Un nouvel appareil créé à l'Université de Notre Dame utilise une méthode innovante pour « écouter » les conversations des cellules.

Les scientifiques savent depuis longtemps que l'ARN (acide ribonucléique) agit comme un messager à l'intérieur des cellules, traduisant les informations de l'ADN pour aider les cellules à fabriquer des protéines.

Mais récemment, des scientifiques ont découvert que certains types d’ARN s’aventuraient hors de la paroi cellulaire. Chacun de ces brins « d'ARN extracellulaire », ou exARN, repose dans une minuscule « bouteille » porteuse et circule dans les fluides corporels comme un message microscopique dans une bouteille, transportant des informations vers d'autres cellules.

La nouvelle appréciation de l'exARN a également soulevé une possibilité alléchante :pourrions-nous utiliser l'exARN comme moyen « d'écouter » les conversations des cellules ?

"Ces ARN extracellulaires sont une mine d'or d'informations", a déclaré Hsueh-Chia Chang, professeur Bayer de génie chimique et biomoléculaire à l'Université de Notre Dame. "Ils peuvent être porteurs des signes avant-coureurs d'un cancer, d'une maladie cardiaque, du VIH et d'autres maladies potentiellement mortelles."

Chang, un expert en nanofluidique, explique que diagnostiquer une maladie à l'aide d'exARN pourrait s'avérer non seulement plus efficace, mais aussi plus rapide et moins coûteux que les méthodes existantes, car il y a suffisamment d'exARN dans un petit échantillon de sang ou d'un autre fluide corporel pour signaler la présence de nombreux maladies.

Mais intercepter et interpréter les messages exARN a été un défi difficile. De nombreux laboratoires ont tenté de les filtrer à partir d’échantillons de sang ou d’autres fluides corporels. Beaucoup d’autres ont utilisé des centrifugeuses avancées pour isoler les exARN. Ces méthodes ont rencontré peu de succès pour une raison simple :les différents types de « bouteilles » qui transportent des messages d'exARN se chevauchent en taille et en poids.

Même les filtres et les centrifugeuses les plus avancés laissent de nombreux supports en désordre. Les laboratoires utilisant ces méthodes doivent ajouter des étapes supplémentaires au cours desquelles ils ajoutent des produits chimiques ou de petites particules magnétiques pour trier davantage les supports en groupes discrets.

Il y a quatre ans, Chang et une équipe de chercheurs de Notre Dame ont décidé d'essayer une approche radicalement nouvelle, et leur idée a reçu le soutien du Fonds commun des National Institutes of Health, qui sélectionne des « projets innovants et à haut risque prometteurs avec le potentiel » pour un impact extraordinaire."

Chang a été rejoint par trois autres membres du corps professoral de Notre Dame :Crislyn D'Souza-Schorey, professeur Morris Pollard de sciences biologiques; David Go, vice-président et doyen associé pour la stratégie académique et professeur Viola D. Hank d'aérospatiale et de génie mécanique ; et Satyajyoti Senapati, professeur agrégé de recherche au Département de génie chimique et biomoléculaire. Himani Sharma, chercheur postdoctoral, a dirigé le projet et Vivek Yadav, étudiant diplômé en génie chimique et biomoléculaire, a aidé à mener la recherche.

Dans une étude publiée dans ACS Nano , Sharma, Chang et leurs collègues décrivent le dispositif révolutionnaire issu de leurs recherches.

La nouvelle technologie utilise une combinaison de pH (acidité/basicité) et de charge électrique pour séparer les porteurs. L'idée repose sur le fait que, bien que les supports se chevauchent en taille et en poids, chaque type a un « point isoélectrique » distinct :le pH, ou niveau d'acidité/basicité, auquel il n'a aucune charge positive ou négative.

L'appareil intègre plusieurs technologies existantes développées à Notre-Dame et tient parfaitement dans la paume de la main.

Ce qui ressemble à un simple jet d’eau coule au milieu de l’appareil. Mais il y a quelque chose de spécial dans le ruisseau qui n'est pas visible à l'œil nu. Du côté gauche, l’eau est très acide, avec un pH à peu près le même qu’un verre de jus de pamplemousse. De l'autre côté du ruisseau, l'eau est très basique, avec un pH similaire à celui d'une bouteille d'ammoniaque.

Une particularité de l'appareil n'est pas seulement le fait qu'il présente un gradient de pH dans le flux, mais également la manière dont il atteint ce gradient. La technologie est capable de générer le gradient sans ajout de produits chimiques, ce qui la rend moins chère, plus écologique et plus efficace à utiliser que les conceptions qui reposent sur des acides et des bases ajoutés.

Le gradient ne provient pas d’un produit chimique mais d’une membrane double face alimentée par une puce spécialement conçue. La membrane divise l'eau en deux ions (H ⁺ et OH ^- ) et ajoute un type différent d'ion de chaque côté du flux. Un côté de la membrane libère des ions hydronium acides et l'autre côté libère des ions hydroxyde basiques.

Lorsque les flux basiques et acides coulent ensemble, ils créent un gradient de pH, tout comme les flux chauds et froids circulant ensemble formeraient des côtés chauds et froids avec un gradient de température passant par le milieu du flux. L'équipe a utilisé les deux appareils fonctionnant en parallèle pour sélectionner la plage de pH requise pour la séparation des porteurs et a optimisé le processus à l'aide de l'apprentissage automatique.

Le gradient de pH a permis d'obtenir ce que les filtres et les centrifugeuses ne pouvaient pas réaliser :il a amené les porteurs d'exARN flottant dans le flux à se trier comme les couleurs de la lumière traversant un prisme. Les différents types de porteurs formaient des lignes le long de leurs points isoélectriques où ils pouvaient facilement s'écouler vers des sorties séparées.

Grâce à la nouvelle méthode, l’équipe de recherche a pu générer des échantillons très purs (jusqu’à 97 % de pureté) en utilisant moins d’un millilitre de plasma sanguin, de salive ou d’urine. Le processus était également ultra-rapide par rapport aux méthodes actuelles. Alors que les meilleures technologies existantes mettent environ une journée pour réaliser la séparation, l'équipe de Notre Dame a pu trier complètement son échantillon en seulement une demi-heure.

"Nous avons déposé un brevet et espérons bientôt que la technologie sera commercialisée afin qu'elle puisse aider à améliorer les diagnostics du cancer et d'autres maladies", a déclaré Sharma, qui a remporté plusieurs prix pour son travail sur l'étude du Harper Cancer Research de Notre Dame. Institut.

"Les maladies non transmissibles sont responsables de plus de 70 % des décès dans le monde, et les maladies cardiovasculaires et le cancer sont responsables de la majeure partie de ce chiffre", a déclaré Sharma. "Notre technologie ouvre la voie à l'amélioration de la manière dont les cliniciens diagnostiquent ces maladies, ce qui pourrait sauver un nombre considérable de vies."

Plus d'informations : Himani Sharma et al, Une plateforme de fractionnement isoélectrique évolutive à haut débit pour les nanoporteurs extracellulaires :isolement complet et sans biais des ribonucléoprotéines du plasma, de l'urine et de la salive, ACS Nano (2023). DOI :10.1021/acsnano.3c01340

Informations sur le journal : ACS Nano

Fourni par l'Université de Notre Dame