Une nouvelle technique mesure des milliers de molécules à partir d’une seule goutte de sang

Des chercheurs de Stanford Medicine ont montré qu’ils pouvaient mesurer des milliers de molécules – dont certaines sont des signaux de santé – à partir d’une seule goutte de sang.

La nouvelle approche combine un dispositif de micro-échantillonnage – un outil utilisé pour s’auto-administrer une piqûre au doigt – avec des technologies “multiomiques”, qui analysent simultanément une vaste gamme de protéines, de graisses, de sous-produits du métabolisme et de marqueurs inflammatoires.

“Plus important encore, nous avons montré que vous pouvez collecter la goutte de sang à la maison et l’envoyer au laboratoire”, a déclaré Michael Snyder, PhD, directeur du Centre de génomique et de médecine personnalisée et auteur principal de la recherche, qui a été publiée. dans Nature Génie biomédical le 19 janvier.

Contrairement aux tests par piqûre au doigt pour le diabète, qui mesurent un seul type de molécule (glucose), le micro-échantillonnage multiomique fournit des données sur des milliers de molécules différentes à la fois.

La recherche ressemble à une approche bien connue promue dans le passé pour tester une seule goutte de sang, mais il existe des différences importantes : alors que l’approche précédente était basée sur la réplication des tests de diagnostic existants, le micro-échantillonnage multiomique utilise un type différent d’analyse de données basée sur sur une technologie appelée spectrométrie de masse, qui trie les molécules en fonction de leur masse et de leur charge électronique. De plus, l’analyse des données est effectuée dans un laboratoire et non dans une boîte portable.

Moins de sang, plus d’idées

Au lieu de se concentrer sur une protéine, un métabolite ou un marqueur inflammatoire unique, le domaine en plein essor de la recherche « omique » adopte une approche plus large de la biologie des systèmes : analyse de l’ensemble du spectre des protéines (le protéome), des graisses (le lipidome) ou des sous-produits. produits du métabolisme (le métabolome). Bien que les progrès récents aient rendu cette analyse de données plus robuste et efficace, l’utilité réelle de la recherche multiomique a été limitée par les difficultés de collecte d’échantillons, entre autres défis. Pour mesurer la réaction d’une personne à un aliment ou à un médicament, de nombreux échantillons dans un court laps de temps peuvent être nécessaires. actuellement, le prélèvement nécessite de se rendre dans une clinique pour une prise de sang par voie intraveineuse de 10 à 50 millilitres.

“Pour l’étude, nous avons demandé aux participants de prélever des échantillons de sang cinq fois en seulement quatre heures”, a déclaré Snyder, professeur de génétique à Stanford W. Ascherman, MD, FACS. «Traditionnellement, cela aurait signifié mettre un cathéter et retirer beaucoup de sang à chaque fois. Au cinquième tirage, vos participants auraient moins de fer et moins de globules rouges.

Les chercheurs voulaient savoir s’ils pouvaient réduire considérablement le volume de sang utilisé pour l’analyse multiomique, tout en profilant des milliers de molécules. Après avoir testé une variété d’appareils de micro-échantillonnage, ils en ont choisi un appelé Mitra, un appareil portable qui aspire 10 microlitres de sang dans une matrice de gel. Ils ont ensuite testé plusieurs techniques d’extraction pour séparer les protéines, les lipides et les métabolites. Un deuxième microéchantillon séparé a été utilisé pour mesurer les marqueurs inflammatoires.

“On ne s’attendait pas du tout à ce que nous puissions faire ce genre d’analyse sur un si petit échantillon”, a déclaré Ryan Kellogg, PhD, chercheur post-doctoral en génétique et l’un des quatre co-auteurs principaux de l’article. . Les trois autres co-auteurs principaux sont les chercheurs postdoctoraux de Stanford Xiaotao Shen, PhD, Daniel Panyard, PhD, et Nasim Bararpour, PhD.

Dans une étude pilote de deux sujets de test, les chercheurs ont pu mesurer les niveaux de 128 protéines, 1 461 métabolites et 776 lipides de chaque microéchantillon. Ils ont ensuite surveillé la stabilité des échantillons lorsqu’ils étaient stockés à diverses températures.

“Dans l’ensemble, très peu de protéines étaient instables, quelle que soit la température”, a déclaré Snyder. Certains des lipides et des métabolites se sont décomposés pendant le stockage à certaines températures, mais la majorité était stable, a-t-il déclaré.

Lorsque les chercheurs ont comparé les résultats multiomiques obtenus par micro-échantillonnage avec ceux d’un prélèvement sanguin traditionnel, ils ont constaté que les résultats des deux types de collecte étaient similaires pour la grande majorité des molécules. Convaincus que leurs microéchantillons multiomiques étaient fiables, les scientifiques ont ensuite testé des applications pour la nouvelle technique.

Suivi des réponses métaboliques individuelles aux aliments

Les chercheurs ont mené une étude qui a surveillé l’impact moléculaire d’un shake nutritionnel, en analysant les données de 28 participants pendant quatre heures après avoir consommé une quantité définie de glucides, de lipides, de protéines et de micronutriments provenant du shake substitut de repas.

“Ce que nous avons découvert, c’est que les gens ont réagi très, très différemment à ce mélange”, a déclaré Snyder.

Différentes personnes peuvent avoir des réponses métaboliques radicalement différentes au même aliment, mais les tests sanguins standard ne fournissent pas suffisamment de données pour comprendre pourquoi.

