Jumeau numérique des poumons : quels bénéfices pour la médecine de demain ?

Nous avons tous dû voir pas­ser, dans nos manuels de bio­lo­gie, le sché­ma d’un pou­mon. Avec ces dif­fé­rents sché­mas, nous avons pu apprendre le fonc­tion­ne­ment de celui-ci. Pour autant, ce sché­ma inani­mé ne peut mon­trer l’activité de l’organe d’un indi­vi­du en par­ti­cu­lier, ce n’est qu’un modèle géné­rique. Aujourd’hui, par la numé­ri­sa­tion de ces modèles, il est pos­sible d’y inté­grer les don­nées tra­dui­sant cette acti­vi­té. Ain­si, les varia­bi­li­tés entre les indi­vi­dus sont prises en compte grâce à un modèle per­son­na­li­sé. Ce modèle, qui, par défi­ni­tion, est plus pré­cis, s’appelle un jumeau numérique. 

Un jumeau numé­rique est la numé­ri­sa­tion d’un objet et de son envi­ron­ne­ment, qui se veut fidèle à leurs carac­té­ris­tiques phy­siques. Il per­met ain­si de simu­ler le com­por­te­ment réel d’un objet dans un envi­ron­ne­ment vir­tuel. C‘est un modèle qui pro­pose une telle per­son­na­li­sa­tion de la ver­sion numé­ri­sée de l’objet qu’il en revient presque à étu­dier sa ver­sion réelle. 

L’idée est de se diri­ger vers des modèles de plus en plus fins, tout en sachant qu’aucun modèle n’est infi­ni­ment fin. 

Ce type de simu­la­tion numé­rique est uti­li­sé dans de nom­breux domaines d’ingénierie. Et il n’est pas dif­fi­cile d’imaginer que le modèle si spé­ci­fique d’un objet peut être utile au domaine de la san­té. Car, fina­le­ment, lorsqu’un objet se résume àun ensemble d’équations cor­res­pon­dant à ses carac­té­ris­tiques phy­siques, tout peut être numé­ri­sé, même l’organe d’un être vivant. Mar­tin Genet, cher­cheur en bio­mé­ca­nique, et plu­sieurs col­lègues de l’équipe de recherche MΞDISIM au Labo­ra­toire de Méca­nique des Solides (LMS*) de l’École poly­tech­nique¹, tra­vaillent sur la modé­li­sa­tion per­son­na­li­sée des pou­mons pour étu­dier la fibrose pul­mo­naire idio­pa­thique. Ils ont en tête l’hypothèse que le pro­ces­sus méca­nique de la res­pi­ra­tion pour­rait favo­ri­ser l’apparition et le déve­lop­pe­ment de la mala­die — une sorte de cercle vicieux méca­nique. Ces recherches sont faites dans l’optique de four­nir aux méde­cins un type d’outils faci­li­tant autant le diag­nos­tic que la prise en charge du patient. 

Tout d’abord, il faut com­men­cer par le modèle géné­rique de l’organe ciblé. Dans le cas de Mar­tin Genet, il s’agit du pou­mon. Ensuite, sur cette base, cer­taines infor­ma­tions spé­ci­fiques au patient sont appli­quées afin de per­son­na­li­ser le modèle géné­rique. Le but : créer un modèle numé­rique qui cor­res­pond le « plus pos­sible » à l’organe à étu­dier. « L’idée est de se diri­ger vers des modèles de plus en plus fins, tout en sachant qu’aucun modèle n’est infi­ni­ment fin, insiste le cher­cheur. Un jumeau numé­rique est donc un modèle per­son­na­li­sé inté­grant les don­nées spé­ci­fiques à un patient. »

Même si obte­nir une simu­la­tion par­faite semble impos­sible, Mar­tin Genet rap­pelle que la per­fec­tion n’est pas néces­saire pour tirer des infor­ma­tions médi­cales per­ti­nentes. « Le modèle par­fait n’existe pas. Un jumeau numé­rique reste un modèle, une approxi­ma­tion du réel. On ne peut donc pas repro­duire toutes les expé­riences pos­sibles sur une chose réelle,admet-il. Mais une mala­die don­née est liée à un cer­tain nombre de pro­ces­sus phy­siques, chi­miques, méca­niques. Ain­si, pour mieux com­prendre la mala­die, et in fine mieux la trai­ter, il faut évi­dem­ment prendre en compte ces pro­ces­sus, mais il est inutile de com­prendre tous les phé­no­mènes phy­si­co-chi­miques qui ont eu lieu dans la vie du patient », insiste-t-il.

