Révolution en santé: nanotechnologies à base d’ADN

Alexis Vallée Belisle

Le Dr. Alexis Vallée-Bélisle a obtenu son doctorat en biochimie, sous la supervision du Pr. Steve Michnick, sur le développement de nouvelles technologies permettant de caractériser les mécanismes d’auto-assemblage des nanomachines naturelles (Université de Montréal). De 2008 à 2012, il poursuit des études postdoctorales au Center for Bioengineering de l’Université de Californie, à Santa Barbara, sur le développement de biocapteurs électroniques inspirés par la nature. Il est maintenant professeur adjoint au département de chimie de l’Université de Montréal et directeur du Laboratoire de biocapteurs et nanomachines. Il détient la Chaire de Recherche du Canada en Bio-ingénierie et Bio-nanotechnologie (2014) et il est récipiendaire de nombreuses distinctions : bourse de carrière du Fond de recherche du Québec - Santé (2013), récipiendaire du Canada Rising Star in Global Health (2012) et prix de l’International Center For Materials Research de la National Science Foundation (2011).

Cet article a été écrit en collaboration avec Stéphanie Bissonnette, détentrice d’un baccalauréat en biochimie de l’Université Laval, à Québec.

 

 

 

Les feuilles du lotus ont des capacités autonettoyantes, la soie d’araignée supporte 65kg et le flagelle d’une bactérie fait 18000 tours par minute. Depuis des millions d’années, la nature a mis au point d’étonnants matériaux et nanomachines dont les capacités proviennent de la structure et des propriétés de leurs composants moléculaires. C’est donc sans surprise que les ingénieurs se sont rapprochés du microscope, ouvrant la porte à un nouveau domaine d’étude, les nanotechnologies. Néanmoins, on ne parvient pas à concevoir des technologies d’un milliardième de mètre sans obstacle. La conception de structures nanométriques implique des procédés de fabrication complexes et sensibles dont la mécanisation est d’autant plus téméraire.

Pour la médecine, les nanotechnologies sont un domaine d’avenir. Après tout, le récit biologique s’écrit dans le milliardième de mètre. Outre les bactéries et virus, les protéines et hormones se sont aussi trouvées coupables de porter atteinte au corps. Protéines absentes, hormones surabondantes, les molécules biologiques ont à présent l’attention de nombreux médecins et pharmaciens. Il ne s’agit pas seulement de pouvoir interagir avec elles, mais leur présence peut être le témoin de problèmes plus graves encore. La prolifération cellulaire excessive lors d’un cancer est, par exemple, souvent trahie par la présence de protéines spécifiques, tel VEGF (Facteur de croissance de l’endothélium vasculaire).

En cherchant à développer des outils et machines nanométriques sophistiqués et autonomes, il est judicieux de s’interroger sur celles qui ont évolué naturellement depuis des milliards d’années. Les organismes vivants sont constitués de molécules stables tel l’ADN et les protéines qui sont capables d’auto-assemblage. Ces molécules possèdent des fonctions remarquables : reconnaissance moléculaire, transport et délivrance de molécules (par exemple la protéine hémoglobine transportant et délivrant l’oxygène), ainsi que création ou dégradation de liaisons chimiques (les enzymes). Pour la médecine, ces matériaux sont d’autant plus séduisants qu’ils  communiquent aisément avec le corps, en étant eux-mêmes des composantes biologiques qui se retrouvent au sein des organismes vivants.  Au cours des dix dernières années, une meilleure compréhension de la structure de l’ADN a rendu possible l’utilisation de ce matériau pour créer les premiers outils et machines à l’échelle nanoscopique qui permettent des applications révolutionnaires en santé.

Lire l’ADN pour prédire les maladies

En 1950, la structure en double hélice de l’ADN est finalement résolue et peu à peu sa logique est dévoilée. Deux chaînes d’ADN s’apparient l’une à l’autre de manière spécifique et complémentaire, se reconnaissant par l’intermédiaire de leur séquence. La séquence est constituée d’un assemblage précis de 4 types de molécules distinctes, les nucléotides A, T, G et C. Attachés les uns aux autres sur une même chaîne, ils interagissent avec un partenaire précis (A avec T et G avec C) sur une seconde chaîne complémentaire. L’interaction entre les deux chaînes crée la double hélice (Figure 1).

