Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont conçu une méthode pour détecter simultanément la présence de plusieurs microARN spécifiques dans l'ARN extrait d'échantillons de tissus sans avoir besoin de marquage ou d'amplification de la cible. La technique pourrait être utilisée pour identifier les biomarqueurs précoces du cancer et d'autres maladies sans avoir besoin des processus élaborés, longs et coûteux et de l'équipement de laboratoire spécial requis par les technologies actuelles.
Les résultats ont été publiés en ligne le 4 mai dans la revue Analyste.
La recherche générale dans mon laboratoire s'est concentrée sur la détection précoce des maladies chez les personnes avant même qu'elles ne sachent qu'elles sont malades. Et pour cela, il faut être capable d'aller en amont, au niveau génomique, pour regarder des biomarqueurs comme les microARN. «
Tuan Vo-Dinh, directeur du Fitzpatrick Institute for Photonics et du professeur émérite R. Eugene et Susie E. Goodson de génie biomédical à Duke
Les microARN sont de courtes molécules d'ARN qui se lient à l'ARN messager et les empêchent de transmettre leurs instructions aux machines productrices de protéines du corps. Cela pourrait effectivement faire taire certaines sections d'ADN ou réguler l'expression des gènes, modifiant ainsi les comportements de certaines fonctions biologiques. Plus de 2000 microARN ont été découverts chez l'homme qui affectent le développement, la différenciation, la croissance et le métabolisme.
Alors que les chercheurs ont découvert et appris davantage sur ces minuscules ensembles génétiques, de nombreux microARN ont été liés à une mauvaise régulation des fonctions biologiques, entraînant des maladies allant des tumeurs cérébrales à la maladie d'Alzheimer. Ces découvertes ont conduit à un intérêt croissant pour l'utilisation des microARN comme biomarqueurs de maladies et cibles thérapeutiques. En raison des très petites quantités de miARN présents dans les échantillons corporels, les méthodes traditionnelles pour les étudier nécessitent des processus d'amplification génétique tels que la PCR quantitative par transcription inverse (qRT-PCR) et le séquençage de l'ARN.
Bien que ces technologies fonctionnent admirablement dans des laboratoires bien équipés et des études de recherche qui peuvent prendre des mois ou des années, elles ne sont pas aussi bien adaptées pour des résultats de diagnostic rapides à la clinique ou sur le terrain. Pour tenter de combler cette lacune d'applicabilité, Vo-Dinh et ses collègues se tournent vers les nanostars en or plaqué argent.
«Les nanostars d'or ont de multiples pointes qui peuvent agir comme des barres d'éclairage pour améliorer les ondes électromagnétiques, ce qui est une caractéristique unique de la forme de la particule», a déclaré Vo-Dinh, qui est également titulaire d'un poste de professeur en chimie de Duke. «Nos minuscules nanocapteurs, appelés« sentinelles moléculaires inverses », profitent de cette capacité pour créer des signaux clairs de la présence de plusieurs microARN.»
Bien que le nom soit une bouchée, l'idée de base de la conception du nanocapteur est d'amener une molécule d'étiquette à se déplacer très près des pointes de l'étoile lorsqu'une étendue spécifique d'ARN cible est reconnue et capturée. Lorsqu'un laser brille ensuite sur le capteur déclenché, l'effet paratonnerre des pointes nanostar fait briller la molécule de marquage de manière extrêmement vive, signalant la capture de l'ARN cible.
Les chercheurs ont déclenché ce déclencheur en attachant une molécule d'étiquette à l'un des points de la nanostar avec un bout d'ADN. Bien qu'il soit construit pour s'enrouler sur lui-même en boucle, l'ADN est maintenu ouvert par un «espaceur» d'ARN qui est conçu pour se lier au microARN cible testé. Lorsque ce microARN passe, il colle et retire l'espaceur, permettant à l'ADN de s'enrouler sur lui-même dans une boucle et de mettre la molécule de marquage en contact étroit avec la nanostar.
Sous excitation laser, cette étiquette émet une lumière appelée signal Raman, qui est généralement très faible. Mais la forme des nanostars – et un effet de couplage des réactions séparées provoquées par les nanostars d'or et le revêtement d'argent – amplifie les signaux Raman de plusieurs millions de fois, les rendant plus faciles à détecter.
«Les signaux Raman des molécules de marquage présentent des pics nets avec des couleurs très spécifiques comme les empreintes spectrales qui les distinguent facilement les uns des autres lorsqu'ils sont détectés», a déclaré Vo-Dinh. «Ainsi, nous pouvons en fait concevoir différents capteurs pour différents microARN sur des nanostars, chacun avec des molécules de marquage présentant ses propres empreintes spectrales spécifiques. Et parce que le signal est si fort, nous pouvons détecter chacune de ces empreintes indépendamment les unes des autres.
Dans cette étude clinique, Vo-Dinh et cette équipe ont collaboré avec Katherine Garman, professeur agrégé de médecine, et des collègues du Duke Cancer Institute pour utiliser la nouvelle plate-forme de nanocapteurs afin de démontrer qu'ils peuvent détecter miR-21, un microARN spécifique associé à très les stades précoces du cancer de l'œsophage, ainsi que d'autres méthodes de pointe plus élaborées. Dans ce cas, l'utilisation de miR-21 seul suffit à distinguer les échantillons de tissus sains des échantillons cancéreux. Pour d'autres maladies, cependant, il pourrait être nécessaire de détecter plusieurs autres microARN pour obtenir un diagnostic fiable, ce qui explique exactement pourquoi les chercheurs sont si enthousiasmés par l'applicabilité générale de leurs nanobiocapteurs sentinelles moléculaires inverses.
« Habituellement, trois ou quatre biomarqueurs génétiques peuvent être suffisants pour obtenir un bon diagnostic, et ces types de biomarqueurs peuvent identifier sans équivoque chaque maladie », a déclaré Vo-Dinh. « C'est pourquoi nous sommes encouragés par la force du signal que nos nanostars créent sans avoir besoin d'une amplification de cible fastidieuse. Notre méthode pourrait fournir une alternative diagnostique à l'histopathologie et à la PCR, simplifiant ainsi le processus de test pour le diagnostic du cancer. »
Pendant plus de trois ans, Vo-Dinh a travaillé avec ses collègues et le bureau des licences et des entreprises de Duke pour breveter ses biocapteurs à base de nanostar. Avec ce brevet récemment attribué, les chercheurs sont ravis de commencer à tester les limites des capacités de leur technologie et d'explorer les possibilités de transfert de technologie avec le secteur privé.
« Suite à ces résultats encourageants, nous sommes maintenant très heureux d'appliquer cette technologie pour détecter le cancer du côlon directement à partir d'échantillons de sang dans un nouveau projet financé par les NIH », a déclaré Vo-Dinh. « Il est très difficile de détecter les biomarqueurs précoces du cancer directement dans le sang avant même qu'une tumeur ne se forme, mais nous avons de grands espoirs. »
La source:
Référence du journal:
Crawford, B.M., et coll. (2020) Nanobiocapteurs plasmoniques pour la détection de biomarqueurs microARN du cancer dans des échantillons cliniques. Analyste. doi.org/10.1039/D0AN00193G.
