Lorsqu'une tumeur parvient à s'implanter dans le cerveau d'un être vivant, elle a, de son point de vue, particulièrement bien réussi. Elle s'est en effet cachée derrière l'une des barrières les plus puissantes avec 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. Trouver une chimiothérapie efficace contre les tumeurs cérébrales représente donc un défi majeur pour la médecine.

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 qui livrent 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 parviennent à franchir les barrières protectrices de l'organisme sans les endommager. Pour rester sur l'exemple de la tumeur cérébrale, les nanoparticules pourraient donc transporter des substances chimiothérapeutiques à travers la barrière hémato-encéphalique jusqu'au cerveau, où elles pourraient alors combattre la tumeur.

Recherche du nanomatériau approprié

Cependant, les nanoparticules doivent présenter des propriétés très spécifiques en fonction de la tâche qu'elles doivent accomplir : selon leur forme, leur composition et leur taille, elles se répartissent différemment dans l'organisme et s'accumulent dans différents organes. Il s'agit donc de déterminer quelles particules accomplissent le 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 étudier ces questions : ils ont administré différents nanomatériaux à des souris, puis ont examiné leur répartition dans l'organisme et leurs effets secondaires. Cependant, ces études sur les animaux sont non seulement complexes, longues et coûteuses, 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 que le nombre d'expériences sur les animaux soit limité au minimum nécessaire.

Une souris IA avec un avantage décisif

Jimeng Wu, chercheuse à l'Empa et doctorante dans les départements « Nanomaterials in Health » et « Technology and Society », a donc développé une souris virtuelle qui permet de réaliser ces tests beaucoup plus rapidement à l'aide de l'IA. Pour ce modèle pharmacocinétique basé sur la physiologie (modèle PBPK), Jimeng Wu s'est appuyée sur 18 études menées sur des souris, c'est-à-dire sur les données d'expériences réalisées par différentes équipes de recherche sur de « vraies » souris. Elle a également intégré à son modèle une méthode statistique, l'analyse bayésienne avec des simulations de Monte-Carlo par chaînes de Markov.

Le résultat est une souris virtuelle à laquelle on peut administrer des nanoparticules, elles aussi virtuelles. Le modèle calcule ensuite leur distribution dans le corps de la souris en fonction de leurs propriétés telles que leur taille, leur revêtement et leur charge superficielle. Par rapport à un modèle PBPK traditionnel, qui n'est calibré que pour une seule substance, la souris IA de Jimeng Wu présente un avantage décisif : « Le modèle peut adapter ses paramètres aux propriétés mesurables de chaque nanoparticule », explique Jimeng Wu. L'outil doit cette capacité au « modèle de régression linéaire multivarié », une approche d'apprentissage automatique.

Contribution à la « Safe and Sustainable by Design»

« Cet outil de dépistage basé sur l'IA permet aux chercheurs de tester virtuellement le type de nanoparticules le mieux adapté à une tâche donnée avant même de les produire », 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.

« Le modèle contribue ainsi au concept « Safe and Sustainable by Design » (SSbD) », ajoute Peter Wick, qui accompagne Jimeng Wu dans son doctorat avec son collègue Bernd Nowack. En effet, la souris virtuelle augmente la sécurité des nouveaux matériaux ou thérapies avant même leur développement. Le chercheur de l'Empa fait toutefois remarquer que l'ensemble de données utilisé jusqu'à présent pour entraîner le modèle est encore très limité : à ce jour, seuls 18 articles évalués par des pairs et dont la qualité des données était suffisante ont pu être trouvés. « Dans de nombreuses études, les propriétés des nanoparticules utilisées ne sont pas suffisamment décrites », note-t-il. Il s'agit désormais d'alimenter la souris virtuelle avec des données d'études supplémentaires et de la vérifier afin d'augmenter encore la fiabilité des prévisions. « Notre objectif à long terme est de raccourcir le processus de développement des matériaux nanomédicaux jusqu'à leur utilisation comme médicaments chez les patients, tout en évitant autant que possible les tests sur les animaux », 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 de transition » visant à transposer le principe de son modèle in silico à la recherche humaine. Pour ce faire, elle prévoit d'intégrer les principes de la souris virtuelle dans un modèle PBPK humain. Contrairement à sa souris simulée, qui calcule uniquement 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 rechercher dans quelle mesure certaines nanoparticules peuvent traverser la barrière hémato-encéphalique. Même la tumeur cérébrale mentionnée au début ne serait alors plus en sécurité derrière cette barrière : les nanoparticules pourraient jouer le rôle de « facteurs » et lui livrer un colis contenant une dose ciblée de chimiothérapie.