Comment la science des neutrons aide à fiabiliser les analyses de sang?
Les biomarqueurs sanguins sont couramment utilisés pour diagnostiquer et suivre des maladies via de simples prises de sang. Cependant, dans certains cas, ils peuvent être partiellement « cachés », rendant leur détection précise plus complexe. Des scientifiques ont étudié, avec une précision moléculaire, la manière dont les biomarqueurs interagissent avec les membranes lipidiques en utilisant la réflectométrie neutronique à l'ILL.
Les biomarqueurs : intérêt et défis
Un biomarqueur est une molécule biologique présente dans l'organisme (par exemple dans le sang ou les tissus) qui signale un processus particulier (normal ou anormal), une affection ou une maladie. Ces molécules peuvent être utilisées pour évaluer la réponse de l'organisme à un traitement. Les biomarqueurs sanguins jouent un rôle central dans la médecine moderne. En effet, ils permettent le diagnostic des maladies et le suivi thérapeutique de manière minimale invasive, via de simples analyses de sang. Certains biomarqueurs tumoraux et métaboliques sont analysés en routine dans la pratique clinique ; c'est le cas de l'alpha-fœtoprotéine (AFP) et de l'albumine sérique glyquée (gSA).
Cependant, détecter les biomarqueurs sanguins de manière fiable n'est pas toujours simple. Dans certains cas, les molécules de biomarqueurs peuvent se retrouver partiellement « cachées », ce qui les rend plus difficiles à détecter avec précision. Ce masquage peut se produire lorsque les biomarqueurs interagissent avec des assemblages lipidiques naturellement présents dans le sang, comme les lipoprotéines (des particules composées de lipides et de protéines circulant dans le sang ; le cholestérol et les triglycérides sont deux types de lipides présents dans ces lipoprotéines). Ces interactions sont critiques lorsque les patients ne sont pas à jeun avant leurs analyses de sang, car les taux de lipides et de lipoprotéines varient selon la consommation d'aliments.
Dans deux études publiées récemment, des scientifiques ont relevé ce défi en étudiant directement, avec une , la manière dont des biomarqueurs d'intérêt clinique interagissent avec les membranes lipidiques.
Pourquoi utiliser la réflectométrie neutronique ?
L'équipe a largement utilisé les deux réflectomètres à neutrons de l'ILL, D17 et FIGARO. La réflectométrie neutronique est une technique unique, car elle fournit des informations sur la structure des interfaces à l'échelle nanométrique. Elle permet en outre de localiser les protéines au sein d'architectures membranaires complexes sans perturber le système.
Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse de Beatrice Barletti, aujourd'hui chercheuse postdoctorale au LMGP (UGA). Le projet a été mené à l'ILL au sein du programme de doctorat InnovaXN, financé par l'Union européenne, qui fait le pont entre la recherche académique, les défis industriels et les grandes infrastructures de recherche. L'étude a mobilisé des chercheurs de l'Université Grenoble Alpes (UGA), du CNRS et de l'ILL, en collaboration avec le partenaire industriel Surgical Diagnostics Pty Ltd (Australie), une entreprise leader dans le développement de biocapteurs lipidiques. Des simulations de dynamique moléculaire complémentaires ont été effectuées avec des collaborateurs du centre de biochimie de l'Université de Heidelberg.
Les études se sont concentrées sur l'alpha-fœtoprotéine (AFP), un biomarqueur tumoral glycosylé impliqué dans le cancer du foie, et sur l'albumine sérique bovine glyquée (gBSA), un biomarqueur modèle pertinent pour le diabète de type 2 (en raison de sa similitude structurelle avec l'albumine sérique humaine, HSA, et de sa grande disponibilité commerciale, la BSA est une protéine modèle largement utilisée). Leur interaction avec des bicouches lipidiques de différentes compositions a été étudiée. Ces membranes artificielles ont été conçues pour reproduire les caractéristiques clés des membranes biologiques.
L'instrument FIGARO à l'ILL
La BSA native a été utilisée comme protéine de référence, permettant aux chercheurs de distinguer les effets de la composition lipidique (en comparant différentes compositions de couches de lipides) et ceux de la modification des protéines (en comparant la gBSA et la BSA) dans la modulation de l'interaction. Les expériences ont révélé que les interactions entre biomarqueurs et membranes dépendent fortement à la fois de la structure de la protéine et de la composition lipidique.
Plus précisément, l'AFP présente des interactions marquées avec les membranes chargées : elle reste adsorbée sur les bicouches chargées positivement, tandis qu'elle induit une perturbation significative dans les systèmes chargés négativement. De plus, une interaction notable a été observée avec les membranes contenant des nanodomaines lipidiques ordonnés. En revanche, la BSA native n'interagit de manière significative qu'avec les membranes chargées négativement. Le fait que cette interaction soit nettement accentuée chez la gBSA (c'est-à-dire par la glycation chimique de la BSA) apporte la preuve expérimentale directe que la glycation favorise la liaison aux lipides.
