Les protéines sont les éléments constitutifs de la vie, et des changements dans les niveaux de protéines peuvent indiquer une amélioration de la santé ou une maladie imminente, y compris des signes d'inflammation. Bien que les niveaux de protéines puissent être mesurés à l’aide d’analyses périodiques de sang ou d’urine, il a été difficile de comprendre comment surveiller en permanence les niveaux de protéines dans le corps humain en temps réel.
Aujourd'hui, une équipe de bio-ingénieurs du Chan Zuckerberg Biohub Chicago, soutenue par l'Initiative Chan Zuckerberg, et la Northwestern University présentent une étape majeure dans cet effort : des capteurs implantés sous la peau qui suivent les changements protéiques chez les animaux vivants au fur et à mesure que ces changements se produisent. Dans les tests de validation de principe, décrits 5 décembre 2024 dans Sciencela nouvelle technologie mesurait avec précision et sensibilité les biomarqueurs protéiques de l'inflammation chez les rats diabétiques.
Ces travaux constituent une étape importante vers une compréhension plus approfondie de l’inflammation, l’un des phénomènes les plus complexes et les plus importants du corps humain. On estime que 50 % de tous les décès sont attribués à des maladies liées à l’inflammation, notamment le cancer et les maladies cardiaques. La nouvelle technologie jette les bases de futurs outils permettant de surveiller, suivre et même un jour prévenir l’inflammation chez les individus. Une telle capacité pourrait changer radicalement le traitement des maladies liées à l’inflammation, de la même manière que les glucomètres en continu ont révolutionné le traitement du diabète en améliorant les résultats pour les patients et en réduisant les coûts globaux des soins de santé.
Il s’agit d’une toute nouvelle capacité : pouvoir observer l’inflammation en temps réel. Nous espérons qu’un jour cette technologie bénéficiera à de nombreuses personnes et fournira un moyen de prévenir les maladies avancées. »
Shana Kelley, auteur principal, président de CZ Biohub Chicago et professeur de chimie et de bio-ingénierie à la Northwestern University
Secouez-le
Lors du lancement de CZ Biohub Chicago en 2023, l’équipe s’est fixé pour objectif d’intégrer des capteurs bioélectroniques dans les tissus pour surveiller l’inflammation. Pour ce faire, l’équipe avait d’abord besoin d’un moyen de mesurer les niveaux de cytokines protéiques, des messagers chimiques produits par le système immunitaire qui se lient aux cellules pour provoquer une inflammation.
Mais il y avait un problème. Alors qu’il existe de nombreux capteurs pour détecter en continu de petites molécules, telles que le glucose ou les électrolytes, les capteurs de protéines – qui sont plus gros et plus complexes que les petites molécules – se sont révélés plus difficiles. Pour détecter les protéines dans les fluides biologiques, les scientifiques s’appuient sur des molécules ou des protéines qui s’attachent fortement aux protéines pour les extraire du fluide. Cependant, cette fixation de type Velcro est si solide que les récepteurs restent en place pendant plus de 20 heures, ce qui rend impossible la mesure des fluctuations en temps réel des niveaux de protéines.
« Nous avons reconnu cet obstacle fondamental et avons développé l'idée que nous pourrions peut-être éliminer les protéines des capteurs », a déclaré Kelley. « Et la première fois que nous l'avons essayé, cela a fonctionné à merveille. »
L’équipe a développé des capteurs à l’échelle nanométrique qui ressemblent à des rangées de pendules bulbeux, chacun étant constitué d’un cordon d’ADN avec un plus gros morceau d’ADN à l’extrémité pour se lier à une protéine souhaitée. Ces pendules collants « attrapent » les protéines cibles, puis se secouent d'avant en arrière pour projeter ces protéines et en attraper d'autres en une minute.
Ensuite, l’équipe a conçu un microdispositif implantable avec des capteurs intégrés à l’intérieur d’une fine micro-aiguille, de la largeur de trois cheveux humains, semblable aux micro-aiguilles à l’intérieur des glucomètres en continu utilisés par les personnes atteintes de diabète pour suivre la glycémie. Les scientifiques ont implanté le dispositif dans la peau de rats diabétiques. Le diabète et l’inflammation sont étroitement liés, de nombreuses complications du diabète étant causées par l’inflammation.
Les capteurs ont mesuré avec succès les changements de concentration de deux protéines cytokines, marqueurs de l’inflammation, dans le liquide situé juste sous la peau des rats. Lorsque les rats jeûnaient et que la glycémie était sous contrôle, les capteurs détectaient la baisse des niveaux de cytokines. À l’inverse, lorsque les rats recevaient une injection d’une substance qui agitait le système immunitaire, les capteurs enregistraient une augmentation rapide des niveaux de cytokines inflammatoires.
« Le ciel est la limite »
Actuellement, Kelley et l'équipe de Chan Zuckerberg Biohub Chicago utilisent les capteurs pour étudier l'inflammation chez les rats dans diverses conditions et intègrent les capteurs dans divers modèles tissulaires d'inflammation. En intégrant des milliers de capteurs et de sondes d'échantillonnage dans les tissus, l'équipe collaborative de scientifiques, d'ingénieurs, de technologues et de médecins du Biohub travaille à surveiller l'activité des cellules immunitaires en temps réel, dans le but de trouver des moyens d'éloigner le système immunitaire du » points de bascule » qui conduisent à des troubles inflammatoires.
L’objectif ultime est de trouver un moyen d’utiliser cette technologie pour suivre la santé humaine. Si les chercheurs parviennent à mieux comprendre et à surveiller l’inflammation dans le corps humain en temps réel, ils pourront peut-être intervenir, voire prévenir, les maladies liées à l’inflammation à l’avenir, transformant ainsi radicalement les soins de santé et sauvant des vies.
« Tout comme la surveillance continue de la glycémie a permis de surveiller les patients diabétiques en temps réel, cela a le même potentiel pour nous permettre de surveiller, et même de prévenir, de nombreuses maladies », explique Kelley. « Avec l'inflammation, il n'y a pas de limite à ce que vous pouvez faire pour votre santé en la contrôlant. »
Ce travail représente une avancée significative dans la mission de CZ Biohub Chicago visant à développer une technologie permettant d'effectuer des mesures précises au niveau moléculaire des processus biologiques dans les tissus humains. Ces premiers résultats sont le résultat direct du modèle collaboratif de recherche scientifique du réseau CZ Biohub. CZ Biohub Chicago est l'un des quatre instituts du réseau Chan Zuckerberg Biohub.
