Le vieillissement érode 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 de freiner leur déclin et de leur rendre leur fonction d'origine.

Une équipe de scientifiques à Barcelone a développé 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 contient des informations qui permettent 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 neuronaux convolutionnels à des images 3D de noyaux de cellules souches de souris (source en espagnol). ChromAgeNet s'appuie sur des réseaux neuronaux pour décoder le vieillissement de l'ADN. L'IA permet de détecter des variations structurelles subtiles qui restent imperceptibles à 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 brise cette barrière 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 le DAPI, une coloration standard et peu coûteuse.

En outre, ChromAgeNet se distingue par le fait qu'il s'agit d'une IA explicable, ce qui permet d'identifier quelles caractéristiques des images contribuent à ses prédictions. Ces analyses ont mis en évidence, entre autres régions, des changements à la périphérie du noyau associés au vieillissement.

Les analyses ont montré que la chromatine est compacte et organisée aux bords du noyau des cellules jeunes, tandis que chez les cellules âgées elle apparaît dispersée. À titre de preuve de concept, l'outil évalue la manière dont certains médicaments épigénétiques (source en espagnol) induisent des modifications de l'organisation de la chromatine compatibles avec des schémas plus proches de ceux observés dans les cellules jeunes, ce qui montre 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

Concernant les applications pratiques que pourrait avoir cette recherche, la docteure Maria Carolina Florian, chercheuse principale à l'Institut de recherche biomédique de Bellvitge (IDIBELL), explique à 'Euronews' : "Actuellement, nous avons développé un outil qui fonctionne comme preuve de concept sur des cellules souches hématopoïétiques murines. Nous travaillons maintenant à l'optimiser et à l'adapter à des cellules souches humaines, avec l'espoir de l'utiliser pour évaluer de nouveaux médicaments susceptibles d'agir sur l'architecture nucléaire et de servir à rajeunir des cellules souches vieillies".

Maria Carolina Florian précise à 'Euronews' que ce travail "a trouvé le terrain idéal pour devenir un outil concret grâce à l'expérience de la Dre Paula Petrone (BSC et ISGlobal). Nous prévoyons de poursuivre son développement et de l'élargir à une utilisation sur des cellules souches humaines. De plus, nous demandons davantage de financements à l'Union européenne (UE) et nous cherchons à 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 "montre qu'un algorithme d'apprentissage profond peut faire la distinction entre des cellules souches jeunes et âgées grâce à l'analyse d'images de noyaux cellulaires colorés avec une substance peu coûteuse appelée DAPI".

Des cartes 3D et du code ouvert pour rajeunir l'architecture cellulaire

La cartographie interne du noyau cellulaire révèle une signature sans équivoque : dans la jeunesse, la chromatine se retranche de façon compacte aux bords du noyau ; avec les années, cette architecture se désorganise. Identifier ces schémas pourrait aider à étudier la détérioration des cellules souches sanguines et à évaluer des stratégies possibles capables de régénérer le tissu hématopoïétique et d'entraîner 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 différents médicaments épigénétiques. L'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 le code de l'outil et une base de données publique contenant des images 3D de cellules souches accessibles, avec pour objectif de trouver des médicaments qui renforcent le système immunitaire et la qualité de vie à un âge avancé.

De nombreuses études internationales confirment le rôle fondamental 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 aujourd'hui : 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 ciblés par des 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.

Pour Paula Petrone, "à l'avenir, cette technique pourrait être utilisée pour le criblage de nouveaux médicaments à 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", assure-t-elle à 'Euronews'.

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 à 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 être très prudents pour ne pas surestimer nos résultats. Ces nouvelles technologies mettent des années à se développer, à être validées et, éventuellement, à atteindre la clinique. Notre recherche n'apporte qu'une pierre à l'édifice de l'étude de la façon dont nous vieillissons et de la recherche de stratégies susceptibles de favoriser un vieillissement sain".