Près de 50% des composés du shake ont finalement pu être détectés dans le sang des participants, et les chercheurs ont pu diviser les participants en deux grands groupes en fonction de la rapidité avec laquelle les molécules de leur sang ont changé, un groupe répondant plus rapidement au trembler que l’autre. Les participants ayant une résistance connue à l’insuline étaient plus susceptibles de tomber dans le groupe des “répondeurs rapides”.

Certains participants ont également eu une réaction inflammatoire, les molécules impliquées dans leur réponse immunitaire culminant environ 30 minutes après avoir consommé le shake.

“Le but ultime de ces profils détaillés est de donner des informations aux gens”, a déclaré Snyder. “Si vous apprenez que vous avez une réponse immunitaire à un aliment particulier, vous pourriez être assez motivé pour changer votre alimentation.”

Surveillance 24h/24 et 7j/7 avec des capteurs portables

Dans la deuxième expérience, les chercheurs ont poussé la surveillance moléculaire un peu plus loin, en prélevant le sang de Snyder toutes les une à deux heures pendant qu’il était éveillé pendant une semaine.

“Après 98 échantillons, je dois admettre que mes doigts étaient assez douloureux.” Il portait également quatre montres intelligentes différentes et un moniteur de glycémie en continu pour suivre sa fréquence cardiaque, son niveau d’activité, son sommeil et sa consommation de nourriture.

À la fin de la semaine, l’équipe de recherche avait effectué un total de 214 661 mesures biochimiques, y compris les niveaux de protéines, de graisses et d’hormones comme le cortisol, qu’ils ont comparées aux données physiologiques des capteurs portables. En plus de découvrir de nombreuses molécules qui présentaient des rythmes de 24 heures non identifiés auparavant (ce qui signifie que certaines molécules suivent un flux et reflux quotidien et cyclique), les chercheurs ont observé que les niveaux de glucose et de cortisol variaient considérablement tout au long de la journée, contrairement à ce à quoi ils s’attendaient. .

“Les manuels décrivent comment ces molécules sont censées se comporter”, a déclaré Snyder. Par exemple, le cortisol devrait être élevé le matin et baisser pendant la journée. Mais lorsque les chercheurs ont analysé les données, ils ont constaté que cela était vrai pour Snyder certains jours mais pas d’autres, soulignant l’importance d’un échantillonnage fréquent.

Parce que ces données représentent les molécules d’un seul participant, elles ne peuvent pas être utilisées pour tirer des conclusions sur quelqu’un d’autre. Mais selon Snyder, c’est l’un des principaux enseignements de cette recherche : les individus ont divers profils moléculaires qui peuvent changer en fonction de leurs modèles de comportement personnalisés.

“La chose la plus excitante à propos du micro-échantillonnage est la capacité de collecter des points temporels plus denses et des données plus complètes”, a déclaré Kellogg. «Avec la ponction veineuse traditionnelle, votre médecin reçoit un échantillon tous les six mois, voire toutes les quelques années. Il y a beaucoup de biologie qui se passe entre ces échantillons.

Au milieu de la semaine, par exemple, la surveillance multiomique a détecté un événement immunitaire, dont Snyder lui-même n’était pas au courant – il soupçonne que c’était son corps qui combattait une infection. Snyder a également pu suivre son propre métabolisme personnel de l’acide salicylique (un sous-produit de l’aspirine pour bébé qu’il prend chaque matin), suggérant que le micro-échantillonnage multiomique peut être utile pour suivre la réponse d’un individu à un médicament.

Faire entrer les soins de santé à domicile

La prochaine étape pour le laboratoire Snyder sera d’étendre les études pilotes et d’offrir un micro-échantillonnage multiomique à un plus large éventail de patients. “Plusieurs projets en cours évaluent si cette méthode peut être utilisée pour la détection précoce des maladies”, a déclaré Shen, qui était en charge de l’analyse des données pour le projet. “Grâce à la surveillance longitudinale, nous avons bon espoir que cela puisse être utilisé pour le diagnostic.” De plus, Kellogg a fondé une startup qui utilise le micro-échantillonnage multiomique pour mieux définir les effets moléculaires du long COVID et développer de nouveaux diagnostics.

Snyder envisage un avenir dans lequel des personnes en bonne santé effectueraient des micro-échantillonnages multiomiques à domicile à intervalles réguliers – tous les mois, toutes les semaines ou peut-être même une fois par jour – pour avoir une idée de leur empreinte moléculaire personnelle. Des changements subtils dans cette empreinte digitale pourraient signaler l’apparition de la maladie bien avant qu’une anomalie ne soit détectée par des tests de laboratoire standard.

“L’essentiel”, a déclaré Snyder, “est que nous pouvons obtenir un profil très approfondi de la santé métabolique et immunitaire d’une personne, tout au long de la commodité d’un test à domicile.”

Il a ajouté que de nombreuses personnes ressentent un «effet blouse blanche», qui fait monter en flèche leur fréquence cardiaque et leur tension artérielle au moment où elles entrent dans un établissement de soins de santé. « Cela va changer votre physiologie et affecter les résultats. Vous feriez mieux de faire autant de choses que possible depuis chez vous.

Référence: Shen X, Kellogg R, Panyard DJ, et al. Micro-échantillonnage multiomique pour le profilage des changements de santé associés au mode de vie. Nuit Biomed Oneg. Publié en ligne le 19 janvier 2023. doi : 10.1038/s41551-022-00999-8

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