Tout comme la spirale d’Ulam est étroitement liée à la question du secret dans le monde scientifique, des chercheurs curieux de l’IPC PAS ont exploré la portée thématique de l’apport bénéfique des bactériophages dans le processus de fabrication d’un capteur électrochimique utilisant des peptides. Photo gracieuseté du Musée national de technologie de Varsovie. Crédit : Grzegorz Krzyzewski
La recherche innovante sur la liaison du peptide CRP offre une nouvelle méthode efficace pour surveiller et diagnostiquer l’inflammation, améliorant ainsi la médecine personnalisée et le développement de médicaments.
Les diagnostics médicaux actuels sont bien loin de la reconnaissance de la maladie au siècle dernier. Grâce aux analyses de sang, il est possible de détecter des maladies génétiques rares, de reconnaître un cancer ou de déterminer le niveau d’inflammation dans le corps. De plus, en raison du développement rapide des diagnostics médicaux basés sur l’analyse des biofluides, de nombreux efforts sont déployés dans le monde pour adapter les approches médicales, faisant de la médecine personnalisée le paradigme des soins de santé du futur. Allant dans cette direction, des scientifiques de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences (IPC PAS) ont présenté leurs recherches sur des peptides uniques destinés à être utilisés dans de nouveaux capteurs permettant la détection rapide et simple de nombreuses maladies.
Comprendre l’inflammation : le mécanisme de défense de la nature
L’inflammation est le mécanisme de défense naturel de l’organisme contre les agents pathogènes ou les produits chimiques nocifs provoquant des symptômes aigus tels que des douleurs, des gonflements, des rougeurs ou des ecchymoses. Ce mécanisme implique la production intense par l’organisme de molécules spécifiques, telles que des cytokines, qui sont utilisées contre l’infection, et l’inflammation peut être facilement diagnostiquée à l’intérieur de ces symptômes. Cependant, certaines réactions inflammatoires ne sont pas visibles et peuvent durer bien plus longtemps qu’une infection soudaine. Si les cellules inflammatoires persistent longtemps, une inflammation chronique peut se développer. L’inflammation chronique peut indiquer divers problèmes de santé, notamment des maladies auto-immunes et des cancers, difficiles à surmonter.
Détection et surveillance de l’inflammation
La détection du processus d’inflammation dans le corps peut être facilement réalisée à partir du sang, tandis que le suivi de l’évolution de l’inflammation est une tout autre histoire. Habituellement, le taux d’infection est évalué en se concentrant sur le niveau de protéine C-réactive connue sous le nom de CRP, un biomarqueur précoce courant pour diverses conditions inflammatoires dans le corps.
Son apparition dans le plasma est basée sur la réponse de l’organisme à l’augmentation du niveau de cytokines lors d’une inflammation lorsque le foie produit de la CRP. Son niveau permet également de distinguer la cause de l’inflammation ; par exemple, l’augmentation du taux de CRP peut être liée à des infections virales, alors qu’un niveau très élevé est caractéristique des infections bactériennes. Les niveaux sanguins de cette molécule en forme d’anneau changent rapidement et de manière prononcée avec toute défense contre l’inflammation, non seulement en cas d’infection, mais également en réponse à des lésions tissulaires qui déclenchent également une inflammation dans tous les types de tissus. Jusqu’à présent, la surveillance des niveaux de CRP peut fournir des informations précieuses et précises sur la progression de la maladie.
Avancées dans la recherche sur l’inflammation
Dans ce domaine, la chercheuse de l’IPC PAS, le Dr Katarzyna Szot-Karpińska, a récemment étudié les interactions protéine-peptide, en particulier entre la CRP et les matériaux de liaison à la CRP. Elle s’est concentrée sur les peptides en raison de leur plus grande stabilité dans des conditions difficiles de dégradation, de leur moindre coût et de la possibilité d’une utilisation plus efficace dans les capteurs biomédicaux que les anticorps, qui sont les récepteurs CRP les plus courants.
Dans un article publié dans la revue Chimie analytique, les chercheurs ont utilisé une méthode de phage-display pour identifier les phages se liant à la CRP. L’identification de tels phages permet de déterminer la séquence de peptides exposés à la surface des phages avec une forte affinité pour la CRP. L’un des principaux moteurs de l’étude était la question de la surveillance de l’inflammation à long terme à l’aide d’une plateforme électrochimique modifiée avec des molécules stables comme alternative aux anticorps.
Les peptides sélectionnés ont été synthétisés, entièrement caractérisés et leurs interactions avec la CRP ont été étudiées, ce qui a permis d’identifier les trois molécules de liaison à la CRP dérivées de phages les plus prometteuses. Le peptide ayant la plus forte affinité pour la CRP a été immobilisé sur des électrodes pour une utilisation ultérieure comme capteur électrochimique de CRP. Des techniques biologiques et physicochimiques ont été utilisées pour comprendre les mécanismes des interactions protéine-peptide et protéine-peptide.
