En combinant plusieurs technologies avancées dans un seul système, les chercheurs de l'EPFL ont fait un pas en avant significatif dans le diagnostic des maladies neurodégénératives (NDD) telles que la maladie de Parkinson (MP) et la maladie d'Alzheimer (MA).
Ce nouveau dispositif est connu sous le nom de capteur ImmunoSEIRA, une technologie de biodétection qui permet la détection et l'identification de biomarqueurs protéiques mal repliés associés aux NDD. La recherche, publiée dans Science Advances , exploite également la puissance de l'intelligence artificielle (IA) en utilisant des réseaux neuronaux pour quantifier les stades et la progression de la maladie.
Cette avancée technologique significative est prometteuse non seulement pour la détection et la surveillance précoces des TND, mais également pour l'évaluation des options de traitement à différents stades de la progression de la maladie.
Le traitement des maladies neurodégénératives est confronté à un défi important en raison du manque de méthodes de diagnostic efficaces pour la détection précoce et le suivi de la progression de la maladie. Le mauvais repliement des protéines, un mécanisme courant dans la neurodégénérescence, a été identifié comme un événement clé dans la progression de la maladie.
On suppose que les protéines saines se replient d’abord en oligomères aux premiers stades de la maladie, puis en fibrilles aux stades ultérieurs de la maladie. Ces agrégats de protéines mal repliés circulent dans le cerveau et les biofluides et s'accumulent également sous forme de dépôts dans le cerveau des personnes décédées souffrant de NDD. Mais le développement d’outils permettant de détecter ces signes révélateurs de maladie – connus sous le nom de biomarqueurs – est resté jusqu’à présent insaisissable. Les obstacles à une détection précise sont multiples, y compris les limites de la technologie actuelle pour séparer et quantifier avec précision différents agrégats de protéines.
Pour créer ce capteur de biomarqueur NDD avancé, les chercheurs du Laboratoire de systèmes bionanophotoniques (BIOS) du professeur Hatice Altug et du Laboratoire de neurobiologie moléculaire et de 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 niveaux de ces molécules, notre approche est axée sur la détection de leurs structures anormales. Cette technologie nous permet également de différencier les niveaux des deux principales formes anormales impliquées dans le développement et la progression des NDD, les oligomères. et des fibrilles", explique Lashuel
Le capteur ImmunoSEIRA utilise une technologie appelée spectroscopie d'absorption infrarouge améliorée en surface (SEIRA). Cette méthode permet aux scientifiques de détecter et d’analyser les formes de molécules spécifiques associées à des maladies, appelées biomarqueurs, associées aux maladies neurodégénératives. Le capteur est équipé d'un test immunologique unique, qui agit comme un détective moléculaire, identifiant et capturant ces biomarqueurs avec une haute précision.
"Dans notre article, nous présentons une solution technologique qui intègre la nanoplasmonique, la nanofabrication en salle blanche, la microfluidique, les tests immunologiques, l'IA et les méthodes biochimiques avancées", explique le docteur. étudiant et auteur principal de l'article Deepthy Kavungal. "Notre capteur ImmunoSEIRA présente une sensibilité structurelle et la capacité de surveiller un panel de biomarqueurs complémentaires avec une spécificité élevée à partir de petits volumes d'échantillons dans des biomatrices complexes."
Joindre la puissance de la nanotechnologie et de l'intelligence artificielle
Le capteur ImmunoSEIRA comprend des réseaux de nanorodes d'or avec des anticorps pour la détection de protéines spécifiques. Il permet une capture spécifique en temps réel et une analyse structurelle de biomarqueurs cibles à partir d’échantillons extrêmement petits. Les réseaux neuronaux, un sous-ensemble d'algorithmes d'IA, sont ensuite utilisés pour identifier la présence de formes spécifiques de protéines mal repliées, les agrégats oligomères et fibrillaires, atteignant ainsi un niveau de précision de détection sans précédent à mesure que la maladie progresse.
Lashuel estime qu'il s'agit d'une avancée significative dans la détection des maladies, ajoutant que « puisque le processus pathologique est étroitement associé à des changements dans la structure des protéines, nous pensons que les biomarqueurs structurels, en particulier lorsqu'ils sont intégrés à d'autres biomarqueurs biochimiques et de neurodégénérescence, pourraient ouvrir la voie à un diagnostic et un suivi plus précis de la progression de la maladie."
L’équipe de recherche de l’EPFL est allée plus loin en démontrant que le capteur ImmunoSEIRA peut être utilisé en milieu clinique réel, c’est-à-dire dans les biofluides. Ils ont pu identifier avec précision la signature spécifique de fibrilles anormales, un indicateur clé des maladies neurodégénératives, même dans des fluides complexes comme le liquide céphalo-rachidien humain (LCR).
Le professeur Altug explique que la prochaine étape de cette nouvelle technologie "consiste à continuer d'étendre ses capacités et d'évaluer son potentiel diagnostique dans la maladie de Parkinson et le nombre croissant de maladies causées par un mauvais repliement et une agrégation des protéines".
Les résultats de cette étude marquent une avancée significative dans les domaines de la biodétection, de la spectroscopie infrarouge, de la nanophotonique et des biomarqueurs des maladies neurodégénératives. Le déploiement du capteur ImmunoSEIRA assisté par l'IA est une avancée bienvenue pour la détection précoce des NDD, la surveillance des maladies et l'évaluation de l'efficacité des médicaments, répondant au besoin critique d'une intervention et d'un traitement rapides des maladies neurodégénératives.
Plus d'informations : Deepthy Kavungal et al, Capteur infrarouge plasmonique couplé à l'intelligence artificielle pour la détection de biomarqueurs protéiques structurels dans les maladies neurodégénératives, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adg9644
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
