Les nanomatériaux en carbone : des alternatives antibactériennes et antivirales

Carbon nanomaterials as antibacterial and antiviral alternatives

• Auteur / Autrice : Aleksandra Loczechin
• Direction : Sabine Szunerits, Nils Metzler-Nolte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Ruhr-Universität
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antibactériens

Inhibiteurs

Betacoronavirus

Synthèse hydrothermale

Antibiotiques peptidiques

Antiviraux

Points quantiques

Graphène

Mots clés libres

Points quantiques carbonés

Nanoparticules de diamant

Oxyde de graphène réduit

Carbon-based nanostructures

Résumé

La résistance croissante aux antibiotiques et les limitations dans le développement de nouveaux médicaments nécessitent la recherche de stratégies alternatives afin d’éradiquer les infections bactériennes. Des problèmes semblables apparaissent dans le développement de thérapeutiques antivirales, en raison de l’émergence constante de nouveaux virus et leur capacité à contourner les thérapies par des mutations génétiques. Ce travail de recherche examine la potentielle activité antibactérienne et/ou antivirale de nanostructures à base de carbone telles que les nanoparticules de diamant et les points quantiques carbonés (carbon quantum dots, CQDs), ainsi que l’oxyde de graphène réduit (reduced graphene oxide, rGO) combiné à des cryogels. Les CQDs produits par synthèse hydrothermale à partir de l’acide 4-aminophénylboronique comme précurseur carboné se sont montrés efficace en tant qu’inhibiteurs de l’attachement du coronavirus humain HCoV-229E-Luc aux cellules avec une EC50 de 5,2±0.7 µg mL-1. Les études mécanistiques suggèrent que les CQDs agissent lors des tout premiers stades de l’infection virale ainsi que lors de l’étape de réplication du virus. En parallèle, nous avons tiré parti du caractère multivalent des CQDs et des nanodiamants pour les modifier en y fixant de courts peptides synthétiques antimicrobiens (antimicrobial peptides, AMPs). Ces nanostructures ont été testées contre des bactéries pathogènes à Gram positif Staphylococcus aureus et à Gram négatif Escherichia coli et ont montré une activité antibactérienne plus élevée que celle des AMPs seuls. Dans le cas du rGO combiné à des cryogels chargés en AMPs, l’éradication des bactéries a été réalisée efficacement et à la demande en utilisant une irradiation infrarouge comme activateur externe permettant le relargage des AMPs.

Increasing antibiotic resistance and limited development of new drugs necessitate the search for alternative strategies to eradicate bacterial infections. Similar problems are faced in the development of antiviral therapeutics, due to the constant emergence of new viruses and their ability to escape therapy by genetic mutations. This work investigates the potential antibacterial and/or antiviral activity of carbon-based nanostructures such as diamond nanoparticles and carbon quantum dots (CQDs) as well as reduced graphene oxide (rGO) in combination with cryogels. CQDs formed by hydrothermal synthesis from 4-aminophenylboronic acid as the carbon precursor showed to be efficient in the inhibition of the viral attachment of human coronavirus HCoV-229E-Luc to cells with an EC50 of 5.2±0.7 µg mL-1. Mechanistic studies suggest that the CQDs are acting at the early stage of virus infection as well at the viral replication step. In parallel, we took advantage of the multivalent character of CQDs as well as nanodiamonds and modified them with short synthetic antimicrobial peptides (AMPs). Tests of these nanostructures against Gram-positive Staphylococcus aureus and Gram-negative Escherichia coli pathogens showed increased antibacterial activity when compared to AMPs alone. In the case of rGO combined with cryogels loaded with AMPs, bacterial eradication was achieved efficiently and on-demand using near-infrared light as external trigger to release AMPs.