19 Jan La biopuce conçue pour la prochaine pandémie

Un nouvel outil pourrait nous aider à nous préparer à la prochaine menace virale.

En 2020, alors que les scientifiques du monde entier s’efforçaient de comprendre le COVID-19, le professeur Roy Bar-Ziv et son équipe de l’Institut Weizmann des Sciences ont commencé à développer une puce à ADN capable non seulement de montrer rapidement comment notre système immunitaire réagit à ce coronavirus, mais aussi d’ouvrir de nouvelles possibilités pour répondre rapidement à de futures épidémies virales.

(g-d) Dr. Shirley Daube, Dr. Ohad Vonshak and Prof. Roy Bar-Ziv

La biopuce sans cellules, programmée génétiquement, récemment décrite dans Nature Nanotechnology, peut rapidement synthétiser, cartographier et tester des protéines, ce qui permet de déterminer comment les anticorps interagissent avec les virus. Elle fournit des données plus rapidement que les méthodes conventionnelles et révèle quels fragments viraux sont ciblés par les anticorps et avec quelle force ils se lient à ces fragments.

« Pendant la pandémie, nous avons réalisé que les outils développés par notre laboratoire pouvaient être réutilisés pour étudier les virus et devenir immédiatement pertinents », explique le professeur Bar-Ziv.

Étudier la manière dont le système immunitaire réagit à un virus est une tâche plus complexe qu’un test diagnostique rapide révélant si une personne est infectée par ce virus ou non. Pour comprendre quels anticorps reconnaissent un virus et avec quelle force ils s’y lient, les chercheurs doivent généralement produire chaque protéine virale séparément, la purifier, puis tester sa liaison aux anticorps étudiés, un processus qui peut prendre des jours, voire des semaines. Certains laboratoires utilisent des canaux miniatures qui accélèrent les tests, mais ces installations sont complexes et nécessitent des pompes et des tubes de précision.

Dr. Aurore Dupin. Photo: Matthaeus Schwarz-Silling

La biopuce créée par l’équipe de Bar-Ziv offre un moyen beaucoup plus simple d’effectuer les tests. La méthode ne nécessite ni pompes, ni tubes et peut être rapidement adaptée à un nouveau virus. Son développement a été réalisé par la Dr Shirley Daube, scientifique principale, en collaboration avec les Drs Aurore Dupin et Ohad Vonshak, du laboratoire de Bar-Ziv au Département de Physique Chimique et Biologique de l’Institut Weizmann.

L’utilisation de la biopuce ne nécessite aucune protéine prête à l’emploi ;  les protéines étudiées sont synthétisées directement par la puce sur sa propre surface en silicium. Chaque section de la puce contient un petit fragment d’ADN imprimé qui porte les instructions génétiques codant une protéine virale spécifique ou d’un fragment de protéine virale. Par exemple celles appartenant à plusieurs variants du coronavirus, y compris les différentes versions de sa pointe externe et de sa coque interne. Lorsque les chercheurs ajoutent un mélange acellulaire de molécules biologiques que l’on trouve généralement à l’intérieur des cellules, cet ADN est directement traduit en protéine correspondante.

Chaque biopuce peut produire entre 30 et 40 protéines ou fragments viraux. Elle utilise environ un microlitre de sérum, soit moins d’une goutte, pour révéler l’empreinte immunitaire d’un individu à travers des dizaines de cibles virales, ou antigènes. Chaque antigène (protéine ou fragment du virus) apparaissant à un emplacement différent sur la puce, l’équipe peut mesurer séparément la quantité d’anticorps qui se lie à chacun d’entre eux.

« Nous n’avons pas besoin de cultiver ou de purifier quoi que ce soit à l’avance : chaque point de la puce produit sa propre protéine ou son propre fragment de protéine », explique le docteur Dupin. « Avec des dizaines de ces antigènes sur la même puce, nous pouvons en tester plusieurs à la fois, en une seule expérience, au lieu d’effectuer des tests séparés pour chacun d’entre eux. »

Dr. Ohad Vonshak and the biochip

À partir des interactions entre ces protéines et les anticorps, les chercheurs peuvent déterminer la force de liaison, ou affinité, c’est-à-dire la force avec laquelle un anticorps se fixe à sa cible. Une liaison plus forte signifie généralement une défense immunitaire plus efficace. « Mesurer la force avec laquelle chaque anticorps se lie à sa cible nous donne des résultats quantifiables plutôt qu’une simple réponse par oui ou par non », explique le docteur Vonshak.