En apportant les premières preuves directes, à l'échelle nanostructurale, de la manière dont les modifications protéiques liées aux maladies influencent les interactions lipidiques, ces études démontrent la puissance des techniques neutroniques pour aborder des questions biomédicales complexes. Les résultats ouvrent la voie à l'amélioration des stratégies analytiques pour la détection des biomarqueurs du cancer et soutiennent le développement de biocapteurs lipidiques, avec un impact potentiel sur le diagnostic clinique et le suivi des maladies.
Membranes biologiques et réflectométrie neutronique
Toutes les formes de vie sont composées de cellules et d'organites entourés de membranes. Les principaux constituants de ces membranes sont les lipides — des molécules composées de « têtes » hydrophiles (qui aiment l'eau) et de « queues » hydrophobes (qui craignent l'eau). En présence d'eau, les lipides forment des structures sphériques creuses et fermées appelées vésicules. Les membranes sont des systèmes complexes qui contrôlent le mouvement des substances entrant dans la cellule et en sortant. Comprendre les interactions entre la membrane et les biomolécules, telles que les protéines, est fondamental pour la recherche biomédicale et pharmaceutique.
La double couche de lipides qui constitue la structure de base des membranes a tendance à former des îlots différenciés, ou nanodomaines, qui ne se mélangent pas facilement avec le reste de la membrane. Bien qu'il reste encore beaucoup à comprendre, on pense que les lipides sont essentiels au fonctionnement de la cellule. La surface externe de la membrane est composée des groupements de têtes de plusieurs lipides différents, qui peuvent être positifs, négatifs, neutres ou zwitterioniques (contenant à la fois des groupes chargés positivement et négativement, ce qui donne une charge globale neutre).
Les membranes cellulaires font environ cinq nanomètres d'épaisseur, ce qui rend leur étude détaillée à l'échelle atomique extrêmement difficile. La réflectométrie neutronique offre une solution pour mesurer la structure de ces couches ultra-fines. Des neutrons dits « froids », dont les longueurs d'onde sont comparables à celles des rayons X, sont parfaitement adaptés à cette tâche.
L'avantage des neutrons est qu'ils transportent une énergie cinétique très faible (quelques meV par rapport aux plusieurs keV des rayons X, évitant ainsi d'endommager la membrane pendant la mesure.
Étude approfondie
Les quatre graphiques sur la gauche présentent la distribution de la fraction volumique — une mesure de la concentration de protéines, de lipides et d'eau perpendiculairement à la membrane — à différentes distances de la surface pour l'alpha-fœtoprotéine (AFP) en interaction avec diverses compositions de membranes lipidiques. Ces diagrammes illustrent les modèles qui s'ajustent le mieux aux données expérimentales de réflectométrie neutronique, révélant des profils d'interaction distincts selon la composition lipidique des membranes (membranes zwitterioniques, membranes avec nanodomaines ordonnés, membranes chargées positivement et négativement, voir encadré ci-dessus). Les interactions observées vont de l'absence d'interaction à l'incorporation, l'adsorption, voire la perturbation de la structure de la bicouche lipidique. À droite, des captures de protéines issues de simulations de dynamique moléculaire (MD) représentent la structure de l'AFP, les domaines les plus impliqués dans l'interaction membranaire étant mis en évidence en bleu.
La réflectométrie neutronique a permis de mesurer expérimentalement la réflectivité(qui dépend du pouvoir de diffusion du matériau, lui-même lié à sa densité). Plusieurs modèles structurels, supposant différents arrangements spatiaux moyens de la protéine par rapport à la bicouche (voir schéma), ont ensuite été testés par rapport aux données expérimentales.
Réferences:
B. Barletti, N. Paracini, G. Fragneto, J.P. Alcaraz, A. Nelson, I. Vilgrain, D.K. Martin, and M. Maccarini, Glycation Enhances Protein Association with Lipid Bilayer Membranes, Langmuir (2025) 41, 31169−31178 (https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c03975)
B. Barletti, M. König, N. Paracini, G. Fragneto, J.P. Alcaraz, A. Nelson, I. Vilgrain, D.K. Martin, F. Lolicato, M. Maccarini, How lipid composition shapes the nanostructural interaction of tumor biomarker alpha-fetoprotein and bovine serum albumin with model membranes, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 708 (2026) 139753 (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139753)
Organismes ayant participé à la recherche : Université Grenoble Alpes, Centre national de la Recherche Scientifique (CNRS) , Surgical Diagnostics Pty Ltd, Heidelberg University Biochemistry Center