L'outil ChromAgeNet a déchiffré l'architecture de la chromatine, l'organisation tridimensionnelle de l'ADN dans le noyau, pour distinguer cellules souches sanguines jeunes et âgées. Cette découverte ouvre de nouvelles pistes de recherche pour le rajeunissement cellulaire.
Le vieillissement mine progressivement la capacité de l'organisme à se régénérer, en affectant fortement la production des cellules sanguines. Dans cette course contre la montre 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 rendre leur fonction initiale.
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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.
Publiée dans la revue "Aging Cell", l'étude dirigée par les docteures Maria Carolina Florian (IDIBELL) et Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal) montre que l'organisation de la chromatine renferme des informations qui permettent de distinguer des cellules issues de souris jeunes et âgées.
Un pont entre biomédecine et supercalcul
Pour entraîner le modèle, les chercheuses ont appliqué des réseaux neuronaux convolutifs à des images 3D de noyaux de cellules souches de souris (source en espagnol). ChromAgeNet fait appel à des réseaux neuronaux pour déchiffrer le vieillissement de l'ADN. L'IA permet de détecter des variations structurelles subtiles imperceptibles pour l'œil humain.
L'une des principales craintes liées à l'utilisation de réseaux neuronaux en biomédecine est de ne pas savoir sur quoi ils se fondent pour prendre des décisions. ChromAgeNet franchit cette barrière en offrant une IA explicable (XAI).
L'outil est parvenu à classer correctement en moyenne environ 68 % des cellules comme provenant de souris jeunes ou âgées, à partir d'images obtenues avec le DAPI, une coloration standard et peu coûteuse.
De plus, ChromAgeNet se distingue par son caractère explicable, ce qui permet d'étudier quelles caractéristiques des images contribuent à ses prédictions. Ces analyses ont mis en évidence, entre autres régions, des changements dans la périphérie du noyau associés au vieillissement.
Les analyses ont montré que la chromatine se présente de façon compacte et organisée aux bords du noyau des cellules jeunes, tandis que dans les cellules âgées elle apparaît dispersée. À titre de preuve de concept, l'outil évalue la manière dont certains médicaments épigénétiques (source en espagnol) produisent des changements dans l'organisation de la chromatine, compatibles avec des profils plus proches de ceux observés dans les cellules jeunes. Il montre ainsi son potentiel 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 à la disposition de la communauté scientifique internationale.
Collaboration avec des équipes de recherche en IA
À propos des applications concrètes possibles de ces travaux, la docteure Maria Carolina Florian, chercheuse principale à l'Institut de recherche biomédicale de Bellvitge (IDIBELL), explique à Euronews : "Nous avons actuellement développé un outil qui fonctionne comme une preuve de concept sur des cellules souches hématopoïétiques murines. Nous travaillons maintenant 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 vieillies".
Maria Carolina Florian précise à Euronews que ce travail "a trouvé le terrain idéal pour devenir un outil réel grâce à l'expérience de la Dre Paula Petrone (BSC et ISGlobal). Nous prévoyons de continuer à le développer et à l'étendre à une utilisation sur des cellules souches humaines. Par ailleurs, nous demandons davantage de financements à l'Union européenne (UE) et nous cherchons à nouer des contacts avec d'autres scientifiques en Europe intéressés par l'application concrète de nos travaux".
De son côté, Paula Petrone estime que ces travaux "montrent qu'un algorithme d'apprentissage profond peut distinguer entre des cellules souches jeunes et âgées grâce à l'analyse d'images de noyaux cellulaires colorés avec une substance peu coûteuse appelée DAPI".
Cartes 3D et code ouvert pour rajeunir l'architecture cellulaire
La cartographie interne du noyau cellulaire révèle une signature sans équivoque : dans la jeunesse, la chromatine se regroupe 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 possibles 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 âgées exposées à divers médicaments épigénétiques. L'objectif ? Vérifier si ces molécules étaient capables de produire 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 ouverte contenant des images 3D de cellules souches, avec pour objectif de trouver des médicaments qui renforcent le système immunitaire et la qualité de vie au grand âge.
De nombreuses études internationales confirment le rôle fondamental du système immunitaire dans le vieillissement de l'organisme, comme l'assure 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 aujourd'hui : la science derrière ChromAgeNet appelle à la retenue
Le nouvel outil ChromAgeNet aidera à comprendre les mécanismes moléculaires de base impliqués dans le vieillissement des cellules souches hématopoïétiques, qui peuvent être ciblés par des thérapies de rajeunissement. "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.
"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 identifier, grâce à l'analyse de ces images, ceux qui provoquent des changements compatibles avec un état plus jeune", explique à Euronews Paula Petrone.
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 contribuer, par exemple, à améliorer le vieillissement du système immunitaire et favoriser ainsi un vieillissement plus sain".
La chercheuse insiste toutefois auprès d'Euronews sur la nécessité de rester prudents : "Nous devons être très prudents pour ne pas surestimer nos résultats. Ces nouvelles technologies mettent des années à se développer, à être validées et, éventuellement, à arriver en clinique. Nos travaux n'apportent qu'une petite pierre à l'édifice du studie de la manière dont nous vieillissons et de la recherche de stratégies susceptibles de favoriser un vieillissement en bonne santé"