Dans une étude récente publiée dans Cell, les chercheurs ont intégré la protéomique de biopsie liquide à la transcriptomique unicellulaire de types de cellules oculaires pour retracer l’origine cellulaire de près de 6 000 protéines dans l’humeur aqueuse (AH).
Étude: La protéomique de biopsie liquide combinée à l’IA identifie les facteurs cellulaires du vieillissement et des maladies oculaires in vivo. Crédit d’image : Illustrateur K Photo/Shutterstock.com
Arrière-plan
Les analyses au niveau cellulaire sont sévèrement limitées dans les tissus et organes non régénératifs, tels que la rétine et le cerveau, car des biopsies directes provoqueraient des dommages irréversibles. Les biopsies liquides de fluides enrichis localement pourraient être le seul moyen d’obtenir des données protéomiques.
Néanmoins, les protéines ne peuvent pas être résolues à la résolution cellulaire. Bien que le séquençage de l’acide ribonucléique (ARN) unicellulaire (scRNA-seq) et la transcriptomique permettent l’expression des gènes au niveau cellulaire, ils nécessitent une biopsie tissulaire ou se limitent aux tissus d’autopsie.
De plus, on ne peut pas déduire si un ARN messager (ARNm) donné est traduit ; ainsi, étudier la pertinence à l’échelle du protéome pour les maladies humaines est un défi.
Cinquante-sept types de cellules ont été identifiées dans l’œil humain, qui sécrètent des protéines dans les deux chambres remplies de liquide contenant l’AH ou liquide vitré. De plus, le liquide oculaire est séparé du plasma par la barrière hémato-oculaire, ce qui entraîne une composition protéique distincte dans l’œil.
L’étude et les résultats
Dans la présente étude, les chercheurs ont appliqué la protéomique à haute résolution pour retracer les origines cellulaires de près de 6 000 protéines dans le corps vitré ou AH. Ils ont appelé cette approche « Tracing Expression of Multiple Protein Origins » (TEMPO).
Ils ont obtenu 120 biopsies liquides du corps vitré ou de l’AH de patients opérés. Les données scRNA-seq de plus de 82 000 cellules uniques provenant de 57 types de cellules oculaires et de 15 types de cellules extra-oculaires ont été intégrées aux données de protéomique de biopsie liquide.
L’équipe a confirmé l’expression génique de 5 923 (99,5 %) protéines dans les données RNA-seq. Il y avait 5 887 gènes exprimés localement dans l’œil. L’analyse groupée non supervisée de 5 923 gènes a révélé un regroupement dépendant du type de cellule.
En outre, 1 920 marqueurs protéiques de type cellulaire ont été identifiés, montrant une expression hautement spécifique au sein de leur type cellulaire respectif. Ensuite, l’équipe a établi des marqueurs spécifiques aux cellules pour chaque type de cellules rétiniennes, immunitaires et oculaires.
Les protéines provenant de types cellulaires spécifiques à l’œil étaient fortement enrichies en AH. Ensuite, l’équipe a examiné quels marqueurs étaient altérés dans la rétinite pigmentaire (RP), une maladie génétique rare. Les protéines spécifiques aux photorécepteurs à bâtonnets étaient les plus touchées.
De plus, les protéines marqueurs des cellules bipolaires rétiniennes, des cellules amacrines, des photorécepteurs à cônes, des cellules endothéliales vasculaires et des érythrocytes étaient diminuées dans la RP. En revanche, d’autres types de cellules rétiniennes, comme les cellules ganglionnaires et horizontales, n’ont pas été affectés.
En outre, l’équipe a également testé des patients atteints d’uvéite et observé une augmentation significative des marqueurs de plusieurs cellules immunitaires (mastocytes, lymphocytes B, lymphocytes T, macrophages, neutrophiles et hyalocytes). En outre, ils ont observé des dommages moléculaires dus à l’uvéite dans d’autres types de cellules rétiniennes, telles que les cellules amacrines, les cellules bipolaires et les photorécepteurs à cônes.
