Si une tumeur parvient à s'installer dans le cerveau d'un être vivant, elle a réussi – du point de vue de la tumeur – un coup de maître. Elle s'est en effet cachée derrière l'une des barrières les plus puissantes que le corps utilise pour protéger ses organes vitaux : la barrière hémato-encéphalique, un filtre très sélectif qui permet seulement à des substances choisies de passer. La plupart des médicaments n'en font pas partie. C'est pourquoi pour la médecine, trouver une chimiothérapie efficace contre les tumeurs cérébrales est un défi de taille.
Ces dernières années, la recherche médicale a trouvé un allié prometteur : la nanotechnologie. Les matériaux à l'échelle nanométrique peuvent, pour ainsi dire, jouer le rôle de facteurs de messagerie, livrant des agents thérapeutiques à l'adresse souhaitée. Comme les nanoparticules sont incroyablement petites – environ 500 fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain – certaines arrivent à franchir les barrières de protection du corps sans les endommager. Pour reprendre l'exemple de la tumeur cérébrale : les nanoparticules pourraient transporter des agents chimiothérapeutiques à travers la barrière hémato-encéphalique vers le cerveau, où ils pourraient ensuite combattre la tumeur cérébrale.
Recherche du nanomatériau adéquat
Cependant, les nanoparticules doivent posséder des caractéristiques bien précises selon la tâche
qu'elles doivent accomplir : en fonction de la forme, de la composition matérielle et de la taille, elles
se distribuent différemment dans le corps et s'accumulent dans différents organes. Il est donc
essentiel de déterminer lesquelles peuvent remplir leur mission de manière optimale tout en
minimisant les dommages. Jusqu'à présent, les chercheurs ont utilisé des modèles animaux,
principalement des souris, pour répondre à ces questions : ils administraient divers nanomatériaux à
des souris et étudiaient ensuite leur répartition dans le corps de la souris et les effets secondaires
éventuels. Ces études animales sont cependant non seulement coûteuses et longues, mais aussi
problématiques d'un point de vue éthique. Ce n'est pas sans raison que la loi suisse sur la protection
des animaux exige de limiter au minimum nécessaire le nombre d'expérimentations animales
utilisées.
Souris IA avec un avantage décisif
La chercheuse de l'Empa, Jimeng Wu, doctorante dans les départements «Nanomaterials in Health »
et « Technology and Society », a donc développé une souris virtuelle avec laquelle ces tests peuvent
être réalisés de manière beaucoup plus efficace grâce à l'IA. Pour ce modèle pharmacocinétique
physiologiquement basé (modèle PBPK), Wu a pris comme base 18 études sur des souris, soit des
données issues d'expériences réalisées par différents groupes de recherche sur de «vraies» souris.
Elle a également intégré dans son modèle une méthode statistique, l'analyse bayésienne avec des
simulations de chaînes de Markov.
Le résultat est une souris virtuelle à laquelle on peut administrer – virtuellement – des nanoparticules. Le modèle calcule ensuite leur distribution dans le corps de la souris en fonction de leurs propriétés comme la taille, le revêtement et la charge de surface. Par rapport à un modèle PBPK traditionnel, qui est calibré pour une seule substance, la souris IA de Wu a un avantage déterminant : « Le modèle peut ajuster ses paramètres aux propriétés mesurables de chaque nanoparticule », explique Jimeng Wu. Cette capacité, l'outil la doit au «modèle de régression linéaire multivarié», une approche de l'apprentissage automatique.
Contribution à «Safe and Sustainable by Design»
«Cet outil de dépistage supporté par l'IA permet aux chercheurs de tester virtuellement quel type de
nanoparticule est le plus approprié pour une tâche donnée, avant même de fabriquer ces particules »,
poursuit Jimeng Wu. Cela économise non seulement du temps, mais aussi des coûts, car cela offre
une aide à la décision avant de lancer une étude clinique coûteuse.
«Ainsi, le modèle contribue au concept de «Safe and Sustainable by Design» (SSbD), ajoute Peter Wick, qui encadre Jimeng Wu avec son collègue Bernd Nowack. Car la souris virtuelle augmente la sécurité des nouveaux matériaux ou thérapies avant même leur développement. Cependant, le chercheur de l'Empa souligne que l'ensemble de données avec lequel le modèle a été entraîné jusqu'à présent est encore très restreint : jusqu'à présent, seuls 18 articles évalués par des pairs ont été trouvés, dont la qualité des données était suffisante. «Dans de nombreuses études, les propriétés des nanoparticules utilisées ne sont pas suffisamment décrites», note-t-il. Il est maintenant nécessaire d'alimenter et de vérifier la souris virtuelle avec des données d'études supplémentaires pour améliorer la fiabilité des prédictions. «Notre objectif final est de raccourcir le processus de développement des matériaux nanomédicinaux jusqu'à leur utilisation en tant que médicament sur le patient, tout en pouvant se passer d’expérimentations animales autant que possible», insiste-t-il.
Rendre le modèle
utilisable pour la recherche humaine
Les futures recherches de Jimeng Wu se concentreront également sur une stratégie dite «de
pontage» pour transférer le principe de son modèle in silico à la recherche humaine. Pour ce faire,
elle prévoit d'incorporer les principes de la souris virtuelle dans un modèle PBPK humain.
Contrairement à sa souris IA, qui ne calcule que la distribution des nanoparticules dans le foie, les
reins, les poumons et la rate, un modèle humain in silico pourrait également être utilisé pour étudier
des organes cibles sensibles – par exemple, pour explorer dans quelle mesure certaines
nanoparticules peuvent franchir la barrière hémato-encéphalique. La tumeur cérébrale mentionnée au
début ne devrait alors plus se sentir en sécurité derrière cette barrière – les nanoparticules pourraient
lui livrer un colis contenant une dose ciblée de chimiothérapie en jouant le rôle de facteurs de
messagerie.
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