Au cours des quinze dernières années, le séquençage de l’ADN humain a révolutionné la médecine, racontant à l’initié les fondations biologiques du patient. On comprend maintenant qu’en décryptant (ou séquençant) le génome (l’ensemble de l’ADN) d’un patient, une histoire nous est racontée. À partir de cette séquence, il est possible de prédire certains troubles avant le développement des symptômes. Ainsi, il devient possible de prédire les risques de développer plusieurs maladies incluant, par exemple, le cancer, l’Alzheimer et la maladie d’Huntington[1]. Toutefois le séquençage de votre ADN demeure encore une technique coûteuse et peu répandue en 2014[2].

Pour faciliter le décryptage de l’ADN, de nombreux tests plus simples et moins dispendieux ont récemment été développés. Ils permettent de détecter un ou quelques nucléotides du génome impliqués dans des maladies. Non sans surprise, ces tests utilisent la capacité que possède l’ADN à s’apparier avec une autre séquence d’ADN complémentaire. Le développement de ces méthodes d’analyse a constitué un premier pas vers une vision nouvelle de l’ADN. Il est en effet maintenant possible de voir l’ADN comme un outil diagnostique.

Des biocapteurs à base d’ADN

Afin de détecter une séquence d’ADN précise au cœur d’un génome, quoi de plus simple que d’utiliser une séquence complémentaire qui saurait reconnaitre spécifiquement le segment d’intérêt et le localiser. Ayant développé des techniques de synthèse d’ADN efficaces et abordables, et comprenant les lois gouvernant l’association de brins d’ADN, les scientifiques sont maintenant en mesure de construire des séquences précises qui peuvent s’assembler en des structures complexes, structures dont la seule limite est l’imagination. Il devient notamment possible de créer des interrupteurs à base d’ADN qui peuvent signaler la présence de diverses molécules.

Les « molecular beacon », par exemple, est une technologie développée par le laboratoire du Dr Fred Kramer au Public Health Research Institute à New-York. Ils sont utilisés par de nombreux hôpitaux dans le monde.  Ces derniers utilisent une « tige-boucle » d’ADN marquée de deux sondes fluorescentes, qui lorsque séparées physiquement de plusieurs nanomètres, suivant, par exemple, la liaison qu’une séquence d’ADN complémentaire, voient leur fluorescence augmentée (Figure 2A). La mise au point de cette méthode de détection a grandement facilité et accéléré la détection de séquences dADN spécifiques en milieu hospitalier. Par contre, malgré les avantages de la fluorescence, sa détection directe dans le sang demeure impossible : la lumière ne pouvant traverser un milieu aussi opaque. Pour palier à cette limitation, l’équipe du professeur Kevin Plaxco à l’Université de Californie, Santa Barbara, a ainsi adapté le molecular beacon fluorescent dans un essai électrochimique qui s’apparente au glucomètre portable utilisé par les diabétiques. En fixant l’ADN à une électrode d’or, cette équipe a démontré qu’il était possible de faire varier la distance entre un indicateur électrochimique et la surface d’or, faisant ainsi varier l’ampérage (Figure 2B).

Des méthodes d’identification visuelle plus simples ont également été développées.  L’utilisation de nanoparticules d’or ou d’argent, par exemple,  offre l’avantage d’un résultat visible à l’œil nu. En effet, il est possible de désassembler des agrégats de nanoparticules recouvertes d’ADN par l’entremise d’une séquence complémentaire. La rigidité de l’ADN double brin forçant les nanoparticules à s’éloigner les unes des autres et modifiant par le fait même leur propriété optique, donc la couleur de la solution (Figure 2C).

Avec ces outils en main, la détection de séquences d’ADN devient plus rapide et moins dispendieuse. Les biocapteurs de type « molecular beacon » sont déjà très répandus dans les laboratoires de diagnostique à travers le monde tandis que la prochaine génération de biocapteurs emploiera sans doute une plateforme électrochimique moins dispendieuse. Des tests ne nécessitant que l’emploi de feuilles de papier ont d’ailleurs été effectués pour la détection d’ADN, en tirant avantage des nanoparticules afin d’obtenir un signal coloré. Ces tests ont été adaptés, entre autre, pour la détection d’une séquence d’ADN caractéristique de la bactérie responsable de la tuberculose[3].

