Des scientifiques exploitent l’IA, 40 000 films cellulaires et des jumeaux numériques pour évaluer l’impact des médicaments sur la fonction cellulaire.

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            <p>Crédit photo : UC San Diego Health Sciences</p>
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Mitochondries : au-delà d’une simple source d’énergie

Les mitochondries ont souvent été décrites dans les manuels scolaires comme de petites structures en forme de haricot se déplaçant à l’intérieur des cellules. En réalité, leur fonctionnement est bien plus complexe : elles agissent tels un réseau énergétique dynamique, fusionnant, se divisant et se déplaçant constamment vers les endroits où l’énergie est nécessaire. Ce comportement incessant a rendu leur étude à grande échelle particulièrement difficile. Cependant, une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à San Diego explore comment l’intelligence artificielle et les “jumeaux numériques” de cellules vivantes pourraient transfigurer cette situation.

Les avancées dans l’étude des mitochondries

L’étude s’est centré sur la création de deux systèmes virtuels qui mesurent l’évolution des réseaux mitochondriaux. Les scientifiques ont utilisé la microscopie à feuille de lumière en 4D, qui permet de suivre les mitochondries et d’autres structures cellulaires en mouvement dans un espace tridimensionnel au fil du temps. Grâce à ces mesures, ils ont pu développer un modèle d’IA prédisant la santé des cellules en se basant sur la forme des mitochondries, ainsi qu’un modèle basé sur la physique agissant comme jumeau numérique d’une cellule vivante.

Pour créer MitoSpace, l’équipe a compilé 40 000 films en 4D issus de cellules uniques, après avoir traité des cellules cancéreuses avec 25 composés perturbant les mitochondries de différentes manières. Plutôt que de nécessiter une intervention manuelle pour trier et étiqueter chaque image, le système a réussi à détecter de lui-même des schémas. Les chercheurs ont noté qu’il pouvait catégoriser les cellules en fonction de leur réponse aux médicaments sans indication préalable sur le traitement spécifique reçu par chaque cellule. Ces travaux, publiés dans la revue Cell, ouvrent la voie à une approche plus rapide pour évaluer l’impact des médicaments sur les fonctions cellulaires.

Une révolution dans la recherche biomédicale

Les mitochondries jouent un rôle clé qui dépasse la seule production d’énergie. En changeant de forme, elles peuvent indiquer si une cellule est saine, stressée ou endommagée. C’est pour cette raison que les chercheurs s’en servent comme marqueurs dans l’étude de diverses maladies, y compris le cancer, le diabète, Alzheimer et les troubles mitochondriaux chez l’enfant.

Un des grands défis des techniques d’imagerie traditionnelles est qu’elles se limitent souvent à capturer une seule image plate, négligeant les changements continus des réseaux mitochondriaux, qui peuvent pourtant présenter des informations cruciales sur la fonction cellulaire et la réponse au traitement. En transformant ces structures mobiles en modèles virtuels, les scientifiques pourraient tester diverses hypothèses plus efficacement avant de passer à des travaux en laboratoire, souvent plus longs et coûteux.

Utilisation des outils numériques

Les chercheurs ont mis au point deux outils distincts : MitoSpace, un système d’apprentissage profond qui évalue la santé cellulaire en interprétant la forme mitochondriale, et un jumeau numérique de règles qui modélise le comportement des organites à l’intérieur d’une cellule réelle. Lors des tests de médicaments dans ces simulations, les réseaux mitochondriaux virtuels ont réagi de manière similaire à ceux des cellules vivantes. Cela laisse entendre que certaines étapes préliminaires de recherche pourraient être réalisées in silico avant de passer aux essais en laboratoire.

Si cette méthode s’avère fiable au fil du temps, elle pourrait alléger certaines des phases les plus laborieuses de la recherche de médicaments. Cela pourrait s’avérer particulièrement utile pour des maladies liées à des dysfonctionnements mitochondriaux où de nombreux composés doivent être examinés rapidement.

Un outil à l’horizon

Cette avancée représente principalement un outil de recherche, et non une technologie destinée au grand public. Des techniques comme celles-ci peuvent aider les scientifiques à analyser plus rapidement et avec davantage de détails biologiques les candidats médicaments, dépassant les limites des images statiques. En utilisant les 40 000 films de cellules, l’équipe a élaboré une carte regroupant les cellules ayant des réponses médicamenteuses similaires, offrant ainsi une nouvelle perspective sur ce qui se passe à l’intérieur des cellules.

FAQ

Qu’est-ce que MitoSpace ?

MitoSpace est un système d’apprentissage profond développé pour interpréter la forme des mitochondries comme un indicateur de la santé cellulaire.

Comment la microscopie à feuille de lumière en 4D aide-t-elle les chercheurs ?

Cette technique permet de suivre le mouvement des mitochondries et d’autres structures cellulaires en temps réel, offrant une compréhension dynamique de leur comportement.

Pourquoi est-il important de comprendre la forme des mitochondries ?

La forme des mitochondries peut indiquer l’état de santé d’une cellule, permettant aux chercheurs de mieux comprendre des problèmes tels que le stress cellulaire ou les maladies.

Les modèles numériques remplacent-ils les expériences en laboratoire ?

Non, ces outils numériques visent à compléter et à accélérer la recherche en permettant des tests préliminaires avant les expériences en laboratoire.

Quelles maladies peuvent bénéficier de ces recherches ?

Des maladies comme le cancer, le diabète, Alzheimer et les troubles mitochondriaux chez les enfants pourraient bénéficier de ces nouvelles méthodes d’étude des cellules.