Combinando più tecnologie avanzate in un unico sistema, i ricercatori dell'EPFL hanno compiuto un significativo passo avanti nella diagnosi delle malattie neurodegenerative (NDD) come il morbo di Parkinson (PD) e il morbo di Alzheimer (AD).
Questo nuovo dispositivo è noto come sensore ImmunoSEIRA, una tecnologia di biorilevamento che consente il rilevamento e l'identificazione di biomarcatori proteici mal ripiegati associati alle NDD. La ricerca, pubblicata su Science Advances , sfrutta anche la potenza dell'intelligenza artificiale (AI) impiegando reti neurali per quantificare gli stadi e la progressione della malattia.
Questo significativo progresso tecnologico è promettente non solo per la diagnosi precoce e il monitoraggio delle NDD, ma anche per la valutazione delle opzioni terapeutiche nelle varie fasi della progressione della malattia.
Il trattamento delle malattie neurodegenerative deve affrontare una sfida significativa a causa della mancanza di metodi diagnostici efficaci per la diagnosi precoce e il monitoraggio della progressione della malattia. Il misfolding delle proteine, un meccanismo comune nella neurodegenerazione, è stato identificato come un evento chiave nella progressione della malattia.
Si ipotizza che le proteine sane si ripieghino male prima in oligomeri negli stadi iniziali e in fibrille negli stadi successivi della malattia. Questi aggregati proteici mal ripiegati circolano nel cervello e nei biofluidi e si accumulano anche come depositi nel cervello dei malati di NDD deceduti. Ma lo sviluppo di strumenti per rilevare questi segni rivelatori di malattia, noti come biomarcatori, è rimasto finora sfuggente. Gli ostacoli a un rilevamento accurato sono molteplici, compresi i limiti della tecnologia attuale per separare e quantificare accuratamente i diversi aggregati proteici.
Per creare questo sensore avanzato di biomarcatori NDD, i ricercatori del Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) del professor Hatice Altug e del Laboratorio di neurobiologia molecolare e neuroproteomica (LMNN) del professor Hilal Lashuel hanno combinato più campi della scienza:biochimica delle proteine, optofluidica, nanotecnologia e intelligenza artificiale ( AI).
"A differenza degli attuali approcci biochimici che si basano sulla misurazione dei livelli di queste molecole, il nostro approccio si concentra sul rilevamento delle loro strutture anomale. Questa tecnologia ci consente anche di differenziare i livelli delle due principali forme anomale implicate nello sviluppo e nella progressione delle NDD, oligomeri e fibrille", spiega Lashuel
Il sensore ImmunoSEIRA utilizza una tecnologia chiamata spettroscopia di assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA). Questo metodo consente agli scienziati di rilevare e analizzare le forme di specifiche molecole associate a malattie, note come biomarcatori, associate a malattie neurodegenerative. Il sensore è dotato di un test immunologico unico, che agisce come un detective molecolare, identificando e catturando questi biomarcatori con elevata precisione.
"Nel nostro articolo presentiamo una soluzione tecnologica che integra nanoplasmonica, nanofabbricazione in camera bianca, microfluidica, test immunologici, intelligenza artificiale e metodi biochimici avanzati", afferma il Ph.D. studente e autore principale dell'articolo Deepthy Kavungal. "Il nostro sensore ImmunoSEIRA mostra sensibilità strutturale e capacità di monitorare un pannello di biomarcatori complementari con elevata specificità da piccoli volumi di campione in biomatrici complesse."
Unire il potere della nanotecnologia e dell'intelligenza artificiale
Il sensore ImmunoSEIRA è dotato di array di nanotubi d'oro con anticorpi per il rilevamento di proteine specifiche. Consente l'acquisizione specifica in tempo reale e l'analisi strutturale dei biomarcatori target da campioni estremamente piccoli. Le reti neurali, un sottoinsieme di algoritmi di intelligenza artificiale, vengono quindi impiegate per identificare la presenza di specifiche forme proteiche mal ripiegate, gli aggregati oligomerici e fibrillari, ottenendo un livello senza precedenti di precisione di rilevamento man mano che le malattie progrediscono.
Lashuel ritiene che questo sia un progresso significativo nella rilevazione delle malattie, aggiungendo che, "poiché il processo patologico è strettamente associato ai cambiamenti nella struttura delle proteine, crediamo che i biomarcatori strutturali, specialmente se integrati con altri biomarcatori biochimici e neurodegenerativi, potrebbero aprire la strada a diagnosi più precise e monitoraggio della progressione della malattia."
Il gruppo di ricerca dell’EPFL ha fatto un ulteriore passo avanti per dimostrare che il sensore ImmunoSEIRA può essere utilizzato in contesti clinici reali, ovvero nei biofluidi. Sono stati in grado di identificare con precisione la firma specifica delle fibrille anomale, un indicatore chiave delle malattie neurodegenerative, anche in fluidi complessi come il liquido cerebrospinale umano (CSF).
Il professor Altug spiega che il prossimo passo di questa nuova tecnologia "è continuare ad espandere le sue capacità e valutare il suo potenziale diagnostico nel morbo di Parkinson e nel numero crescente di malattie causate dall'errato ripiegamento e dall'aggregazione delle proteine."
I risultati di questo studio segnano un progresso significativo nei campi del biosensing, della spettroscopia infrarossa, della nanofotonica e dei biomarcatori delle malattie neurodegenerative. L'implementazione del sensore ImmunoSEIRA assistito dall'intelligenza artificiale rappresenta un gradito progresso per il rilevamento precoce dell'NDD, il monitoraggio delle malattie e la valutazione dell'efficacia dei farmaci, rispondendo all'esigenza fondamentale di un intervento tempestivo e del trattamento delle malattie neurodegenerative.
Ulteriori informazioni: Deepthy Kavungal et al, Sensore a infrarossi plasmonico accoppiato all'intelligenza artificiale per il rilevamento di biomarcatori di proteine strutturali nelle malattie neurodegenerative, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg9644
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