Détecter au delà de l’ADN

Les biocapteurs à base d’ADN ne se limitent pas seulement à la détection de séquences d’ADN complémentaires. S’il est possible de greffer des sondes fluorescentes, des indicateurs électrochimiques ou des nanoparticules à une chaîne d’ADN, il est aussi possible d’y greffer de petites molécules ou mêmes des fragments protéiques nommés peptides. Un des avantages lié à l’utilisation de ces dernières molécules est qu’elles rendent possible la reconnaissance de plusieurs marqueurs de maladies à base de protéines comme les anticorps. Les travaux de notre laboratoire portent ainsi sur le développement de biocapteurs portatifs à base d’ADN permettant de détecter les anticorps générés par le corps en réponse à une maladie[4]. Cette technologie permettrait de diagnostiquer une maladie dans une goutte de sang en moins de 10 minutes et ce, à partir de la maison (Figure 3).  La technique employée pour la détection des anticorps est similaire à celle utilisée par les biocapteurs à base d’ADN électrochimique (Figure 2B). Possédant deux sites de liaison à ses extrémités « Y », l’anticorps viendra ouvrir la tige boucle d’ADN lorsque les deux sites de liaison de l’anticorps lieront les épitopes (X; molécule d’un pathogène, souvent de nature peptidique, reconnue par l’anticorps) attachés sur l’ADN. L’ouverture de la tige-boucle éloignera l’indicateur électrochimique de la surface d’or  réduisant ainsi l’ampérage.  Cette technologie est présentement en train d’être adaptée sur des lecteurs portatifs non dispendieux rappelant le glucomètre.

Une autre percée significative du domaine des biocapteurs à base d’ADN est l’élaboration d’une méthode permettant la conception de séquences d’ADN capables de reconnaître virtuellement tous les constituants du vivant, qu’il s’agisse d’une petite molécule hormonale ou d’une énorme molécule virale. L’idée est invitante, mais la démarche périlleuse. Pour ce faire, les scientifiques ont développé une méthode de sélection artificielle d’ADN imitant la sélection naturelle. Suite à la création d’une banque de structures d’ADN aléatoires considérable (des centaines de milliard de séquences différentes), ils sélectionnent par des cycles répétés des molécules d’ADN possédant de plus en plus d’affinité pour la cible, éliminant les autres. Ces molécules d’ADN  sont appelées « aptamères ».  Des biocapteurs à base d’aptamère ont récemment été conçus pour permettent de suivre la concentration de médicaments en temps réel dans le sang d’un patient ou de détecter la consommation de drogues[5].

Perspective 

Si l’utilisation des biocapteurs à base d’ADN est pour l’instant essentiellement restreinte aux laboratoires, le futur semble hautement prometteur. Rapides et abordables, ils offrent de nombreuses possibilités tant dans les hôpitaux que pour les particuliers. Nanométriques, ces constructions peuvent facilement être insérées au sein d’appareils portables pouvant effectuer plusieurs tests simultanément. L’électrochimie, permettant la détection directe dans le sang, élimine toutes les étapes d’analyse classique. Elle offre ainsi un procédé suffisamment simple pour être ramené à la maison. Il s’agit d’un atout considérable si l’on considère que la gravité de nombreuses maladies découle d’un délai souvent trop important avant le diagnostic. En plus de permettre des tests diagnostiques plus rapides et abordables, ces nouvelles technologies permettront également, dans un futur rapproché, de faciliter le traitement de la maladie en permettant au patient de doser en temps réel sa prise de médicament comme dans le cas d’une chimiothérapie.

 

Références

1. Potter NT, Spector EB, & Prior TW: Technical standards and guidelines for Huntington disease testing. Genet Med 2004; 6(1):61-65.

2. Forget, Dominique. « Génome pour tous – L’actualité. » L’actualité. N.p., 10 Mar. 2014. Web. 3   June 2014. http://www.lactualite.com/sante-et-science/science/genome-pour-tous/

3. Costa, M. N., et al. (2014). « A low cost, safe, disposable, rapid and self-sustainable paper-based platform for diagnostic testing: lab-on-paper. » Nanotechnology 25(9): 094006.

4. Vallée-Bélisle, A. et al. (2012). “Bioelectrochemical Switches for the Quantitative Detection of Antibodies Directly in Whole Blood” J. Am. Chem. Soc. 134 15197-200
 
5. Ferguson, B. S., et al. (2013). « Real-time, aptamer-based tracking of circulating therapeutic agents in living animals. » Sci Transl Med 5(213): 213ra165.