Le métabolisme des cellules cancéreuses est anormal par rapport à celui des tissus normaux. Cela conduit à l’altération des composés organiques volatils (COV) dans l’haleine expirée des personnes atteintes de cancer.
Une nouvelle préimpression fascinante rapporte les résultats de l’examen de la composition en COV de cultures cellulaires individuelles dérivées de cancers buccaux humains, à l’aide d’une configuration expérimentale utilisant un cerveau d’insecte avec une antenne attachée couplée à une plate-forme de surveillance électrophysiologique, analysée par modélisation informatique.
Sommaire
Introduction
Des méthodes de détection du cancer sont nécessaires de toute urgence pour diagnostiquer cette affection de manière précoce. Les méthodes non invasives font l’objet de nombreuses recherches car elles inciteraient les gens à se faire tester plus tôt et plus régulièrement et permettraient une intervention plus efficace.
L’une de ces techniques est l’analyse de l’haleine, qui examine la teneur en COV de l’haleine expirée en tant que reflet de l’altération du métabolisme du corps due à la présence de cellules cancéreuses. Des études antérieures ont identifié certains biomarqueurs potentiels du cancer du poumon et ceux de la tête, du cou ou du sein.
Le souffle est gazeux. En tant que tel, aucune technologie clinique de détection de gaz n’existe à l’heure actuelle pour la détection du cancer. Les produits chimiques volatils sont actuellement détectés en tant que composants individuels de mélanges gazeux par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS). Cependant, il est lent et nécessite un équipement volumineux, avec un prétraitement et un stockage des échantillons obligatoires.
De plus, et peut-être plus important encore, connaître la composition du gaz n’est pas aussi utile que de détecter les variations de la composition du gaz dues aux facteurs hôtes et environnementaux.
Une autre piste est celle des dispositifs de nez électronique (e-nose) construits biologiquement. Ceux-ci utilisent, par exemple, un codage combinatoire pour détecter les COV en une seule étape en temps réel. Cependant, ils souffrent d’une faible spécificité et ne peuvent pas fonctionner dans des conditions réelles.
Les capteurs les plus sensibles aux composés volatils restent les récepteurs olfactifs. Alors que les chiens ont été largement utilisés, parmi les biocapteurs, pour détecter des drogues, des armes, des explosifs et même des maladies, ils peuvent être entraînés à détecter une seule maladie à la fois.
Encore une fois, les rats géants africains, le réflexe d’extension de la trompe des abeilles (PER), les mouches des fruits et les fourmis ont tous montré des changements de comportement qui ont correctement identifié la présence d’infections ou de cancers spécifiques. Ceux-ci sont cependant potentiellement modifiés par les comportements inhérents des animaux.
Plutôt que de procéder à une ingénierie inverse de l’olfaction biologique, les scientifiques de cette étude ont décidé d’exploiter les merveilles de la biologie des insectes, en la combinant avec des outils sophistiqués d’enregistrement et de calcul pour la détection non invasive du cancer.
L’étude actuelle, publiée sur le serveur de prépublication bioRxiv*, est basé sur les récepteurs olfactifs très sensibles que l’on trouve chez les insectes. Pourquoi les insectes ? Les raisons incluent leur odorat exquis, qui peut détecter des molécules de gaz à des concentrations extrêmement faibles et identifier de très petits changements dans la composition d’un mélange gazeux. Ils nécessitent également peu d’entretien et ont un potentiel élevé d’entraînement comportemental pour détecter un composé volatil donné.
Le système sensoriel olfactif des insectes commence par détecter une substance odorante comme un COV par les neurones récepteurs olfactifs (ORN) dans les antennes des insectes. Ces cellules nerveuses réagissent à plus d’un COV en fonction du type de produit chimique. Ils utilisent un processus d’identification par codage combinatoire qui donne à seulement 50 ORN la capacité de détecter plusieurs billions de molécules odorantes.
Une fois que les ORN sont activés par une substance odorante, ils envoient des signaux électriques au lobe antennaire du cerveau de l’insecte pour un traitement ultérieur par un complexe complexe de neurones excitateurs et inhibiteurs. Des recherches antérieures de ces auteurs ont confirmé la capacité de reconnaître spécifiquement les odeurs et de détecter de nouveaux composés, deux éléments nécessaires à un système de détection fiable dans un contexte naturel.
Les chercheurs ont donc utilisé trois composants clés : un cerveau de criquet vivant, puisque les profils de déclenchement neuronal pour différentes odeurs ont été étudiés en profondeur chez cette espèce ; une plateforme connectée d’enregistrement des réponses électrophysiologiques – le capteur ; des systèmes de livraison précis pour les COV ; et l’analyse avancée des données.
