Un biosenseur détecte les protéines des maladies neurodégénératives

En intégrant plusieurs technologies de pointe dans un seul système, des chercheuses et chercheurs de l’EPFL ont accompli une avancée majeure dans le diagnostic des maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. Ce dispositif novateur est appelé capteur ImmunoSEIRA. Il s’agit d’une technologie qui permet de détecter et d’identifier les biomarqueurs de protéines mal repliées associés aux maladies neurodégénératives. Publiée dans Science Advances, cette recherche tire parti du potentiel de l’intelligence artificielle (IA) en utilisant des réseaux neuronaux pour quantifier le stade de la maladie et sa progression. Cette avancée technologique importante est prometteuse non seulement pour la détection précoce et le suivi des maladies neurodégénératives, mais aussi pour l’évaluation des options thérapeutiques à différents stades de la maladie.

Le traitement des maladies neurodégénératives fait face à un défi de taille en raison de l’absence de méthodes diagnostiques efficaces pour la détection précoce et le suivi de la progression de la maladie. Le pliage incorrect des protéines, un mécanisme fréquent dans la neurodégénérescence, a été identifié comme un événement clé dans la progression de la maladie. On suppose que les protéines saines se replient mal, d’abord en oligomères aux premiers stades, puis en fibrilles aux stades plus avancés de la maladie. Ces agrégats de protéines mal repliées circulent dans le cerveau et les fluides biologiques et s'accumulent sous forme de dépôts dans le cerveau des personnes décédées atteintes de troubles neurodégénératifs. Mais le développement d’outils permettant de détecter ces signes caractéristiques de la maladie, appelés biomarqueurs, s’est avéré difficile jusqu’à présent. Les obstacles à une détection précise sont multiples, y compris les limites de la technologie actuelle pour séparer avec précision les différents agrégats de protéines.

Intégration de plusieurs technologies de pointe dans un seul capteur
Pour créer ce capteur avancé de biomarqueurs des maladies neurodégénératives, des chercheuses et chercheurs du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques (BIOS) de la professeure Hatice Altug et du Laboratoire de neurobiologie moléculaire et neuroprotéomique (LMNN) du professeur Hilal Lashuel ont combiné plusieurs domaines scientifiques: la biochimie des protéines, l’optofluidique, la nanotechnologie et l’intelligence artificielle (IA). «Contrairement aux approches biochimiques actuelles qui reposent sur la mesure des concentrations de ces molécules, notre approche se base sur la détection de leurs structures anormales. Cette technologie nous permet également de différencier les taux des deux principales formes anormales impliquées dans le développement et la progression des maladies neurodégénératives, les oligomères et les fibrilles», déclare Hilal Lashuel.

Le capteur ImmunoSEIRA utilise une technologie appelée spectroscopie d’absorption infrarouge exaltée par la surface (SEIRA). Cette méthode permet aux scientifiques de détecter et d’analyser les formes de molécules spécifiques associées aux maladies, appelées biomarqueurs, liées aux maladies neurodégénératives. Le capteur est pourvu d’un immunodosage unique, qui agit comme un détective moléculaire, identifiant et capturant ces molécules spécifiques associées à la maladie avec une grande précision.

«Dans notre article, nous présentons une solution technologique qui intègre la nanoplasmonique, la nanofabrication en salle blanche, la microfluidique, l’immunodosage, l’IA et des méthodes biochimiques avancées», explique la doctorante et principale autrice de l’article Deepthy Kavungal. «Notre capteur ImmunoSEIRA présente une sensibilité structurelle et est en mesure de surveiller un panel de biomarqueurs complémentaires avec une spécificité élevée à partir de petits volumes d’échantillons dans des biomatrices complexes.»

Réunir le potentiel des nanotechnologies et de l’intelligence artificielle
Le capteur ImmunoSEIRA comporte des réseaux de nanorods en or avec des anticorps pour la détection spécifique de protéines. Il permet la capture spécifique en temps réel et l’analyse structurelle de biomarqueurs cibles à partir d’échantillons extrêmement petits. Les réseaux neuronaux, un sous-ensemble d’algorithmes d’intelligence artificielle, servent ensuite à identifier la présence de formes spécifiques de protéines mal repliées, les agrégats oligomères et fibrillaires, ce qui permet d’atteindre un niveau de précision de détection sans précédent au fur et à mesure que la maladie progresse. Hilal Lashuel estime qu’il s’agit d’une avancée majeure dans la détection des maladies. Il ajoute: «Le processus pathologique étant étroitement associé à des changements de la structure des protéines, nous pensons que les biomarqueurs structurels, notamment lorsqu’ils sont intégrés à d’autres biomarqueurs biochimiques et de neurodégénérescence, pourraient ouvrir la voie à un diagnostic plus précis et à un suivi de la progression de la maladie».

L’équipe de recherche de l’EPFL est allée plus loin en montrant que le capteur ImmunoSEIRA peut être utilisé dans un contexte clinique réel, c’est-à-dire dans des biofluides. Elle a pu identifier avec précision la signature spécifique de ces fibrilles anormales, un indicateur clé des maladies neurodégénératives, même dans des fluides complexes comme le liquide céphalo-rachidien humain. Hatice Altug explique que la prochaine étape pour cette nouvelle technologie «est de continuer à étendre ses capacités et d’évaluer son potentiel de diagnostic pour la maladie de Parkinson et le nombre croissant de maladies causées par le pliage incorrect des protéines et leur agrégation».

Les résultats de cette étude constituent un progrès significatif dans les domaines de la biodétection, de la spectroscopie infrarouge, de la nanophotonique, et de la recherche sur les biomarqueurs des maladies neurodégénératives. Le déploiement du capteur ImmunoSEIRA assisté par l’IA est une avancée bienvenue dans la détection précoce des maladies neurodégénératives, le suivi des maladies et l’évaluation de l’efficacité des médicaments, répondant ainsi au besoin essentiel d’intervention et de traitement rapides des maladies neurodégénératives.