Une biopuce assistée par l’IA détecte des marqueurs génétiques en 20 minutes
Des scientifiques de NTU Singapore ont développé une biopuce assistée par l’IA capable de détecter plusieurs biomarqueurs de microARN en 20 minutes. La plateforme a atteint une précision de plus de 99 pour cent dans différents canaux de test.
Une équipe de scientifiques de NTU Singapore a mis au point une nouvelle biopuce qui, associée à l’intelligence artificielle (IA), peut détecter rapidement et avec précision des quantités extrêmement faibles de microARN, de minuscules marqueurs génétiques liés à des maladies telles que les maladies cardiaques. Publiée dans Advanced Materials, la nouvelle plateforme de biodétection associe une puce nanophotonique spécialement conçue à une analyse d’images automatisée par IA. Par rapport à l’actuelle méthode de référence pour la détection des microARN – la PCR (réaction en chaîne par polymérase) – ce nouveau dispositif peut ramener le temps de détection de plusieurs heures à 20 minutes.
Avec une minuscule goutte de sang déposée dans la puce, celle-ci peut détecter rapidement plusieurs biomarqueurs de microARN. Grâce à sa fonction intégrée d’imagerie par IA, des milliers de signaux de microARN peuvent être imagés et analysés en une seule prise de vue. L’équipe a construit un prototype compact comprenant une caméra couleur capable de capturer des images de la puce nanophotonique, ainsi qu’une application mobile conçue pour analyser des images de microARN à l’aide d’algorithmes d’IA et fournir rapidement des résultats.
Les microARN sont de courtes molécules d’ARN qui aident à réguler les gènes actifs dans l’organisme. Comme les variations des niveaux de microARN sont liées à de nombreuses maladies, les scientifiques les étudient comme biomarqueurs potentiels pour des affections telles que les maladies cardiovasculaires, le cancer, les troubles neurodégénératifs et les maladies métaboliques. L’importance des microARN a été soulignée en 2024, lorsque le prix Nobel de physiologie ou médecine a récompensé la découverte des microARN et leur rôle dans la régulation génétique.
Pour surmonter les difficultés de détection des microARN, l’équipe a conçu une nanocavité, une minuscule structure piégeant la lumière, des centaines de fois plus petite que la largeur d’un cheveu humain. En forme de grotte tapissée de miroirs, la nanocavité réfléchit et amplifie les signaux fluorescents qui s’illuminent lorsqu’un microARN cible se lie à sa sonde correspondante. Cela facilite la détection de molécules uniques de microARN.
Le système a mesuré trois microARN associés au cancer du poumon non à petites cellules — miR-191, miR-25 et miR-130a — à partir d’extraits de cellules humaines de cancer du poumon, sans amplification ni préparation complexe. Contrairement à la PCR et aux kits d’hybridation qui nécessitent des sondes marquées, la plateforme détecte directement et quantitativement plusieurs microARN dans des échantillons liquides. La plateforme utilise également un modèle d’apprentissage profond appelé Mask R-CNN pour analyser automatiquement des images microscopiques.
Un système automatisé d’imagerie par IA capture les signaux de microARN en une seule prise, après quoi le système d’IA identifie et classe les signaux fluorescents et distingue les différents types de microARN, supprimant ainsi la nécessité d’un comptage manuel et réduisant les erreurs humaines. La plateforme a également donné de bons résultats lorsque des microARN synthétiques ont été ajoutés à des extraits biologiques, ce qui laisse penser qu’elle peut fonctionner de manière fiable dans des conditions d’échantillons plus réalistes. Les chercheurs ont indiqué que la plateforme pouvait détecter des microARN à des concentrations extrêmement faibles, jusqu’à seulement quelques molécules dans un échantillon, et qu’elle avait atteint une précision supérieure à 99 pour cent pour l’identification de ses cibles dans différents canaux de test.
L’équipe vise à mettre au point un système capable de mesurer rapidement et avec précision plusieurs microARN, avec le potentiel de détecter des biomarqueurs liés à un large éventail de maladies. Le succès des essais menés sur des cellules de cancer du poumon montre qu’avec les bonnes sondes ciblant différents biomarqueurs, la technologie pourrait potentiellement être adaptée à de nombreux autres cancers et maladies, notamment les maladies cardiovasculaires et virales. Une déclaration d’invention a été déposée par l’intermédiaire de NTUitive, la société d’innovation et d’entrepreneuriat de l’université.