[Covid19] Brevet d’un vaccin recombinant nano-coronavirus utilisant de l’oxyde de graphène (+ étude de sa toxicité)

 Source : Cyprustar

Des inventeurs chinois ont déposé une demande de brevet le 27/09/2020 pour un vaccin contre la Covid 19 contenant de l’oxyde de graphène comme vecteur. Il est toujours en attente. Néanmoins, l’application ajoute du poids à l’idée que l’oxyde de graphène se trouve dans certains de des vaccins Covid. En effet, l’étude de PMC explique que le graphène possède du potentiel pour lutter contre la Covid 19.

Cependant il semble que ce matériau, qui est une nanoparticule, présente de nombreux dangers.

Toxicité des GFN (in vivo et in vitro)

Les GFN pénètrent à travers les barrières physiologiques ou les structures cellulaires par différentes voies d’exposition ou voies d’administration et pénètrent dans le corps ou les cellules, entraînant éventuellement une toxicité in vivo et in vitro. Les voies d’administration de variable et les chemins d’entrée, une répartition différente des tissus et l’ excrétion, même les différents modèles d’absorption cellulaire et les lieux, peuvent déterminer le degré de la toxicité des GFNs. Ainsi, les clarifier peut être utile pour mieux comprendre les lois de l’apparition et du développement de la toxicité des GFN.

Mécanismes de toxicité possibles des GFN

Bien que certaines propriétés physico-chimiques et la toxicité des GFN aient été bien étudiées par de nombreux chercheurs, les mécanismes exacts sous-jacents à la toxicité des GFN restent obscurs. Un schéma des principaux mécanismes de cytotoxicité des GFN est illustré sur la figure 3.

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Destruction physique

Le graphène est un nanomatériau unique par rapport aux autres nanoparticules sphériques ou unidimensionnelles en raison de sa structure bidimensionnelle avec des carbones sp2. L’interaction physique des nanoparticules de graphène avec les membranes cellulaires est l’une des principales causes de la cytotoxicité du graphène. Le graphène a une grande capacité à se lier aux structures -hélicoïdales des peptides en raison de sa courbure de surface favorable. À une concentration supérieure à 75 g/mL, le graphène vierge a largement adhéré aux surfaces des cellules RAW 264.7 et a entraîné un étirement anormal de la membrane cellulaire. Les fortes interactions hydrophobes des GFN avec la membrane cellulaire conduisent à l’extension morphologique du dysfonctionnement filopodial et cytosquelettique de l’actine F. De plus, les bords aiguisés du GNS peuvent agir comme des «lames», insérant et coupant à travers les membranes cellulaires bactériennes. De plus, GO a également endommagé directement la membrane externe des bactéries E. coli , entraînant la libération de composants intracellulaires. Cependant, l’imagerie MET a révélé que le pré-revêtement de GO avec FBS éliminait la destruction des membranes cellulaires.

Production de ROS conduisant au stress oxydatif

Le stress oxydatif survient lorsque l’augmentation des niveaux de ROS dépasse l’activité des enzymes antioxydantes, notamment la catalase, la SOD ou la glutathion peroxydase (GSH-PX). Les ROS agissent comme seconds messagers dans de nombreuses cascades de signalisation intracellulaire et entraînent des dommages macromoléculaires cellulaires, tels que la dégradation des lipides membranaires, la fragmentation de l’ADN, la dénaturation des protéines et le dysfonctionnement mitochondrial, qui influencent grandement le métabolisme et la signalisation cellulaires. Les interactions de GO avec les cellules peuvent conduire à une génération excessive de ROS, qui est la première étape des mécanismes de la cancérogenèse, du vieillissement et de la mutagenèse. Le stress oxydatif a joué un rôle important dans les lésions pulmonaires aiguës induites par GO, et les réponses inflammatoires causées par le stress oxydatif sont souvent apparues lors de l’exposition aux GFN. L’activité de la SOD et du GSH-PX a diminué après exposition à GO d’une manière dépendante du temps et de la dose. De même, le stress oxydatif était la principale cause de l’apoptose et des dommages à l’ADN après l’exposition des cellules HLF à GO. La protéine kinase activée par les mitogènes (MAPK) (JNK, ERK et p38) et les voies de signalisation liées au TGF-bêta ont été déclenchées par la génération de ROS dans des cellules traitées au graphène vierge, accompagnées de l’activation de Bim et Bax, qui sont deux pro -membres apoptotiques de la famille des protéines Bcl-2. En conséquence, la caspase-3 et ses protéines effectrices en aval telles que PARP ont été activées et l’apoptose a été initiée. Des informations détaillées concernant les voies de signalisation liées à MAPK-, TGF-β- et TNF-α, qui induisent l’inflammation, l’apoptose et la nécrose, sont résumées sur la figure 4 .