L’équipe a comparé les données de sa biopuce avec les résultats standard du test ELISA (dosage immuno-enzymatique) sur des échantillons de sérum humain. Elle a constaté que sa puce détectait souvent une activité anticorps que les tests ELISA standard ne détectaient pas, ce qui suggère que les tests traditionnels peuvent parfois omettre des réactions anticorps plus subtiles.

L’équipe a utilisé cette configuration pour tester les interactions entre les protéines du COVID-19 et les anticorps humains contre le virus. « D’une personne à l’autre, nous avons observé des signatures immunitaires très particulières », explique le professeur Bar-Ziv. « Certaines personnes avaient des anticorps contre le variant original de Wuhan, mais pas contre les variants Delta ou Omicron. Comme la puce nous aide à comprendre en profondeur les différentes réponses des personnes au virus, nous pouvons également déterminer si les modifications d’un nouveau variant pourraient rendre leurs anticorps moins efficaces. »

À l’avenir, cette même approche pourra être utilisée pour étudier les anticorps dirigés contre d’autres virus ou pour développer de nouveaux traitements. « De nombreux médicaments actuels sont basés sur des anticorps », explique le docteur Daube. « Si l’un d’entre eux se lie parfaitement au virus, il peut bloquer l’infection. Notre système pourrait être utilisé pour trouver plus rapidement ces candidats. »

Pour démontrer le potentiel de la puce, l’équipe a recréé l’interaction entre la protéine Spike du coronavirus et son récepteur humain, l’ACE2, étape qui permet au virus de pénétrer dans les cellules humaines. La protéine Spike et le récepteur ont tous deux été produits sur la puce et se sont liés spécifiquement l’un à l’autre. Cela suggère que la plateforme pourrait être utilisée pour tester des thérapies potentielles directement sur la puce en ajoutant des anticorps ou d’autres candidats médicaments qui bloqueraient cette liaison. Si le signal s’affaiblit, cela signifierait que l’anticorps empêche le virus de se fixer au récepteur.

Image au microscope fluorescent de la biopuce avec ses nombreux compartiments minuscules, chacun présentant un antigène différent, ce qui permet de tester simultanément les interactions de tous ces antigènes avec un anticorps humain.

« Notre puce ouvre la voie à l’étude des interactions entre les virus et les récepteurs humains, et à la recherche de nouveaux traitements permettant de bloquer ces interactions », explique le professeur Bar-Ziv.

L’équipe entame actuellement une collaboration avec le centre médical Sheba afin de suivre l’évolution des réponses immunitaires chez les patients atteints de COVID-19 à l’aide de la nouvelle puce. En reliant les données sur les anticorps aux antécédents des patients, ils espèrent identifier des schémas d’immunité qui pourraient orienter le développement de futurs vaccins.

L’intelligence artificielle est la prochaine étape. « Nous pouvons utiliser la puce pour analyser les séquences d’anticorps conçues sur ordinateur et tester leurs propriétés dans un délai très court », explique le professeur Bar-Ziv. « La puce peut rendre le processus de conception de l’IA plus rapide et plus précis. »

Le professeur Bar-Ziv envisage un avenir dans lequel cet outil permettra de réagir en temps réel à une pandémie. « Si une nouvelle épidémie apparaissait demain, nous pourrions prélever la séquence génétique du virus, fabriquer ses protéines sur la puce et tester immédiatement les anticorps. C’est un outil incroyablement puissant pour se préparer. »

La Science en Chiffres

Toutes les interactions entre un anticorps donné et un antigène sont testées sur la biopuce dans un seul compartiment miniature mesurant moins d’un millimètre de long, 200 microns de large et 10 microns de profondeur.