Un test nanopore pourrait identifier des protéines mal repliées dans les maladies d’Alzheimer et de Parkinson

Un test à haut débit et à molécule unique basé sur les nanopores et le codage-barres de l’ADN a été développé et pourrait aider à découvrir des agrégats de protéines mal repliées impliquées dans les maladies d’Alzheimer et de Parkinson. Le test pourrait contribuer à améliorer le diagnostic de ces maladies, ainsi qu’à suivre leur progression.

Bien que la caractérisation des oligomères nocifs soit cruciale pour développer des diagnostics plus précis et des traitements révolutionnaires pour les maladies impliquant des protéines mal repliées, leur identification dans des mélanges complexes reste un défi.

Les capteurs nanopores sont en développement depuis plusieurs décennies et offrent un grand potentiel pour détecter rapidement une large gamme de molécules. «(Ils) permettent la détection et la quantification de molécules en les faisant passer à travers une ouverture de taille nanométrique», explique Ulrich Keyser de l’université de Cambridge et l’un des principaux auteurs de l’étude avec son collègue Michele Vendruscolo.

D’une manière générale, il existe deux types de nanopores : les protéines ressemblant à des pores incorporées dans des membranes et celles à l’état solide, fabriquées en créant des ouvertures de taille nanométrique dans un matériau.

«L’un des principaux succès de la détection biologique des nanopores est la possibilité de réaliser le séquençage de l’ADN, tel que commercialisé par Oxford Nanopore Technologies», explique Joshua Edel de l’Imperial College de Londres, qui n’a pas participé au projet mais a mené des recherches similaires. «Il existe un besoin non satisfait de développer des plates-formes capables de détecter rapidement un large éventail de biomarqueurs directement à partir d’échantillons de patients. Cela offre la possibilité d’effectuer un suivi longitudinal des maladies ou même une détection précoce des maladies.

C’est là que les nanopores à l’état solide présentent un avantage. Ils permettent des mesures directes en éliminant le besoin de séparer un échantillon, et la taille des pores peut être ajustée en fonction de l’analyte cible, même ceux qui ont été difficiles à quantifier dans des échantillons biologiques complexes. Dans ce travail, l’équipe a créé des nanopores de 10 à 15 nm de large dans une membrane polymère à l’aide de capillaires en quartz disponibles dans le commerce.

«Les oligomères sont transitoires, conformationnellement hétérogènes et présents à de très faibles concentrations», explique le co-auteur Robert Horne. «Il existe donc très peu de méthodes suffisamment sensibles pour les détecter aux côtés des composants cellulaires tout en les différenciant efficacement des protéines monomères et des agrégats plus grands.»

Dans les capteurs nanopores à l’état solide typiques, le matériau nanoporeux est immergé dans une solution électrolytique et des électrodes sont placées de chaque côté des pores, créant un champ électrique à travers eux. Les biomolécules d’intérêt sont introduites dans l’électrolyte et le champ électrique les fait traverser les pores une par une. «Au fur et à mesure que les molécules se déplacent, le liquide contenant les ions sel est déplacé», explique Keyser. « La baisse du volume de liquide est corrélée à une augmentation de la résistance, et donc à une baisse du courant. »

Ce changement de courant peut être utilisé pour déterminer le poids, la conformation et la charge des molécules présentes dans l’échantillon. Cependant, un défi réside dans la vitesse rapide à laquelle les molécules se déplacent à travers les pores, ce qui entraîne une variabilité des résultats et une résolution limitée.

«Pour résoudre ce problème, nous avons utilisé des nanostructures d’ADN personnalisables et y avons lié des protéines», explique Sarah Sandler, doctorante au sein du groupe Keyser. « En utilisant le signal actuel, nous observons un « code-barres » créé à l’aide de nanostructures d’ADN. À côté de ce code-barres, nous avons un petit morceau d’ADN marqué d’un groupe chimique qui ne peut se lier qu’aux oligomères protéiques, créant ainsi un pic supplémentaire.

L’avantage est que chaque oligomère peut être clairement identifié et que les agrégats provenant de différents cribles peuvent être mélangés et testés simultanément, ce qui permet une enquête plus détaillée et à un débit plus élevé qu’auparavant.

En guise de preuve de concept, les nanostructures d’ADN ont été conçues pour se lier aux oligomères de l’α-synucléine, la protéine impliquée dans la maladie de Parkinson. Ils ont également étudié le taux de formation d’oligomères en présence de plusieurs petites molécules inhibiteurs de l’agrégation de l’α-synucléine.

L’équipe a démontré des performances comparables à celles de la microélectrophorèse à flux libre, une technique existante à molécule unique qui permet une caractérisation complète des oligomères dans des conditions biologiques. L’avantage du capteur nanopore est un plus grand potentiel de test et de mise à l’échelle à haut débit.

«La capacité à caractériser des complexes protéiques individuels, en particulier ceux soumis à un assemblage dynamique, présente un grand intérêt», déclare Yujia Qing, chimiste organique à l’université d’Oxford, qui n’a pas participé à l’étude. «Cela est non seulement prometteur pour le futur dépistage des inhibiteurs, mais présente également le potentiel… pour un diagnostic précoce de la maladie de Parkinson.»