Accélérer la détection précoce des maladies grâce à la nanobiotechnologie

Imaginez ce scénario : Les examens physiques annuels sont complétés par une puce de diagnostic à domicile abordable, vous permettant de surveiller régulièrement votre état de santé de base avec un simple échantillon d'urine. Bien qu'extérieurement vous semblez être en bonne santé, l'appareil révèle une fluctuation dans votre profil de biomarqueur, indiquant l'émergence possible d'un développement précoce du cancer ou la présence d'un virus.

Des dispositifs de diagnostic comme un test de grossesse à domicile existent depuis les années 1970. Cela a révolutionné la capacité d'une femme à savoir si elle était enceinte sans avoir à attendre un rendez-vous chez le médecin pour confirmer ses soupçons. Le test repose sur la détection d'une hormone, la gonadotrophine chorionique humaine, présente dans l'urine. Mais la détection d'un cancer ou d'un virus mortel à partir d'un type d'échantillon et d'appareil similaire pourrait-elle être aussi simple et non invasive ?

Puce nanoDLD 2cmx2cm d'IBM Research montée dans un gabarit microfluidique

Au cours des deux dernières années, une équipe interdisciplinaire d'IBM Research dirigée par le Dr Joshua Smith, chercheur scientifique et maître inventeur, et le Dr Gustavo Stolovitzky, directeur du programme IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, ont exploré cette idée en réoutiller la technologie du silicium et l'utiliser pour séparer des particules de taille nanométrique comme les éléments des virus et des cancers.

La réponse se trouve à l'intersection de la biologie humaine et de la nanotechnologie. Tout d'abord, vous avez besoin d'une « biopsie liquide », qui peut être obtenue à partir d'échantillons d'urine ou de salive. Ensuite, les biomolécules nanométriques doivent être séparées pour la détection en aval d'une maladie, même si sa présence est physiquement indétectable. Les techniques de séparation d'aujourd'hui nécessitent un équipement coûteux, un laboratoire de biochimie et des techniciens qualifiés, ce qui rend les dépistages réguliers peu pratiques. Mais une approche nanotechnologique basée sur des puces pourrait offrir une option simple et abordable pour permettre aux médecins de détecter et de surveiller potentiellement une maladie, même à ses premiers stades, bien avant que les symptômes physiques ne se manifestent et lorsque le pronostic des options de traitement est le plus positif. C'est le Saint Graal pour les professionnels de la santé :traitez les gens avant ils tombent malades chroniquement.

Le grand avantage de l'équipe est de combiner des techniques de nanotechnologie et de fabrication de pointe avec une expertise en biologie computationnelle. Cette puissante synergie est difficile à trouver dans d'autres laboratoires de recherche.

Connaître vos bioparticules

La séparation des bioparticules n'est en aucun cas un nouveau concept, mais dans leurs dernières expériences, l'équipe de Smith et Stolovitzky est la première à avoir séparé avec succès des biomolécules à l'échelle nanométrique - en particulier des exosomes (vésicules dérivées de cellules trouvées dans des fluides corporels contenant une cargaison génétique libérée par la cellule mère) jusqu'à seulement 20 nm de diamètre, environ 1/5 000e d'un cheveu humain. À cette échelle, une multitude de bioparticules importantes peuvent être séparées, y compris les exosomes, l'ADN, les virus et les complexes protéiques susmentionnés, qui peuvent potentiellement signaler l'apparition précoce d'un état pathologique, l'existence d'un virus peu après l'exposition, ou être utilisées pour surveiller la progression de la maladie.

En utilisant une technologie appelée déplacement latéral déterministe à l'échelle nanométrique, ou nanoDLD, un échantillon liquide peut être passé, en flux continu, à travers une puce de silicium spécialement conçue avec un réseau de piliers asymétrique. Ce réseau permet au système de trier une cascade microscopique de particules, séparant les particules par taille jusqu'à une résolution de quelques dizaines de nanomètres. La séparation se produit lorsque les particules plus petites se déplacent en zigzag dans la direction du fluide, tandis que les particules plus grosses traversent le réseau le long de la direction de l'asymétrie des piliers, comme les chauffeurs de camion forcés dans la voie des camions sur une autoroute, permettant des matériaux de différentes tailles à isoler pour une détection ou une analyse en aval.

"L'impact sociétal de cette recherche est qu'elle pourrait permettre aux médecins de détecter le cancer à un stade précoce... lorsqu'il y a plus de possibilités de guérison", a déclaré Stolovitzky. « Nous voulions que cette recherche soit dans le domaine du cancer et également dans le domaine de la détection de l'ADN et des virus comme Zika. Tout se résume à la même chose :pouvoir disposer d'un outil de diagnostic petit et abordable capable de détecter des quantités infimes de particules de biomarqueurs qui renseignent les médecins sur la santé d'une personne. »

L'échelle de la biologie de l'humain aux atomes et les nouvelles plages à l'échelle nanométrique que le dispositif nanoDLD d'IBM Research est capable d'atteindre [infographie complète]

Smith a ajouté :« La capacité pour les médecins de dépister régulièrement le profil biologique d'un individu de manière abordable et non invasive a le potentiel d'inaugurer une nouvelle ère de préventif soins de santé et améliorer notre compréhension des facteurs qui contribuent à la progression de la maladie. »

Utiliser les exosomes pour lancer la médecine préventive

Dans le cadre du développement continu de cette technologie, IBM Research collabore avec une équipe du Mount Sinai Health System, dirigée par Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, président du département de pathologie du Mount Sinai Health System et professeur de pathologie, de génétique et de sciences génomiques et de sciences oncologiques à la faculté de médecine Icahn. La collaboration rassemble l'expertise du domaine du mont Sinaï en matière de cancer et de pathologie, tandis qu'IBM Research apporte son expérience en bio-informatique et sa dernière technologie de séparation à l'échelle nanométrique.

