Quel traitement est le plus adapté à votre cœur ? Les modèles informatiques personnalisés prédisent l'impact d'une intervention chirurgicale, d'une nouvelle valve ou d'un médicament.
Une personne sur cinq développera un jour une insuffisance cardiaque. Traditionnellement, les stratégies thérapeutiques reposent sur des études cliniques datant d'il y a 50 à 60 ans : évaluation de l'efficacité et de la sécurité d'un traitement sur un large groupe de patients. Si un nouveau traitement bénéficie à 90 % des participants, votre médecin vous le proposera probablement. Mais que se passe-t-il pour les 10 % restants ? Et si vous en faisiez partie ? Malheureusement, cela relève encore souvent d'essais et d'erreurs.
Pouvons-nous tester ces traitements sur votre cœur virtuellement avant de les appliquer en réalité ? Oui, grâce à un jumeau numérique de votre cœur.
Les jumeaux numériques sont des répliques virtuelles précises d'un objet, d'un produit ou d'un processus. Ils sont omniprésents : voitures, avions, prévisions météorologiques, ponts et même brosses à dents sont conçus et testés sur ordinateur.
Par exemple, SpaceX ne lance pas des milliers de fusées par essais et erreurs. Les ingénieurs d'Elon Musk simulent virtuellement chaque conception dans tous les scénarios avant de produire un prototype physique coûteux.
Les essais et erreurs se déroulent virtuellement pour minimiser les risques en réalité.
Développer un jumeau numérique du cœur n'est pas une prouesse insurmontable. Le cœur, véritable chef-d'œuvre biotechnologique surpassant toute pompe mécanique, intègre des interactions complexes aux niveaux subcellulaire, cellulaire, tissulaire et organique.
En modélisant les processus biochimiques, électriques et mécaniques, nous prédisons l'étirement du tissu cardiaque (bleu-violet : contraction, fibres comprimées ; orange-jaune : relaxation, fibres étirées).
Pour simuler fidèlement le cœur humain, j'ai formalisé ces processus à l'aide des lois physiques connues : équilibre des charges électriques à travers les membranes cellulaires (électricité), contraction musculaire et déformation (mécanique), différences de pression dans les cavités (hydraulique). Chaque processus est traduit en équations mathématiques.
Impossible de tout condenser en une seule formule. Je découpe le modèle en blocs modulaires, comme un jeu de Lego. Chaque bloc représente un fragment de tissu cardiaque, soumis aux lois physiques et aux équations correspondantes.
En assemblant ces blocs, nous obtenons une réplique virtuelle prédisant le comportement biochimique, électrique et mécanique de votre cœur. Des images médicales, électrocardiogrammes et mesures de tension artérielle permettent de la personnaliser.
Comme on essaie des vêtements en magasin, ces modèles virtuels testent différentes valves cardiaques par patient. Nous calculons la charge mécanique induite par divers types et tailles. De même, ils évaluent l'efficacité de régimes médicamenteux en simulant leur impact sur les flux ioniques cellulaires, révélant les risques d'effets secondaires. Les essais et erreurs virtuels évitent les erreurs réelles.
Les études cliniques, étalon-or de la médecine, sont coûteuses, longues et risquées. Un jumeau numérique les accélère en heures. Elles limitent souvent un traitement par patient ; virtuellement, tous sont testables.
En collaboration avec la FDA, nous menons des études cliniques virtuelles.
La FDA, agence américaine de contrôle des dispositifs médicaux et médicaments, soutient cette approche. Je participe à un consortium développant la première étude clinique virtuelle : optimisation d'un implant valvulaire sur patients virtuels avant essais animaux et humains, minimisant souffrances et tests non éthiques.
Moins d'effets secondaires, économies sociétales, outils éducatifs pour former les médecins (comme les simulateurs de vol pour pilotes), et meilleure compréhension du cœur.
Les médecins pourront bientôt pratiquer leurs premières incisions sur un cœur virtuel.
Nous affinons ces modèles pour prédire l'évolution à long terme, comme l'impact d'une valve défectueuse dans 5 à 10 ans, en intégrant des processus structuraux.
J'anticipe la fusion de la biologie computationnelle et de la médecine clinique, où chaque individu disposera de son jumeau numérique cardiaque, du nouveau-né à la personne âgée.
Mathias Peirlinck, nominé pour la Flemish PhD Cup. Découvrez ses recherches sur www.phdcup.be.