Le Dr Katarzyna Szot-Karpińska, une scientifique travaillant sur ce projet, a déclaré : « Dans nos études, pour la première fois, nous avons démontré qu’un seul peptide 12 mer identifié à partir d’une bibliothèque de phages a été utilisé pour la reconnaissance de la CRP. Les peptides identifiés ont été caractérisés et leurs interactions avec la CRP ont été étudiées pour une application dans une plateforme de détection montrant la nouvelle approche du développement de capteurs biomédicaux.
Percée dans la recherche électrochimique
Les résultats ont été surprenants, montrant un nouveau domaine de recherche électrochimique. Le nouveau matériau sur l’électrode a montré une affinité pour la CRP jusqu’à deux ordres de grandeur supérieure à celle des anticorps utilisés dans l’ELISA. De plus, l’efficacité de détection était prometteuse pour le peptide sélectionné, même en présence de trois protéines interférentes. De plus, aucun produit chimique supplémentaire n’a été nécessaire, ce qui rend la détection plus respectueuse de l’environnement qu’avec les techniques classiques.
Le rôle de la modélisation informatique
De plus, les simulations théoriques, y compris les analyses de modélisation informatique réalisées en collaboration avec le professeur Sławomir Filipek de l’Université de Varsovie, ont été mises en œuvre pour compléter les études biologiques et physicochimiques et ont donné des résultats surprenants. In silico des études ont expliqué les spécificités de la liaison de peptides particuliers à la CRP. Les résultats montrent quel peptide parmi une liste d’options est le meilleur liant de CRP et confirment l’étude expérimentale. Jusqu’à présent, la combinaison d’études expérimentales et théoriques a optimisé le processus de sélection, accélérant ainsi la recherche.
« La valeur ajoutée de ce travail réside dans l’intégration de méthodes expérimentales avec l’analyse de modélisation informatique. La modélisation à partir d’amino connus acide séquences de peptides confirme que le peptide P3 est le meilleur liant de la CRP. Une telle approche combinée n’a pas été rapportée auparavant et démontre comment les méthodes numériques/analyses in silico peuvent remplacer ou améliorer les techniques expérimentales laborieuses », remarque le Dr Szot Karpińska.
« L’utilisation de l’amarrage moléculaire pour identifier les meilleurs liants élimine l’application de produits chimiques, ce qui est essentiel au développement d’une chimie plus verte. Cette étude valide l’approche numérique pour identifier les propriétés de liaison des peptides et représente une étape importante sur la voie des capteurs basés sur les peptides. De plus, si nous savons comment fonctionne le docking, nous pourrions à l’avenir adapter la séquence du peptide en modifiant, par exemple, l’un des acides aminés pour obtenir la meilleure molécule de liaison à la cible étudiée, comme les biomarqueurs de maladies.
L’avenir de la détection de la CRP et du diagnostic de l’inflammation
Une telle approche informatique de la détection de la CRP à l’aide de peptides n’a jamais été décrite auparavant et illustre une nouvelle tendance dans la recherche dans laquelle les calculs peuvent prendre en charge des techniques expérimentales ardues.
La méthode proposée permet de surveiller l’évolution de l’inflammation, ce qui permet de vérifier le niveau de CRP de manière sélective et sensible à l’aide de molécules beaucoup plus petites et plus stables que celles actuellement utilisées. Ce travail ne serait pas possible sans faire appel à de nombreuses méthodes et techniques différentes provenant de divers domaines, prouvant ainsi le besoin profond d’interdisciplinarité dans le domaine scientifique, en particulier dans le domaine de la protection de la santé. Il montre l’importance de combiner les études expérimentales avec une étude approfondie des interactions intermoléculaires. Les recherches décrites peuvent changer la donne dans le diagnostic et le traitement de l’inflammation, en particulier dans le cas d’évolutions inflammatoires à long terme ou même de nouveaux travaux de laboratoire. des dispositifs sur puce pour la médecine personnalisée, le développement et l’administration de médicaments. L’équipe recherche de nouveaux récepteurs pour les marqueurs de maladies et de nouvelles solutions pour étudier les interactions moléculaires.
Ce travail a été financé par le Centre scientifique national polonais via une subvention SONATA 13 numéro 2017/26/D/ST5/00980. Le Dr Katarzyna Szot-Karpińska tient à remercier le Prof. Dr. hab. Joanna Niedziółka-Jönsson et le Dr hab. Martin Jönsson-Niedziółka pour son aide à la préparation des accessoires pour une séance photo.
