Un avatar numérique des poumons

La médecine n’est pas qu’une his­toire de médica­ments et la per­son­nal­i­sa­tion n’est pas seule­ment de nature géné­tique. Dans l’équipe MΞDISIM (Inria/Institut Poly­tech­nique), c’est la bio­mé­canique des tis­sus malades que les chercheurs analy­sent. L’objectif ? Créer des mod­èles numériques des organes des patients pour mieux ori­en­ter leur traitement.

« Le poumon se déforme quand on respire, il dou­ble même de vol­ume, rap­pelle en intro­duc­tion Cécile Pat­te, qui vient de soutenir sa thèse au sein du MΞDISIM. Cette défor­ma­tion dépend de pro­priétés mécaniques comme l’élasticité. » La jeune chercheuse a ain­si dévelop­pé un mod­èle numérique du poumon afin d’aider les médecins de l’Hôpital Avi­cenne, à Bobigny, à mieux car­ac­téris­er les pro­priétés indi­vidu­elles des patients souf­frant de fibrose pul­monaire idiopathique.

Cette mal­adie est car­ac­térisée par la for­ma­tion de cica­tri­ces dans les poumons, ce qui rigid­i­fie l’organe. Cette dégra­da­tion tis­su­laire entrave le pas­sage de l’oxygène dans le sang, entraî­nant une insuff­i­sance res­pi­ra­toire mortelle, seule­ment 2 à 5 ans après l’apparition de la mal­adie. Or la forme, la porosité ini­tiale et les pro­priétés mécaniques de l’organe ne sont pas les mêmes chez tout le monde.

« Pour répon­dre à une ques­tion générale, il suf­fit d’avoir un mod­èle moyen de l’organe, qui reprend les valeurs moyennes de ses pro­priétés mécaniques. Mais pour pro­pos­er une approche per­son­nal­isée, il faut créer un avatar de l’organe du patient », pré­cise Cécile Pat­te. Et pour cela, il faut des données.

« La dif­fi­culté, c’est que nous voulons tra­vailler à par­tir de don­nées déjà disponibles. Nous n’al­lons pas impos­er des gestes invasifs sup­plé­men­taires aux patients pour créer un avatar » explique la chercheuse, lau­réate 2020 du prix Pour les femmes et la sci­ence de la Fon­da­tion L’Oréal et de l’UNESCO. Il s’agit donc de con­stru­ire des mod­èles en s’appuyant sur les infor­ma­tions pro­duites habituelle­ment par le par­cours de soin du patient. Et les exa­m­ens vari­ent selon le type de patholo­gie et l’organe. Pour le cœur, ce sont des mesures de pres­sion ou d’électrophysiologie. Pour le poumon, il s’agit surtout de don­nées d’imagerie, de radi­ogra­phies ou de scan­ners. « Si on avait accès à la pres­sion pleu­rale, par exem­ple, ce serait un gain de pré­ci­sion. Mais c’est une mesure trop inva­sive », admet Cécile Patte.

Les infor­ma­tions spé­ci­fiques d’un patient vont venir nour­rir l’avatar numérique. Il per­met alors de pouss­er le diag­nos­tic un cran plus loin : pour quan­ti­fi­er les paramètres mécaniques, pour tester des hypothès­es thérapeu­tiques ou encore prédire le pronos­tic. « On peut imag­in­er que ces infor­ma­tions aideront les médecins à mieux diag­nos­ti­quer la mal­adie et à ori­en­ter le patient vers une stratégie médica­menteuse ou une trans­plan­ta­tion », analyse-t-elle.

Pour l’instant, ce logi­ciel de sim­u­la­tion per­son­nal­isée n’est qu’un objet de recherche, une preuve de con­cept. Beau­coup de tra­vail doit encore être réal­isé afin de le trans­former en « dis­posi­tif médi­cal », un sys­tème d’aide à la déci­sion médi­cale soumis, à un envi­ron­nement régle­men­taire exigeant via le mar­quage de fab­ri­ca­tion tech­nique européen (CE), par exem­ple. Or, le logi­ciel de sim­u­la­tion du poumon de Cécile Pat­te n’a été appliqué qu’à qua­tre patients lorsque nous écrivons cet arti­cle. « Pour traiter les don­nées d’un patient, en puisant sa puis­sance de cal­cul sur un clus­ter de lab­o­ra­toire, notre logi­ciel exige aujourd’hui deux voire trois jours à temps plein… », admet la chercheuse. Pour être com­pat­i­ble avec la pra­tique clin­ique, ce temps devra être raccourci.

Le poumon n’est pas le seul organe mod­élisé au sein de l’équipe. Le cœur fait égale­ment l’objet de nom­breux travaux, avec des appli­ca­tions clin­iques mul­ti­ples en col­lab­o­ra­tion étroite avec dif­férents hôpi­taux. Il s’agit de représen­ter le cœur dans ses dif­férentes dimen­sions physiques, con­trac­tile et élec­trique. De tels mod­èles car­diaques per­son­nal­isés per­me­t­tront par exem­ple, de tester un traite­ment sur un ordi­na­teur, notam­ment en cas d’insuffisance car­diaque, et de prédire ain­si si le patient répon­dra ou non.

MΞDISIM a égale­ment conçu un out­il pour le suivi en temps réel du sys­tème car­dio­vas­cu­laire pen­dant l’anesthésie, Anaes­tAs­sist. Le logi­ciel représente en temps réel la phys­i­olo­gie car­dio­vas­cu­laire du patient afin d’anticiper les effets de l’anesthésie et d’accompagner le médecin dans cette procédure.

D’autres lab­o­ra­toires à tra­vers le monde pré­par­ent, eux, des mod­èles de la cir­cu­la­tion san­guine, des os, des reins, etc. « Avec cette per­spec­tive, tous les organes peu­vent être étudiés », estime Cécile Patte.

Il n’est pas impos­si­ble qu’à terme nous puis­sions com­bin­er tous ces mod­èles afin de représen­ter les effets sys­témiques, de créer un véri­ta­ble dou­ble numérique qui nous accom­pa­g­n­era et par­ticipera à la prise en charge per­son­nal­isée de nos traite­ments. L’idée séduit même des indus­triels. Das­sault Sys­tèmes, par exem­ple, a com­mencé à inve­stir. Il pro­pose sa plate­forme 3DEXPERIENCE aux fab­ri­cants de dis­posi­tifs médi­caux pour les aider à opti­miser leur développe­ment. Une pre­mière étape, sans doute.