Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université de Californie à San Diego et l'Université de Stanford a développé une méthode non invasive pour surveiller l'activité électrique à l'intérieur des cellules du muscle cardiaque depuis l'extérieur, évitant ainsi le besoin de pénétrer physiquement dans les cellules. La méthode, publiée le 14 janvier dans Communications naturellesrepose sur l’enregistrement de signaux électriques provenant de l’extérieur des cellules et sur l’utilisation de l’IA pour reconstruire les signaux à l’intérieur des cellules avec une précision impressionnante.
Les signaux électriques à l’intérieur des cellules du muscle cardiaque donnent un aperçu du fonctionnement du cœur, de la manière dont ses cellules communiquent et réagissent aux médicaments. Mais capturer ces signaux implique généralement de percer les cellules avec de minuscules électrodes, ce qui peut les endommager et compliquer les tests à grande échelle.
Aujourd’hui, les chercheurs ont trouvé un moyen de regarder à l’intérieur des cellules sans y entrer.
La clé réside dans l’extraction de la relation entre les signaux à l’intérieur des cellules (signaux intracellulaires) et ceux enregistrés à leur surface (signaux extracellulaires). « Nous avons découvert que les signaux extracellulaires détiennent les informations dont nous avons besoin pour débloquer les fonctionnalités intracellulaires qui nous intéressent », a déclaré Zeinab Jahed, professeur au département de génie chimique et nano de la famille Aiiso Yufeng Li à l'UC San Diego, qui est l'un des des auteurs principaux de l’étude. Keivan Rahmani, titulaire d'un doctorat en nano-ingénierie. étudiant dans le laboratoire de Jahed, est le premier auteur de l'étude.
Bien que les signaux extracellulaires puissent être capturés avec des méthodes moins invasives, ils ne fournissent pas beaucoup de détails sur l'activité électrique de la cellule. « C'est comme écouter une conversation à travers un mur : vous pouvez détecter qu'une communication a lieu, mais vous manquez les détails spécifiques », a expliqué Jahed.
En revanche, les signaux intracellulaires offrent des détails, vous donnant l’impression d’être assis dans la pièce et entendant clairement chaque mot, mais ils ne peuvent être capturés que par des méthodes invasives et techniquement plus difficiles. »
Zeinab Jahed, professeur, département de famille Aiiso Yufeng Li de génie chimique et nano, UC San Diego
Utilisant l'IA, Jahed, Rahmani et leurs collègues ont développé une méthode pour corréler les signaux extracellulaires avec des signaux intracellulaires spécifiques.
Pour développer la nouvelle méthode, l’équipe a d’abord conçu un réseau d’électrodes en forme d’aiguille à l’échelle nanométrique. Ces électrodes, chacune jusqu'à 200 fois plus petite qu'une seule cellule du muscle cardiaque, sont constituées de silice recouverte de platine. Des cellules du muscle cardiaque, dérivées de cellules souches, ont été cultivées puis placées sur le réseau d'électrodes.
Les chercheurs ont collecté un ensemble de données massif comprenant des milliers de paires de signaux électriques, chaque paire reliant un enregistrement extracellulaire à son signal intracellulaire correspondant. Les données comprenaient la façon dont les cellules réagissaient lorsqu’elles étaient exposées à divers médicaments. Cela a offert une riche bibliothèque de données sur le comportement des cellules du muscle cardiaque dans différentes conditions.
En analysant ces paires, les chercheurs ont identifié des modèles entre les signaux extracellulaires et intracellulaires. Ils ont ensuite formé un modèle d’apprentissage profond pour prédire à quoi ressemblaient les signaux intracellulaires sur la base uniquement des enregistrements extracellulaires. Lors des tests, leur modèle a créé des reconstructions précises et complètes des signaux intracellulaires.
Ce travail a des applications importantes dans le dépistage des médicaments, a déclaré Jahed. Chaque nouveau produit pharmaceutique doit être soumis à des tests rigoureux pour garantir qu'il n'a pas d'effets néfastes sur le cœur, un processus connu sous le nom de tests de cardiotoxicité. Une partie de ce processus consiste à collecter des données intracellulaires détaillées sur les cellules cardiaques. Des changements subtils dans ces signaux électriques peuvent fournir des indices sur les effets d'un médicament sur le cœur, ce qui peut aider les développeurs de médicaments à évaluer la sécurité de nouveaux médicaments. « Actuellement, il s'agit d'un processus long et coûteux. Il commence généralement par des tests sur des modèles animaux, qui ne prédisent pas toujours les résultats chez l'homme », a déclaré Jahed.
En utilisant la nouvelle approche basée sur l’IA dans cette étude, les chercheurs peuvent tester des médicaments directement sur les cellules cardiaques humaines. Cela peut offrir une image plus précise de la façon dont un médicament se comportera dans le corps humain et potentiellement contourner le besoin de tests précoces sur les animaux.
« Cela pourrait réduire considérablement le temps et le coût du développement de médicaments », a déclaré Jahed. « Et comme les cellules utilisées dans ces tests sont dérivées de cellules souches humaines, cela ouvre également la porte à une médecine personnalisée. Les médicaments pourraient être testés sur des cellules spécifiques à un patient pour prédire comment un individu pourrait réagir à ces traitements. »
Alors que l’étude actuelle s’est concentrée sur les cellules du muscle cardiaque, les chercheurs travaillent déjà à étendre leur méthode à d’autres types de cellules, notamment les neurones. Leur objectif est d’appliquer cette technologie pour mieux comprendre un large éventail d’activités cellulaires dans différents tissus.
