Boîtes quantiques en biologie : progrès récents Quantum dots in biology : recent applications

Les boîtes quantiques (quantum dots ou QD) sont des cristaux de semi-conducteurs de forme sphérique dont les dimensions ne dépassent pas quelques nanomètres. Comme nous l’avons déjà discuté dans médecine/sciences [1], ces QD ont des propriétés optiques hors du commun (très bonne résistance au photoblanchiment et possibilité de visualiser plusieurs couleurs simultanément) qui en font des sondes fluorescentes très intéressantes pour certaines applications en biologie. L’interface QD-biologie est un domaine relativement jeune qui se développe rapidement. Nous en donnons ici un aperçu des progrès récents. On distinguera deux types de travaux : ceux qui sont effectués avec des QD disponibles commercialement et ceux qui développent des applications de QD non commerciaux. Deux start-up américaines (Quantum Dot Corporation^® et Evident Technology^®) se partagent pour l’instant le marché des QD solubles dans l’eau. Quantum Dot Corporation^® (la première sur le marché fin 2002) utilise des copolymères bloc amphiphiles formés d’acides polyacryliques modifiés avec des chaînes alkyle C8 pour encapsuler les QD et y accrocher des macromolécules. Ces QD (appelés Qdots^®) ont été utilisés dans plusieurs travaux. Ainsi, dans le cancer du sein, X.Y. Wu et al. [2] ont montré que les Qdots^® liés à la streptavidine ou aux immunoglobulines pouvaient être utilisés pour la détection spécifique de Her2 à la surface de cellules fixées ou de cellules vivantes. Ils les ont également utilisés pour le marquage de microtubules ou de fibres d’actine dans le cytoplasme, et la détection d’antigènes nucléaires dans le noyau. Dans ces expériences, la comparaison avec les fluorophores organiques est extrêmement favorable aux QD qui résistent bien mieux au photoblanchiment et sont plus « brillants ». Cette « brillance » est liée à une excellente section efficace d’absorption (rapport entre l’énergie absorbée et le flux d’énergie reçu) comparée à celle des fluorophores organiques et à un bon rendement quantique (rapport entre le nombre de photons absorbés et le nombre de photons émis ; ce rapport est de l’ordre de 40 % pour les QD solubles dans l’eau). Quelques mois plus tard, M.Dahan et al. [3] ont utilisé les Qdots^® modifiés avec de la streptavidine pour suivre, individuellement, les déplacements de récepteurs de glycine (RGly) et analyser leur mouvement latéral dans la membrane de cellules vivantes pour des périodes variant de quelques millisecondes à quelques minutes. Les constantes de diffusion des RGly marqués avec des QD diffèrent en fonction de la localisation des RGly (synaptique, périsynaptique ou extrasynaptique). L’entrée par diffusion des RGly marqués avec des Qdots^® dans la synapse a été observée en fluorescence et confirmée par microscopie électronique de transmission. L’observation de QD individuels a fait l’objet de nombreux travaux en physicochimie. Ce travail confirme qu’avec les QD solubles dans l’eau, il est également possible de suivre des molécules individuelles. Dans ce domaine aussi, les QD offrent de nombreux avantages par rapport aux fluorophores organiques classiques, mais une des limitations importantes vient du clignotement intrinsèque de l’émission fluorescente des QD. Récemment cependant, une équipe américaine a montré que l’ajout d’une petite quantité de β-mercaptoéthanol à une solution de Qdots^® réduisait considérablement, voire supprimait, le clignotement des QD [4]. L’hypothèse la plus probable étant que les petites molécules de β-mercaptoéthanol diffusent au travers de la couche de polymères entourant le QD et se fixent par leur soufre à leur surface (voir [4] pour plus de détails). Dans les systèmes où l’on peut utiliser des concentrations de 1 mM de β-mercaptoéthanol, il serait donc possible de suivre individuellement des QD sans être gêné par les problèmes de clignotement. Les Qdots^® ont également été utilisés pour étudier …