En ce qui concerne les recherches de Mar­tin Genet et l’équipe MΞDISIM, la mala­die en ques­tion est la fibrose pul­mo­naire – une mala­die for­te­ment liée à la méca­nique du tis­su, qui cor­res­pond notam­ment à une sur­pro­duc­tion de col­la­gène dans le tis­su pul­mo­naire. Comme le col­la­gène est rigide, une pré­sence trop impor­tante a pour effet de rigi­di­fier le tis­su. Une per­sonne ayant du col­la­gène en excès fini­ra par for­cer sa res­pi­ra­tion, ce qui aggra­ve­rait à son tour la mala­die. « C’est l’aspect fon­da­men­tal de notre recherche, explique Mar­tin Genet. Éta­blir si les contraintes méca­niques ont ten­dance à favo­ri­ser l’apparition et/ou l’évolution de la mala­die, et donc si l’hypothèse de ce cercle vicieux est valable. »

La modé­li­sa­tion per­son­na­li­sée per­met éga­le­ment d’aller plus loin dans le diag­nos­tic, notam­ment pour la clas­si­fi­ca­tion poten­tielle du type de fibrose dont le patient est atteint, ou sim­ple­ment dans le sui­vi, et l’optimisation, des trai­te­ments à lui admi­nis­trer. Pour cela, à nou­veau, il est inutile de connaître toute la vie du patient en ques­tion. Il pour­rait suf­fire de se foca­li­ser sur un aspect de la mala­die, comme la rigi­di­fi­ca­tion du tis­su. D’autant que, aujourd’hui, « des jumeaux numé­riques de tis­sus vivants sont déve­lop­pés : ils décrivent jusqu’à l’interaction d’une molé­cule de médi­ca­ment avec un sous-réseau d’une molé­cule d’ADN. » Et tout cela de manière non-invasive.

Les méde­cins sont très deman­deurs de ce type d’outils car aujourd’hui, il existe très peu d’outils per­for­mants pour ce type de maladie.

La suite : le diag­nos­tic médi­cal – bien qu’au stade de la recherche il soit plus judi­cieux de par­ler de clas­si­fi­ca­tion de la mala­die. « Par­mi tous les types de fibroses pul­mo­naires, serons-nous capables de clas­si­fier, de manière quan­ti­ta­tive et objec­tive, celle dont est atteint le patient en ques­tion ? », se demande le cher­cheur. Si l’équipe MΞDISIM y par­vient, le méde­cin n’aura plus qu’à voir le com­por­te­ment du pou­mon numé­rique pour déter­mi­ner le trai­te­ment adéquat. 

De plus, un tel outil a éga­le­ment une mul­ti­tude d’autres inté­rêts en san­té, et les pro­fes­sion­nels de ce domaine en sont conscients. « Les méde­cins sont très deman­deurs de ce type d’outils d’ingénierie bio­mé­di­cale, ajoute Mar­tin Genet. Ces outils ont voca­tion à faci­li­ter le tra­vail du méde­cin. » Car aujourd’hui, il existe très peu d’outils per­for­mants pour ce type de mala­die. D’autant que, si cet « aspect fon­da­men­tal » de la recherche venait à vali­der cette « hypo­thèse du cercle vicieux », un jumeau numé­rique don­ne­rait une pos­si­bi­li­té au méde­cin de pré­dire le poten­tiel déve­lop­pe­ment d’une fibrose chez un patient, et donc, pour­quoi pas, d’essayer de la prévenir.

Enfin, un des inté­rêts majeurs du jumeau numé­rique en matière de san­té repose sur la pos­si­bi­li­té d’optimiser les trai­te­ments admi­nis­trés. Notre propre organe peut être modé­li­sé dans une simu­la­tion qui repro­duit son fonc­tion­ne­ment et son inter­ac­tion avec d’autres élé­ments, eux-mêmes modé­li­sés. Il suf­fit alors qu’un de ces élé­ments soit le médi­ca­ment à admi­nis­trer : l’influence chi­mique sur l’organe en ques­tion peut être simu­lée. Ain­si, ce jumeau numé­rique de notre organe don­ne­ra une indi­ca­tion quan­ti­ta­tive au méde­cin de l’efficacité du trai­te­ment à pres­crire (anti-fibro­sant, anti-inflam­ma­toire…) tout en lui per­met­tant de réa­li­ser un sui­vi quan­ti­ta­tif de ce traitement. 

« Nous espé­rons pou­voir décrire, par le modèle, l’évolution de la mala­die, syn­thé­tise le cher­cheur. Pour, ensuite, opti­mi­ser et auto­ma­ti­ser cet outil au maxi­mum, afin qu’il soit uti­li­sable en cli­nique faci­le­ment. Le rêve serait que l’outil soit direc­te­ment inté­gré dans les pipe­lines logi­ciels de l’hôpital. »

Pablo Andres