Une nouvelle technologie pour obtenir des «  empreintes digitales protéiques  » en quelques minutes

Des chercheurs de la Charité – Universitätsmedizin Berlin et du Francis Crick Institute ont développé une technique basée sur la spectrométrie de masse capable de mesurer des échantillons contenant des milliers de protéines en quelques minutes seulement. C’est plus rapide et moins cher qu’une formule sanguine conventionnelle.

Pour démontrer le potentiel de la technique, les chercheurs ont utilisé du plasma sanguin prélevé sur des patients atteints de COVID-19. En utilisant la nouvelle technologie, ils ont identifié onze protéines jusqu’alors inconnues qui sont des marqueurs de la gravité de la maladie. Le travail a été publié dans Biotechnologie de la nature.

Des milliers de protéines sont actives à l’intérieur du corps humain à tout moment, fournissant sa structure et permettant des réactions essentielles à la vie. Le corps augmente et abaisse les niveaux d’activité de protéines spécifiques selon les besoins, y compris lorsqu’il réagit à des facteurs externes tels que des agents pathogènes et des médicaments. Les schémas détaillés des protéines présentes dans les cellules, les tissus et les échantillons sanguins peuvent donc aider les chercheurs à mieux comprendre les maladies ou à faire des diagnostics et des pronostics. Afin d’obtenir cette «empreinte protéique», les chercheurs utilisent la spectrométrie de masse, une technologie connue pour être à la fois longue et coûteuse. «Scanning SWATH», une nouvelle technologie basée sur la spectrométrie de masse, promet de changer cela. Développée sous la direction du professeur Markus Ralser, directeur de l’Institut de biochimie de la Charité, cette technologie, beaucoup plus rapide et rentable que les méthodes précédentes, permet aux chercheurs de mesurer plusieurs centaines d’échantillons par jour.

«Afin d’accélérer cette technologie, nous avons modifié les champs électriques du spectromètre de masse. Les données produites sont d’une complexité si extrême que les humains ne peuvent plus les analyser», explique le professeur Einstein, le professeur Ralser, qui est également chef de groupe au Francis Crick Institute à Londres. Il ajoute: «Nous avons donc développé des algorithmes informatiques basés sur des réseaux de neurones et qui utilisent ces données pour extraire les informations biologiques pertinentes. Cela nous permet d’identifier des milliers de protéines en parallèle et réduit considérablement les échelles de temps de mesure. Heureusement, cette méthode est également plus précis. »

Cette technologie à haut débit a un large éventail d’applications potentielles, allant de la recherche fondamentale et du développement de médicaments à grande échelle à l’identification de marqueurs biologiques (biomarqueurs), qui peuvent être utilisés pour estimer le risque d’un patient individuel. L’aptitude de la technologie pour ce dernier a été démontrée par l’étude des chercheurs sur le COVID-19. Dans le cadre de cette recherche, l’équipe a analysé des échantillons de plasma sanguin provenant de 30 patients hospitalisés de la Charité atteints de COVID-19 de divers degrés de gravité de la maladie, en comparant les profils protéiques obtenus avec ceux de 15 personnes en bonne santé. Les mesures réelles effectuées sur des échantillons individuels n’ont pris que quelques minutes.

Les chercheurs ont pu identifier un total de 54 protéines dont les taux sériques variaient en fonction de la gravité du COVID-19. Alors que 43 de ces protéines avaient déjà été liées à la gravité de la maladie au cours d’études antérieures, aucune relation de ce type n’avait été établie pour 11 des protéines identifiées. Plusieurs des protéines précédemment inconnues associées au COVID-19 sont impliquées dans la réponse immunitaire du corps aux agents pathogènes, ce qui augmente la tendance à la coagulation.

Dans les plus brefs délais, nous avons découvert des empreintes digitales protéiques dans des échantillons de sang que nous sommes maintenant en mesure d’utiliser pour classer les patients COVID-19 en fonction de la gravité de la maladie. Ce type d’évaluation objective peut être extrêmement précieux, car les patients sous-estiment parfois la gravité de leur maladie. Cependant, afin de pouvoir utiliser l’analyse par spectrométrie de masse pour la catégorisation de routine des patients COVID-19, cette technologie devra être affinée davantage et transformée en test diagnostique. Il peut également devenir possible d’utiliser une analyse rapide des schémas protéiques pour prédire l’évolution probable d’un cas de COVID-19. Bien que les résultats initiaux que nous avons recueillis soient prometteurs, d’autres études seront nécessaires avant que cela puisse être utilisé dans la pratique de routine. « 

Dr Christoph Messner, auteur principal de l’étude, chercheur à l’Institut de biochimie de la Charité et à l’Institut Francis Crick

Le professeur Ralser est convaincu que les analyses sanguines basées sur la spectrométrie de masse pourraient un jour compléter les profils de formule sanguine conventionnels. « L’analyse protéomique est désormais moins chère qu’une formule sanguine complète. En identifiant plusieurs milliers de protéines en même temps, l’analyse protéomique produit également beaucoup plus d’informations. Je vois donc un énorme potentiel d’utilisation généralisée, par exemple dans la détection précoce de maladies. Nous continuera donc à utiliser nos études pour développer une technologie de protéome pour ce type d’application. «