L'outil ChromAgeNet décrypte l'architecture de la chromatine, organisation 3D de l'ADN, pour distinguer cellules souches sanguines jeunes et âgées. Cette découverte ouvre de nouvelles pistes de recherche sur le rajeunissement cellulaire.
Le vieillissement sape progressivement la capacité de l'organisme à se régénérer et affecte gravement la production des cellules sanguines. Dans cette course contre l'horloge biologique, l'analyse des altérations des cellules souches sanguines est cruciale pour ouvrir la voie à des interventions capables d'enrayer leur déclin et de leur restituer leur fonction d'origine.
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Une équipe scientifique de Barcelone a mis au point ChromAgeNet, un outil d'intelligence artificielle qui détecte le vieillissement des cellules souches sanguines en analysant la structure tridimensionnelle de leur ADN.
Publié dans la revue "Aging Cell", ce travail, dirigé par les docteures Maria Carolina Florian (IDIBELL) et Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), montre que l'organisation de la chromatine renferme des informations permettant de distinguer des cellules provenant de souris jeunes et âgées.
Un pont entre biomédecine et supercalcul
Pour entraîner le modèle, les chercheuses ont appliqué des réseaux de neurones convolutionnels à des images 3D de noyaux de cellules souches de souris (source en espagnol). ChromAgeNet s'appuie sur des réseaux de neurones pour déchiffrer le vieillissement de l'ADN. L'IA permet de détecter des variations structurelles subtiles, imperceptibles à l'œil humain.
L'une des principales craintes liées à l'utilisation de réseaux de neurones en biomédecine est de ne pas savoir sur quoi ils se fondent pour prendre leurs décisions. ChromAgeNet franchit cet obstacle en proposant une IA explicable (XAI).
En moyenne, l'outil est parvenu à classer correctement environ 68 % des cellules comme provenant de souris jeunes ou âgées, à partir d'images obtenues avec DAPI, une coloration standard et bon marché.
ChromAgeNet se distingue aussi par son caractère d'IA explicable, ce qui permet d'étudier quelles caractéristiques des images contribuent à ses prédictions. Ces analyses ont mis en évidence, entre autres régions, des modifications à la périphérie du noyau associées au vieillissement.
Les analyses ont montré que, dans les bords du noyau des cellules jeunes, la chromatine est compacte et organisée, alors que dans les cellules âgées elle apparaît dispersée. À titre de preuve de concept, l'outil évalue la façon dont certains médicaments épigénétiques (source en espagnol) induisent des changements dans l'organisation de la chromatine compatibles avec des profils plus proches de ceux observés dans les cellules jeunes, ce qui illustre le potentiel de l'outil pour le criblage de traitements capables de régénérer le tissu sanguin et de renforcer le système immunitaire. Le code et la base de données d'images sont déjà mis à la disposition de la communauté scientifique internationale.
Collaboration avec des équipes de recherche en IA
Interrogée sur les applications pratiques que pourrait avoir cette recherche, la docteure Maria Carolina Florian, chercheuse principale à l'Institut de recherche biomédicale de Bellvitge (IDIBELL), explique à 'Euronews' : "À l'heure actuelle, nous avons mis au point un outil qui fonctionne comme preuve de concept sur des cellules souches hématopoïétiques murines. Nous travaillons désormais à l'optimiser et à l'adapter à des cellules souches humaines, dans l'espoir de l'utiliser pour évaluer de nouveaux médicaments susceptibles d'agir sur l'architecture nucléaire et de rajeunir des cellules souches vieillissantes".
Maria Carolina Florian indique également à 'Euronews' que ce travail "a trouvé le terrain idéal pour devenir un véritable outil grâce à l'expertise de la Dre Paula Petrone (BSC et ISGlobal). Nous prévoyons de continuer à le développer et à l'étendre à son utilisation sur des cellules souches humaines. De plus, nous sollicitons davantage de financements auprès de l'UE et essayons d'établir des contacts avec d'autres scientifiques en Europe intéressés par l'application pratique de nos travaux".
Pour sa part, Paula Petrone estime que cette recherche "établit qu'un algorithme d'apprentissage profond peut distinguer entre cellules souches jeunes et vieillies grâce à l'analyse d'images de noyaux cellulaires colorés avec une substance bon marché appelée DAPI".
Cartes 3D et code ouvert pour rajeunir l'architecture cellulaire
La carte interne du noyau cellulaire révèle une signature sans équivoque : dans la jeunesse, la chromatine se retranche de manière compacte aux bords du noyau ; avec les années, cette architecture se désorganise. Identifier ces motifs pourrait aider à étudier le détérioration des cellules souches sanguines et à évaluer des stratégies potentielles capables de régénérer le tissu hématopoïétique et de provoquer un changement dans l'organisme.
Pour démontrer le potentiel pratique de l'algorithme, l'équipe a conçu une preuve de concept : elle a appliqué l'outil à des cellules vieillies exposées à divers médicaments épigénétiques. Objectif : vérifier si ces molécules étaient capables de provoquer des changements dans l'organisation de la chromatine compatibles avec un état plus jeune.
Pour accélérer de nouvelles découvertes, l'équipe a rendu public le code de l'outil et une base de données accessible au public contenant des images 3D de cellules souches, avec l'ambition de trouver des médicaments qui renforcent le système immunitaire et la qualité de vie au grand âge.
De nombreuses études internationales confirment le rôle central du système immunitaire dans le vieillissement de l'organisme, comme le souligne Maria Carolina Florian : "Dans notre laboratoire, nous avons contribué à démontrer la possibilité de stimuler et de rajeunir des cellules souches hématopoïétiques vieillies afin d'améliorer non seulement la fonction du système immunitaire, mais aussi l'espérance de vie et la santé de l'organisme dans son ensemble".
Promesse à long terme, prudence dans le présent : la science derrière ChromAgeNet appelle à la prudence
Le nouvel outil ChromAgeNet aidera à comprendre les mécanismes moléculaires de base impliqués dans le vieillissement des cellules souches hématopoïétiques, qui peuvent être l'objet de thérapies visant à les rajeunir. "Nous espérons approfondir nos connaissances, consolider nos résultats et identifier de nouveaux outils et médicaments pour améliorer la fonction des cellules souches hématopoïétiques vieillies", conclut la chercheuse Florian.
Paula Petrone explique à 'Euronews' : "À l'avenir, cette technique pourrait être utilisée pour le criblage de nouveaux médicaments au potentiel rajeunissant. Ainsi, en traitant des cellules vieillies avec différents composés candidats, l'IA pourrait, grâce à l'analyse de ces images, identifier ceux qui provoquent des changements compatibles avec un état plus jeune".
Pour la docteure Petrone, "prolonger l'espérance de vie n'est pas aussi important que prolonger l'espérance de vie en bonne santé". La découverte de nouveaux médicaments au potentiel rajeunissant pourrait, par exemple, contribuer à améliorer le vieillissement du système immunitaire et favoriser ainsi un vieillissement plus sain.
La chercheuse insiste toutefois auprès de 'Euronews' sur la nécessité de rester prudents : "Nous devons faire très attention à ne pas surestimer nos résultats. Ces nouvelles technologies mettent des années à se développer, à être validées et, éventuellement, à arriver en clinique. Notre recherche n'apporte qu'un grain de sable à l'étude de la manière dont nous vieillissons et à la recherche de stratégies susceptibles de favoriser un vieillissement en bonne santé".