Si une tumeur réussit à s'implanter dans le cerveau d'un être vivant, elle l'a fait de manière particulièrement habile du point de vue de la tumeur. Elle s'est en effet cachée derrière l'une des barrières les plus puissantes que le corps utilise pour protéger ses organes les plus importants : la barrière hémato-encéphalique, un filtre très sélectif qui ne laisse passer que certaines substances. La majorité des médicaments n'appartiennent pas à cette catégorie, posant ainsi un grand défi à la médecine pour trouver une chimiothérapie efficace contre les tumeurs cérébrales.
Ces dernières années, la recherche médicale a trouvé un soutien prometteur : la nanotechnologie. Les matériaux à l'échelle nanométrique peuvent, pour ainsi dire, jouer le rôle de facteurs qui délivrent les substances actives à l'adresse souhaitée. Les nanoparticules étant incroyablement petites – environ 500 fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain – certaines parviennent à franchir les barrières protectrices du corps sans les endommager. En restant sur l'exemple de la tumeur cérébrale, les nanoparticules pourraient ainsi transporter des substances chimiothérapeutiques à travers la barrière hémato-encéphalique jusqu'au cerveau, où elles pourraient ensuite combattre la tumeur.
Recherche du nanomatériau approprié
Cependant, les nanoparticules doivent posséder des caractéristiques spécifiques en fonction de la
tâche à accomplir : selon la forme, la composition matérielle et la taille, elles se distribuent
différemment dans le corps et s'accumulent dans divers organes. Il est donc crucial de déterminer
quelles particules réalisent au mieux leur tâche sans causer de préjudices. Jusqu'à présent, les
chercheurs ont utilisé des modèles animaux, principalement des souris, pour répondre à ces
questions : ils administraient aux souris différents nanomatériaux, puis étudiaient comment ceux-ci se
distribuaient dans le corps de la souris et quels effets secondaires ils avaient. Ces études animales
ne sont non seulement onéreuses, longues et coûteuses, mais également problématiques d'un point
de vue éthique. La loi suisse sur la protection des animaux exige de limiter au strict nécessaire le
nombre d'expériences sur les animaux.
Souris IA avec un avantage décisif
La chercheuse Jimeng Wu de l'Empa, doctorante dans les départements «Nanomatériaux en santé»
et «Technologie et société», a donc développé une souris virtuelle avec laquelle ces tests peuvent
être réalisés beaucoup plus rapidement grâce à l'IA. Pour ce modèle pharmacocinétique basé sur la
physiologie (modèle PBPK), Wu a utilisé 18 études sur des souris comme base, comprenant les
données d'expériences de différents chercheurs sur de vraies souris. En complément, elle a intégré à
son modèle une méthode statistique, l'analyse bayésienne avec simulations de chaînes de Markov
Monte Carlo.
Le résultat est une souris virtuelle à laquelle on peut administrer des nanoparticules – virtuelles elles aussi. Le modèle calcule ensuite leur distribution dans le corps de la souris en fonction de leurs propriétés telles que 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 décisif : «Le modèle peut adapter ses paramètres aux propriétés mesurables de chaque nanoparticule», explique Jimeng Wu. Cet outil doit cette capacité au «modèle de régression linéaire multivarié», une approche d'apprentissage automatique.
Contribution au «Safe and
Sustainable by Design»
«Cet outil de screening basé sur l'IA permet aux chercheurs de tester virtuellement quel type de
nanoparticules convient le mieux pour une tâche déterminée, avant même de produire ces
particules», explique Jimeng Wu. Cela permet non seulement de gagner du temps, mais aussi des
coûts, en fournissant une aide à la décision avant le lancement d'une étude clinique coûteuse.
«Ainsi, le modèle contribue au concept de «Safe and Sustainable by Design» (SSbD), complète Peter Wick, qui encadre Jimeng Wu dans son doctorat avec son collègue Bernd Nowack. La souris virtuelle améliore la sécurité des nouveaux matériaux ou thérapies avant même leur développement. Cependant, le chercheur de l'Empa avertit que le jeu de données avec lequel le modèle a été jusqu'à présent formé est encore très limité : jusqu'à présent, seuls 18 articles évalués par des pairs ont été identifiés dont la qualité des données était suffisante. «Dans de nombreuses études, les caractéristiques des nanoparticules utilisées ne sont pas suffisamment décrites», remarque-t-il. Il s'agit désormais d'enrichir et de vérifier la souris virtuelle avec des données d'études supplémentaires pour augmenter la fiabilité des prédictions. «Notre objectif à long terme est de raccourcir le développement de matériaux nanomédicinaux jusqu'à leur application en tant que médicament au patient, tout en limitant autant que possible le recours aux expériences sur les animaux», souligne-t-il.
Rendre le modèle utilisable pour la recherche humaine
Le futur travail de recherche de Jimeng Wu se concentrera également sur une «stratégie de
pontage» afin de transférer le principe de son modèle in silico à la recherche humaine. À cette fin,
elle envisage d'intégrer les principes de la souris virtuelle dans un modèle PBPK humain.
Contrairement à sa souris IA, qui calcule uniquement la distribution des nanoparticules dans le foie,
les reins, les poumons et la rate, un modèle in silico humain pourrait également être utilisé pour
examiner des organes cibles sensibles – par exemple, pour étudier dans quelle mesure certaines
nanoparticules peuvent franchir la barrière hémato-encéphalique. Ainsi, la tumeur cérébrale
mentionnée en introduction ne devrait plus se sentir en sécurité derrière cette barrière – les
nanoparticules pourraient lui apporter, en tant que «facteurs», un paquet contenant une dose ciblée
de chimiothérapie.
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