution Of The Nonlinear Photoemission From Biofunctionalized Porous Silicon Microcavity” [2009] Appl. Phys. Lett.: 94; 1-3
5.  Saab M., Estephan E., Cloitre T., Legros R., _Cuisinier FJG., Zimányi, L., Gergely Cs. “Assembly Of Purple Membranes On Polyelectrolyte Films” [2009] Langmuir: 25(9); 5159–5167.
6.  Sikiric MD, Gergely C, Elkaim R, Wachtel E, Cuisinier FJ, Füredi-Milhofer H. “Biomimetic Organic-Inorganic Nanocomposite Coatings For Titanium Implants” [2009] J. Biomed. Mater.Res. A : 89(3); 759-771.
7.  Szyk-Warszynska L., Gergely C., Jarek E. ,Cuisinier F., Socha RP., Waszynski P. “Calcium Uptake By Casein Embedded In Polyelectrolyte Multilayer” [2009] Colloids and Surfaces A : Physicochem. Eng. Aspects: 343; 118-126.

7 PCRDT: SOLTEC project

Projet PHC RILA 2011 : FONCTIONNALISATION DU PEEK (POLYARIL – ETER – ETER - KETONE) POUR LA REPARATION FACIALE

Microscopie à champ proche combinée Ramman,SNOM et AFM

•  Pierre Fabre
•  Paris Implant
•  Ecole de Mines d’Alès

•  C, Gergely,GES, UM2;
•  C. Laroque,CRLC, UM1;
•  Estelle Bilak, UM1;
•  H. Milhofer, Hebrew University, (Israel)
•  J. Oldak, USC (USA)
•  K. Turzo, Szeged University (HU)
•  P Warszynski, Surface Science Institue, Cracovie (PL)