Le fonctionnement est le suivant : premièrement, le capteur est calibré en l’exposant à des COV associés au cancer et en enregistrant les réponses neuronales sous forme de modèles. Ce sont comme des empreintes digitales du cancer, identifiant chaque type de cancer en raison de la composition différente et spécifique en COV de chaque respiration. L’utilisation d’un cerveau d’insecte vivant connecté aux puissants capteurs chimiques dans les antennes d’insectes permet d’utiliser les deux à leur plein potentiel pour classer les empreintes digitales de COV pour différents cancers.
Les chercheurs ont d’abord fait en sorte que les neurones du lobe antennaire des criquets répondent à divers odorants via les ORN, ont enregistré les réponses neuronales et les ont utilisées pour détecter les COV mixtes des cellules cancéreuses de la bouche humaine. Ils ont prédit que le schéma de déclenchement varierait avec la lignée cancéreuse et différerait également de celui d’une lignée cellulaire non cancéreuse. Ils ont également prédit une réponse rapide, robuste et sensible.
Qu’a montré l’étude ?
Les chercheurs ont trouvé des changements évoqués par les odorants, en particulier les COV, dans les neurones excitateurs du lobe antennaire du cerveau des criquets. Ils ont observé des réponses distinctes aux cellules cancéreuses orales, aux cellules non cancéreuses et au milieu de culture, les trois lignées cellulaires cancéreuses orales évoquant différentes réponses de pointe. Le nombre de pointes était également différent pour les cellules cancéreuses par rapport aux cellules non cancéreuses.
En mesurant l’accord entre un modèle de réponse neuronale et l’échantillon de COV inconnu, ils ont identifié l’odeur à l’aide de schémas de calcul neuronal.
Des trajectoires neuronales uniques correspondant à des mélanges de COV individuels indiquent que les profils de COV du cancer de la bouche sont distincts de la lignée cellulaire non cancéreuse. De plus, nous avons observé des distinctions entre les trajectoires neurales évoquées par les trois lignées cellulaires cancéreuses buccales.”
En répétant le processus à différents moments de la culture cellulaire, ils ont pu distinguer chaque stimuli testé à n’importe quel moment de leur croissance. En d’autres termes, le profil spécifique de COV est apparu dans les cellules cultivées au début de leur croissance et est resté distinct au cours des jours suivants.
« Ces résultats ont validé notre hypothèse selon laquelle la classification basée sur la réponse neurale des COV cancéreux n’est pas affectée par les variations de fond chimique causées par l’évolution des cellules cancéreuses dans le milieu de culture..” Ils considèrent à juste titre cette capacité à séparer avec précision les trois lignées cellulaires cancéreuses et la lignée cellulaire témoin non cancéreuse comme un exploit unique.
Ils ont également testé un système de classification basé sur la réponse de tension neuronale brute, avec un filtrage quadratique moyen (RMS) car cela était relativement moins exigeant pour le système informatique, pouvait être effectué sans supervision et s’était précédemment révélé spécifique pour différentes odeurs. . Ce système s’est avéré capable de séparer les 7 COV testés dessus avec rapidité et précision.
Ces ensembles de résultats ont démontré que la classification du cancer basée sur la réponse neuronale est rapide et ne nécessite que 250 ms de données neuronales à partir du début du stimulus pour distinguer les cancers de la bouche des témoins..”
Quelles sont les implications ?
Les scientifiques ont trouvé un système de détection chimique qui produit une détection précise et fiable des COV indépendamment des produits chimiques de fond, contrairement aux nez électroniques et GC-MS. Ils ont exploité des schémas de codage neuronal biologique dans le cerveau des insectes, qui ne dépendent pas de l’identification de composants séparés des mélanges gazeux, mais séparent les mélanges gazeux dans leur ensemble en produisant une empreinte neuronale unique ou un modèle de réponse neuronale lorsqu’ils sont exposés à un mélange de COV par la signalisation neuronale olfactive.
L’étape suivante peut consister à utiliser un cerveau entier attaché à l’antenne, en tant que capteur, pour l’analyse en temps réel d’échantillons d’haleine à un rythme rapide, permettant le dépistage à haut débit de nombreux échantillons de COV. Un tel capteur peut être maintenu viable plus longtemps. La réalisation finale sera, à terme, de développer »un capteur de COV portable, unique et basé sur le cerveau au point de service.”
*Avis important
bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.