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Dommages mitochondriaux

Les mitochondries sont des centres de production d’énergie impliqués dans diverses voies de signalisation dans les cellules et sont également un point clé de la régulation apoptotique. Après exposition au GO et au carboxyle graphène (GXYG), la membrane mitochondriale s’est dépolarisée et la quantité de mitochondries a diminué dans les cellules HepG2. L’exposition aux GFN a entraîné une augmentation significative de la consommation d’oxygène mitochondrial couplé et non couplé, la dissipation du potentiel de la membrane mitochondriale et le déclenchement éventuel de l’apoptose en activant la voie mitochondriale. Par exemple, GO a augmenté l’activité des complexes de transport d’électrons mitochondriaux I/III et la fourniture d’électrons au site I/II de la chaîne de transport d’électrons, accélérant la génération de ROS pendant la respiration mitochondriale dans les cellules MHS. La formation de •OH médiée par GO et le système de transfert d’électrons cytochrome-c/H ₂ O ₂ pourrait augmenter le stress oxydatif et thermique pour altérer le système de respiration mitochondriale et éventuellement entraîner une toxicité dramatique. De plus, les fragments d’oxygène sur GO pourraient accepter les électrons des protéines redox cellulaires, soutenant le cycle redox du cytochrome c et des protéines de transport d’électrons, et les cytochromes MtrA, MtrB et MtrC/OmcA pourraient être impliqués dans le transfert d’électrons vers GO. Par conséquent, à l’exception des dommages à la membrane plasmique et de l’induction du stress oxydatif, les GFN peuvent provoquer une apoptose et/ou une nécrose cellulaire en influençant directement l’activité mitochondriale cellulaire.

Dommages à l’ADN

En raison de sa petite taille, de sa surface spécifique et de sa charge de surface élevées, GO peut posséder des propriétés génotoxiques importantes et causer de graves dommages à l’ADN, par exemple une fragmentation chromosomique, des ruptures de brins d’ADN, des mutations ponctuelles et des adduits et altérations oxydatifs de l’ADN Une mutagenèse a été observée chez la souris après injection intraveineuse de GO à la dose de 20 mg/kg par rapport au cyclophosphamide (50 mg/kg), un mutagène classique. Même si GO ne peut pas entrer dans le noyau d’une cellule, il peut toujours interagir avec l’ADN pendant la mitose lorsque la membrane nucléaire se rompt, ce qui augmente le risque d’aberrations de l’ADN. L’interaction d’empilement entre les anneaux carbonés du graphène et les paires de bases d’ADN hydrophobes peut faire qu’un segment d’ADN « se dresse » ou « repose » sur la surface du graphène avec son axe hélicoïdal perpendiculaire ou parallèle, respectivement. Les forces intermoléculaires déforment sévèrement les paires de bases terminales de l’ADN, ce qui augmente potentiellement la génotoxicité. GO peut également induire une fragmentation chromosomique, des adduits d’ADN et des mutations ponctuelles en favorisant le stress oxydatif ou en déclenchant une inflammation par l’activation de voies de signalisation intracellulaires telles que MAPK, TGF-β et NF-κB. Le graphène et le rGO peuvent également augmenter l’expression de p53, Rad51 et MOGG1-1, qui reflètent les dommages chromosomiques, et diminuer l’expression de CDK2 et CDK4 en arrêtant la transition du cycle cellulaire de la phase G1 à la phase S dans diverses lignées cellulaires. Les dommages à l’ADN peuvent non seulement initier le développement du cancer, mais également menacer la santé de la prochaine génération si le potentiel mutagène de GO apparaît dans les cellules reproductrices, ce qui a un impact sur la fertilité et la santé de la progéniture.