Ensuite, les chercheurs ont analysé des biopsies liquides de patients atteints de rétinopathie diabétique (RD) et ont découvert des changements dans l’expression de marqueurs des cellules immunitaires, des cellules gliales rétiniennes, des péricytes et des cellules endothéliales vasculaires. Certaines protéines hépatiques étaient également significativement élevées, suggérant une augmentation de la perméabilité vasculaire due à la perturbation de la barrière hémato-rétinienne dans la RD.
En outre, 58 protéines angiogéniques étaient enrichies de manière différentielle en DR ; 29 protéines étaient significativement augmentées aux stades non prolifératifs (NPDR) et prolifératifs (PDR) de la RD. 29 autres protéines n’ont augmenté que dans le PDR. Les protéines enrichies aux deux stades étaient principalement des dérivés de péricytes et de cellules endothéliales.
Cependant, les protéines spécifiques de la PDR provenaient d’une classe de cellules complètement distincte, à savoir les cellules immunitaires (microglies rétiniennes, neutrophiles et macrophages), ce qui suggère que la PDR diffère de la NPDR aux niveaux cellulaire et moléculaire.
De plus, les auteurs ont analysé l’AH de patients atteints de la maladie de Parkinson (MP). Parmi les 48 protéines pertinentes pour la PD, 18 étaient présentes dans l’AH, dont neuf avec une augmentation significative de la PD.
Il y avait des preuves de dysfonctionnement moléculaire dans plusieurs types de cellules rétiniennes, ce qui concorde avec les changements anatomiques signalés dans les couches internes de la rétine des patients parkinsoniens. Cependant, des changements moléculaires dans les photorécepteurs à cônes et à bâtonnets qui ne présentent pas de changements anatomiques ont également été notés, ce qui suggère que les marqueurs moléculaires pourraient être plus sensibles que les biomarqueurs structurels ou d’imagerie conventionnels.
Ensuite, l’équipe a développé un modèle d’intelligence artificielle (IA) pour la prédiction de l’âge des yeux. Ils ont formé un modèle XGBoost pour prédire l’âge chronologique.
Le modèle final était basé sur 26 protéines ; parmi celles-ci, 20 protéines étaient connues pour être associées au vieillissement mais n’ont pas été identifiées (en tant que biomarqueurs) dans les maladies analysées, à l’exception d’une protéine. Le modèle final a démontré une forte prédiction de l’âge lors de la validation.
L’équipe a appliqué ce modèle à des patients atteints de maladies oculaires sans rapport avec l’âge de naissance. L’âge moléculaire prévu par le modèle des patients NPDR était de 12 ans plus élevé que celui des patients en bonne santé. Elle a augmenté de 31 ans chez les patients PDR, de 16 ans chez les patients RP et de 29 ans chez les patients uvéite.
Cela suggère un vieillissement accéléré des yeux malades. Les protéines associées à l’âge dans les yeux normaux provenaient principalement des péricytes, des cellules immunitaires et des cellules endothéliales.
Ensuite, des modèles d’IA supplémentaires ont été construits pour prédire l’âge rétinien, immunitaire et vasculaire sur la base de protéines spécifiques à ces types de cellules. Les modèles ont révélé un vieillissement accéléré des types de cellules spécifiques à la maladie, à savoir., cellules rétiniennes dans la RP, cellules immunitaires dans l’uvéite et cellules vasculaires dans la PDR.
Il est intéressant de noter qu’un vieillissement accéléré des cellules rétiniennes et immunitaires a été observé chez les patients diabétiques qui ne présentaient pas de signes visibles de rétinopathie.
Conclusions
Ensemble, l’équipe a démontré le potentiel de l’approche TEMPO pour examiner les mécanismes du vieillissement et des maladies. in vivo au niveau cellulaire. Près de 6 000 protéines provenant d’un volume limité (50 µl) de liquide biologique ont été retracées jusqu’à leurs origines cellulaires.
Les modèles de vieillissement de l’IA spécifiques aux types de cellules se sont montrés robustes pour évaluer l’âge moléculaire, offrant ainsi de nouvelles informations sur le vieillissement et la maladie. Dans l’ensemble, TEMPO s’avérera essentiel pour identifier les mécanismes cellulaires et déterminer l’interaction entre la maladie et le vieillissement.
