Moins d'expériences animales grâce à la souris virtuelle

Lorsqu'une tumeur a réussi à s'installer dans le cerveau d'un être vivant, elle a, du point de vue de la tumeur, agi de manière particulièrement habile. Elle s'est cachée derrière l'une des barrières les plus puissantes par lesquelles le corps protège ses organes les plus importants : la barrière hémato- encéphalique, un filtre très sélectif qui ne laisse passer que certaines substances. La plupart des médicaments n'en font pas partie. Pour la médecine, c'est donc un défi majeur de trouver une chimiothérapie efficace contre les tumeurs cérébrales.

Ces dernières années, la recherche médicale a trouvé un allié prometteur : la nanotechnologie. Les matériaux au nanomètre peuvent, au sens figuré, jouer le rôle de facteurs postaux, livrant les principes actifs à l'adresse souhaitée. Comme les nanoparticules sont incroyablement petites - environ 500 fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain - certaines réussissent à passer les barrières protectrices du corps sans les endommager. Pour en revenir au cas de la tumeur cérébrale, les nanoparticules pourraient donc transporter des agents chimiothérapeutiques à travers la barrière hémato-encéphalique jusqu'au cerveau, où elles pourraient combattre la tumeur.

Recherche du nanomatériau adéquat
Cependant, les nanoparticules doivent avoir des propriétés spécifiques selon la tâche qu'elles doivent accomplir : selon leur forme, leur composition matérielle et leur taille, elles se répartissent différemment dans le corps et s'accumulent dans divers organes. Il est donc crucial de déterminer quelles particules accomplissent au mieux leur tâche tout en causant le moins de dommages possible. Jusqu'à présent, les chercheurs ont utilisé des modèles animaux, principalement des souris, pour répondre à ces questions : ils ont administré divers nanomatériaux à des souris et ont ensuite étudié comment ceux-ci se répartissaient dans le corps de la souris et quels effets secondaires ils avaient. Ces études animales ne sont cependant pas seulement complexes, longues et coûteuses, mais aussi problématiques d'un point de vue éthique. Ce n'est pas pour rien que la loi suisse sur la protection des animaux exige que le nombre d'expériences animales soit réduit au strict minimum nécessaire.

Une souris IA avec un avantage décisif
Jimeng Wu, chercheuse à l'Empa et doctorante dans les départements «Nanomatériaux en santé» et «Technologie et société», a donc développé une souris virtuelle sur laquelle ces tests peuvent être effectués beaucoup plus rapidement à l'aide de l'IA. Pour ce modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie (modèle PBPK), Wu s'est appuyée sur 18 études sur des souris, c'est-à-dire des données provenant de divers essais menés sur des souris «réelles» par différentes équipes de recherche. Elle a également intégré dans son modèle une méthode statistique, l'analyse bayésienne avec des simulations de chaînes de Markov Monte Carlo.

Le résultat est une souris virtuelle à qui l'on peut administrer - également virtuellement - des nanoparticules. Le modèle calcule alors 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 à la fois, la souris IA de Wu présente un avantage décisif : «Le modèle peut adapter ses paramètres aux propriétés mesurables de chaque nanoparticule», explique Jimeng Wu. Cette capacité, l'outil la doit au «modèle de régression linéaire multivariée», une approche de l'apprentissage automatique.

Contribution à «Sécuritaire et Durable par Conception»
«Cet outil de criblage basé sur l'IA permet aux chercheurs de tester virtuellement quels types de nanoparticules conviennent le mieux à une tâche donnée, avant même de fabriquer ces particules», poursuit Jimeng Wu. Cela permet non seulement de gagner du temps, mais aussi de réduire les coûts, car il aide à prendre des décisions avant de lancer une étude clinique coûteuse.

«Ainsi, le modèle contribue au concept de «Sécuritaire et Durable par Conception» (SSbD), ajoute Peter Wick, qui accompagne Jimeng Wu avec son collègue Bernd Nowack dans son doctorat. En effet, la souris virtuelle augmente la sécurité des nouveaux matériaux ou thérapies avant même leur développement. Cependant, le chercheur de l'Empa souligne que le jeu de données avec lequel le modèle a été formé jusqu'à présent est encore très petit : jusqu'à présent, seulement 18 articles évalués par des pairs possédaient la qualité de données requise. «Dans de nombreuses études, les propriétés des nanoparticules utilisées ne sont pas suffisamment décrites», note-t-il. Il est donc crucial d'alimenter et de vérifier la souris virtuelle avec des données d'étude supplémentaires pour améliorer encore la fiabilité des prévisions. «Notre objectif à long terme est de raccourcir le processus de développement des matériaux nanomédicinaux jusqu'à leur application en tant que médicament chez les patients, tout en évitant autant que possible les expériences animales», souligne-t-il.

Rendre le modèle utilisable pour la recherche humaine
Les futurs travaux de recherche 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 cela, elle prévoit d'intégrer les principes de la souris virtuelle dans un modèle PBPK humain. Contrairement à sa souris IA, qui ne calcule que la répartition des nanoparticules dans le foie, les reins, les poumons et la rate, un modèle in silico humain 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 pourrait alors plus se sentir en sécurité derrière cette barrière - des nanoparticules pourraient lui apporter un colis avec une dose ciblée de chimiothérapie.

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