Réaction inflammatoire

Les GFN peuvent provoquer une réponse inflammatoire significative, notamment une infiltration cellulaire inflammatoire, un œdème pulmonaire et la formation de granulomes à fortes doses via une instillation intratrachéale ou une administration intraveineuse. Les plaquettes sont des composants importants dans la formation de caillots pour attaquer les agents pathogènes et les particules pendant la réponse inflammatoire, et GO pourrait activer directement la formation de thrombus riches en plaquettes pour obstruer les vaisseaux pulmonaires après injection intraveineuse. Une forte réponse inflammatoire a été induite par une injection sous-cutanée de GO pendant 21 jours, ainsi que la sécrétion de cytokines clés, notamment IL-6, IL-12, TNF-α, MCP-1 et IFN-g. Les GFN peuvent déclencher une réponse inflammatoire et des lésions tissulaires en libérant des cytokines et des chimiokines qui conduisent au recrutement de monocytes circulants et en stimulant la sécrétion de cytokines et de chimiokines Th1/Th2. De plus, le graphène vierge et le rGO provoquent une réponse inflammatoire en se liant aux récepteurs Toll -like (TLR) et en activant la voie de signalisation NF-κB dans les cellules. La cascade de signalisation NF-κB est déclenchée par les TLR et les cytokines pro-inflammatoires telles que l’IL-1 et le TNF-α. Lors de l’activation, NF-κB se déplace du cytoplasme vers le noyau, facilitant la liaison d’IκB dégradant et agissant comme un facteur de transcription pour synthétiser de nombreuses cytokines pro-inflammatoires. Un schéma de la voie de signalisation de TLR4 et TLR9 activé par les GFN est présenté sur la figure 5 .

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Apoptose

L’apoptose est définie comme l’autodestruction d’une cellule régulée par des gènes via des programmes compliqués. GO et rGO ont provoqué l’apoptose et l’inflammation dans les poumons de souris après inhalation, et les GFN ont également eu des effets pro-apoptotiques dans les cellules. De plus, le graphène et le GO endommagent physiquement les membranes cellulaires, augmentent la perméabilisation de la membrane mitochondriale externe et modifient le potentiel de la membrane mitochondriale ; l’augmentation des ROS a déclenché les voies de signalisation MAPK et TGF-β et activé la caspase-3 via des cascades apoptotiques dépendantes des mitochondries, provoquant l’exécution de l’apoptose. De même, rGO a provoqué une apoptose à faible dose et à un moment précoce, déclenchée par le récepteur de la mort et la voie mitochondriale canonique. Une autre étude a montré trois voies d’apoptose différentes par les GFN : GO a conduit à l’apoptose dépendante des ROS par interaction directe avec les récepteurs protéiques et activation ultérieure de la voie du lymphome à cellules B-2 (Bcl-2); GO-COOH a transmis un signal d’apoptose passive à l’ADN nucléaire en se liant aux récepteurs protéiques et en activant une voie indépendante des ROS ; Cependant, GO-PEI a gravement endommagé les membranes des lymphocytes T pour déclencher l’apoptose.

Autophagie

L’autophagie est le processus d’auto-dégradation des composants cellulaires et récemment reconnu comme la mort cellulaire non apoptotique. L’activation de l’autophagie nécessite la formation d’autophagosome contenant Beclin 1, plusieurs protéines liées à l’autophagie (ATG), la chaîne légère de protéine associée aux microtubules 3 (LC3) et p62. L’accumulation d’autophagosome est associée à l’exposition à diverses nanoparticules, et l’autophagie peut éliminer les organismes extracellulaires et détruire les organismes du cytosol. Il a été démontré que GO et GQD induisaient une accumulation d’autophagosome et la conversion de LC3-I en LC3-II ; inhiber la dégradation de la protéine p62 substrat autophagique. De plus, GO peut déclencher simultanément des réponses TLR4 et TLR9 dans les macrophages et les cellules cancéreuses du côlon CT26. La voie de l’autophagie est liée à la phagocytose par la signalisation TLR dans les macrophages.

Nécrose

La nécrose est une forme alternative de mort cellulaire induite par des réponses inflammatoires ou des lésions cellulaires. L’exposition des cellules au graphène vierge provoque l’apoptose et la nécrose à des doses élevées (50 mg/mL). Il semblerait que la fuite de LDH et l’ouverture du pore de transition de perméabilité mitochondriale, induites par un niveau élevé de Ca ²⁺ cytoplasmique , conduisent à l’apoptose/nécrose. Le traitement par GO s’est révélé induire une nécrose macrophagique en activant la signalisation TLR4 et en déclenchant par la suite en partie la production autocrine de TNF-α. GO combiné avec CDDP (GO/CDDP) a déclenché une nécrose en diminuant RIP1 et en augmentant les protéines RIP3, accompagné de la libération du groupe à haute mobilité B1 (HMGB1) dans le cytosol à partir du noyau et des cellules CT26.