Dans la guerre contre le cancer, les exosomes sont de plus en plus considérés comme des biomarqueurs utiles pour le diagnostic et le pronostic des tumeurs malignes. Les exosomes sont libérés dans des fluides corporels facilement accessibles tels que le sang et l'urine, et représentent un outil biomédical précieux, car ils peuvent révéler l'origine d'un cancer.

« On s'est rendu compte que les cellules se parlent en envoyant des messagers. Certains de ces messagers sont stockés et transférés à l'intérieur de diverses petites vésicules ou exosomes. Nous avons appris qu'à l'intérieur de ces enveloppes, de nombreuses informations critiques peuvent être trouvées, y compris celles codées par des protéines, ou même les messagers de nos propres cellules sous la forme de fragments de gènes d'ADN et de molécules d'ARN », a déclaré Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo est motivé par la possibilité d'utiliser les informations contenues dans les exosomes pour devancer les maladies.

« Aujourd'hui, nous ne poursuivons pas les « soins de santé » dans le contexte de sa définition approfondie. Aujourd'hui, nous effectuons essentiellement ce que nous pouvons définir comme des « soins de santé ». , mais pas nous-mêmes. Souvent, c'est parce que nous avons peur que quelque chose ne va pas. Les exosomes pourraient aider à la détection précoce de la maladie. Interroger et interroger quels messages commencent à être envoyés entre les organes pour prédire ce qui peut arriver, ce serait l'une des nouvelles façons les plus intéressantes d'examiner les soins de santé. »

Cordon-Cardo pense qu'avec la technologie IBM nanoDLD, les experts peuvent écouter plus efficacement les messages envoyés entre les cellules et les organes d'une manière non invasive. Surveiller plus régulièrement cette conversation intercellulaire permettrait aux experts d'agir comme un chaperon virtuel, en observant attentivement jusqu'au moment où la situation s'est inversée et le patient est revenu à un état sain, ou de permettre aux médecins de décider que quelque chose de plus invasif est légitimement nécessaire. .

Micrographie électronique d'exosomes sur une surface.

« Quand nous sommes en avance sur la maladie, nous pouvons généralement bien la traiter ; mais si la maladie est devant nous, le voyage est généralement beaucoup plus difficile. L'un des développements importants que nous tentons dans cette collaboration est d'avoir les bases de base pour identifier les signatures moléculaires qui peuvent être là très tôt », a-t-il déclaré.

Dépistage du cancer de la prostate

IBM Research et Mount Sinai prévoient de tester la technologie nanoDLD sur le cancer de la prostate, le cancer le plus courant chez les hommes aux États-Unis. Dans le cas du cancer de la prostate, les médecins recommandent aux hommes de plus de 50 ans de subir un test annuel pour un antigène spécifique de la prostate (PSA) prélevé sur un échantillon de sang. Cependant, avoir un taux de PSA élevé ne signifie pas nécessairement qu'une personne a ou aura un cancer de la prostate. À l'inverse, ne pas être testé positif au PSA n'empêche pas non plus un individu de développer un cancer de la prostate.

L'espoir est de rechercher des biomarqueurs spécifiques et sensibles, et les exosomes représentent aujourd'hui une nouvelle frontière offrant des indices qui pourraient détenir la réponse à savoir si une personne a un cancer.

« Avec les exosomes, vous avez un aperçu de ce qu'une cellule cancéreuse traite. Les cellules libèrent des exosomes tout le temps. Si nous les détectons, nous pouvons voir ce qu'il y a à l'intérieur sans toucher le cancer », a déclaré Stolovitzky.

À l'heure actuelle, la recherche est encore à ses débuts. Les derniers résultats scientifiques de l'équipe de recherche d'IBM ont été publiés aujourd'hui dans Nature Nanotechnology*. Dans le cadre des prochaines étapes, l'équipe espère augmenter le volume et le débit de ce que l'appareil peut gérer et concevoir l'appareil afin qu'il puisse séparer les bioparticules inférieures à 20 nanomètres, les amenant ainsi dans le domaine des protéines individuelles.

Ils prévoient également de confirmer que leur appareil est capable de détecter les types de biomarqueurs qu'ils s'attendraient à voir dans les exosomes des patients atteints de cancer de la prostate, et ils continueront à travailler sur la construction d'un prototype de dispositif de qualité clinique. Des essais cliniques seraient nécessaires avant qu'un appareil puisse arriver sur le marché. Mais tout comme le test de grossesse a changé la donne pour les femmes enceintes, un jour, dans notre avenir, nous pourrons peut-être utiliser un simple dispositif de point de service qui nous donnera des signes révélateurs de notre santé avant même que nous remarquions le moindre symptôme.

Note de bas de page :

*Nature Nanotechnologie : Réseaux à déplacement latéral à l'échelle nanométrique pour la séparation des exosomes et des colloïdes jusqu'à 20n, DOI :10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (affiliation actuelle :Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research) et Yann Astier (affiliation actuelle :Roche Molecular Systems)