Changements épigénétiques

L’épigénétique implique la méthylation de l’ADN, l’empreinte génomique, les effets maternels, le silençage génique et l’édition de l’ARN. La méthylation de l’ADN, qui est l’une des modifications épigénétiques les mieux étudiées, comprend la phosphorylation, l’ubiquitination et l’ATP-ribosylation et peut conduire au remodelage de la chromatine. Un article récent a rapporté que l’exposition à SL-GO/FL-GO entraînait une hyperméthylation globale de l’ADN par la régulation positive des gènes DNMT3B et MBD1 ; Le traitement au GNP a provoqué une hypométhylation en diminuant l’expression des gènes DNMT3B et MBD1. GO pourrait activer la voie de régulation miARN-360 pour supprimer la cascade de signalisation des dommages à l’ADN-apoptose en affectant le composant de CEP-1. Prises ensemble, ces données suggèrent que les GFN pourraient provoquer des changements subtils dans la programmation de l’expression génique en modulant les changements épigénétiques. Cependant, les études sur les changements épigénétiques induits par les GFN sont peu nombreuses et le mécanisme épigénétique causé par l’exposition aux GFN n’est pas entièrement compris.

Pour conclure, de nombreuses études ont discuté des mécanismes représentatifs de la toxicité des GFN impliquant quatre voies de signalisation : TLR, TGF-β, TNF-α et MAPK. Ces quatre voies de signalisation sont corrélatives et modulatrices croisées, rendant la réponse inflammatoire, l’autophagie, l’apoptose et d’autres mécanismes indépendants et pourtant connectés les uns aux autres. De plus, le stress oxydatif semble jouer le rôle le plus important dans l’activation de ces voies de signalisation. Il a été rapporté qu’il existe des intersections d’apoptose, d’autophagie et de nécrose dans les études de toxicité d’autres nanomatériaux, ils s’inhibent ou se favorisent mutuellement dans certaines conditions. Cependant, les voies de signalisation de la toxicité des GFN étudiées dans les articles à ce jour ne sont qu’une petite partie d’un réseau complexe, et le réseau de voies de signalisation doit être exploré en détail à l’avenir.

Conclusion

Au cours des dernières années, les GFN ont été largement utilisés dans un large éventail de domaines technologiques et biomédicaux. Actuellement, la plupart des expériences se sont concentrées sur la toxicité des GFN dans les poumons et le foie. Par conséquent, les études sur les lésions cérébrales ou la neurotoxicité méritent plus d’attention à l’avenir. De nombreuses expériences ont montré que les GFN ont des effets secondaires toxiques dans de nombreuses applications biologiques, mais l’étude approfondie des mécanismes de toxicité est nécessaire de toute urgence. En outre, les résultats contrastés concernant la toxicité des GFN doivent être traités par des méthodes expérimentales efficaces et des études systématiques. Cette revue donne un aperçu de la toxicité des GFN en résumant la toxicocinétique, mécanismes de toxicité et facteurs d’influence et visait à fournir des informations pour faciliter des recherches approfondies sur l’hémo- et la biocompatibilité in vitro et in vivo des GFN à l’avenir. Cet examen aidera à résoudre les problèmes de sécurité avant les applications cliniques et thérapeutiques des GFN, ce qui sera important pour le développement ultérieur des GFN dans les applications biologiques.

Abréviations

AMs : Macrophages alvéolaires

BBB : Barrière hémato-encéphalique

BEB : Barrières sang-épididyme

BTB : Barrière hémato-testiculaire

RC : Récepteur du complément

FcgR : récepteur

FcgFLG : Graphène à quelques couches

GFN : Nanomatériaux de la famille du graphène

GNS : Nanofeuillets de graphène

GO : Oxyde de graphène

GO-COOH : Oxyde de graphène carboxylé

GO-DEX : GO-dextran

GO-MB : GO-balise moléculaire

GO-NH2 : GO aminé

GO-PAA : GO fonctionnalisé poly(acide acrylique)

GO-PAM : GO fonctionnalisé poly(acrylamide)

GO-PEG : Dérivés GO pégylés

GO-Î.-P.-É. : GO-polyéthylèneimine

GQD : Points quantiques de graphène

GSH-PX : Glutathion peroxydase

GXVG : carboxyle graphène

LDH : Lactate et déshydrogénase

MALDI : Désorption/ionisation laser assistée par matrice

MAPK : Protéine kinase activée par les mitogènes

MDA : Malondialdéhyde

MØ : Macrophage

MR: Récepteur du mannose

MSI : Imagerie par spectrométrie de masseCellules

PC12 : Cellules de phéochromocytome de rat

PCGO : Nanoparticules d’oxyde de graphène enrobées de protéines

PrGO : Oxyde de graphène réduit pégylé

RES : Système réticulo-endothélial

rGO : Oxyde de graphène réduit

ROS : Les espèces réactives de l’oxygène

SOD: Superoxyde dismutase

TLR : Récepteur de type péage

Sources :

https://patents.google.com/patent/CN112220919A/en

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7577689/

https://particleandfibretoxicology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12989-016-0168-y#Sec37