Ces dernières années, la demande de traitements médicaux est passée de diagnostics étendus et par lots à des services ciblés et personnalisés. La vision d’une médecine prédictive, préventive, personnalisée et participative a longtemps été défendue par quelques pionniers, mais elle est désormais largement démocratisée et les technologies en phase avec ce concept sont nombreuses. Dans ce contexte, une technologie, en particulier, permet aux chercheurs de tester des scénarios avant de les expérimenter dans des situations ou des environnements réels, réduisant ainsi le risque pour les patients. Retour avec Alcimed sur le concept, les usages et les limites des jumeaux numériques et des jumeaux numériques humains (HDT).
Un jumeau numérique est une réplique numérique en temps réel d’un objet ou d’un processus physique qui intègre toutes les données accessibles et se met à jour à mesure que de nouvelles données sont disponibles.
Les scientifiques cherchent désormais à appliquer l’utilisation des jumeaux numériques au domaine de la santé. Par définition, les jumeaux numériques sont des répliques de leur modèle original, ce qui ouvre de nombreuses possibilités pour la médecine personnalisée.
En savoir plus sur notre expérience dans les jumeaux numériques en santé >
Les cœurs ont été représentés virtuellement et personnalisés pour refléter au mieux les particularités propres des individus, ce qui permet aux médecins de comprendre la progression des maladies et la réponse aux nouveaux médicaments, traitements ou interventions chirurgicales.
En 2014, le « Living Heart Project » (projet cœur vivant) a été lancé sur la base d’une collaboration entre des chercheurs, des chirurgiens, des fabricants de dispositifs médicaux et des sociétés pharmaceutiques afin de modéliser le plus fidèlement possible un cœur réel, permettant ainsi aux participants de tester des paradigmes, à commencer par l’insertion, le placement et la performance des sondes de stimulateurs cardiaques et d’autres dispositifs cardiovasculaires.
En 2019, une équipe de chercheurs de l’université de Linköping, en Suède, est parvenue à cartographier l’ARN de souris dans un jumeau numérique. Cette cartographie a permis de déterminer toute l’activité des gènes de milliers de cellules des souris malades et cela a aidé à prédire l’effet de différents types et doses de médicaments. L’objectif final étant de personnaliser le diagnostic et le traitement des humains en utilisant l’ARN.
Des applications pour smartphones ont été développées pour aider les gens à évaluer facilement les conditions médicales potentielles en utilisant l’intelligence artificielle. Parmi ces applications, certaines, comme l’application britannique Babylon Health, utilisent des jumeaux numériques pour être encore plus pertinentes. Ces jumeaux ne s’appuient pas seulement sur les données fournies manuellement par l’utilisateur, ils utilisent également les données des patients telles que les dossiers médicaux et les données générées par les dispositifs portables.
Les jumeaux numériques sont également utilisés pour optimiser le dosage des médicaments, notamment pour les personnes souffrants de douleurs chroniques. Comme le dosage est différent pour chaque patient en fonction, entre autres, du sexe, de l’âge et de la condition physique du patient, cela a toujours été une question délicate pour les professionnels de la santé. Un projet de collaboration entre le Centre de recherche Empa et l’Université de Berne en Suisse explore ainsi la possibilité d’utiliser des jumeaux numériques.
Grâce aux données des patients, des modèles peuvent être créés, les interventions chirurgicales davantage personnalisées et adaptées aux individus, ce qui permet aux médecins de réaliser des opérations moins invasives, et qui réduit drastiquement la nécessité d’un suivi lourd. En outre, en utilisant le cœur numérique du « Living heart project », une équipe de médecins d’un hôpital de Boston aux États-Unis a pu anticiper les résultats de l’opération avant celle-ci.
Habituellement, un essai clinique de phase III peut nécessiter jusqu’à 3 000 patients volontaires, et seuls 25 à 30 % des médicaments accèdent à la phase suivante. Les jumeaux numériques, qui peuvent être incorporés dans les essais contrôlés randomisés pour améliorer la puissance et l’efficacité sans introduire de biais, peuvent aider à répondre à cette exigence difficile. Ils permettent de concevoir des essais plus petits avec une puissance statistique plus élevée ou de récupérer la puissance d’essais en cours affectés par des taux d’inscription ou d’abandon élevés. La société Unlearn est spécialisée dans ces jumeaux numériques pour la maladie d’Alzheimer et la sclérose en plaques.
Comme nous l’avons vu précédemment, les jumeaux numériques sont des outils puissants et flexibles dont l’utilisation peut être d’une grande utilité dans la médecine d’aujourd’hui. Plus les scientifiques en apprennent sur eux, plus ils se perfectionnent. Il est possible d’imaginer que les jumeaux numériques se répandront et deviendront plus puissants à l’avenir.
Toutefois, les cas d’utilisation présentés ci-dessus ne tiennent généralement pas compte de l’environnement des êtres humains. Globalement, dans le domaine des soins de santé, les jumeaux numériques ne sont pas encore assez précis en raison de l’incroyable complexité du corps humain. La complexité de la numérisation d’une partie du corps est déjà énorme et les chercheurs sont donc bloqués à cette étape.
La difficulté de mettre en œuvre la complexité de l’être humain provient principalement du nombre, de la pertinence et de la qualité des données nécessaires. Ainsi, malgré les percées réalisées dans la création de nouveaux capteurs et de méthodes de collecte de données, l’obtention de données actualisées sur les indicateurs clés du corps humain en mode opérationnel est une tâche difficile, qui ne peut être mise en œuvre, le plus souvent, que dans le cadre de la recherche clinique en laboratoire.
Le jumeau numérique humain est une réplique dans le cyberespace d’une personne bien réelle dans le monde physique, essentiellement parce qu’il s’agit d’un modèle basé sur des données telles que l’âge, le poids, le sexe, les parents de la personne, etc. L’idée est de faire évoluer ces données en temps réel, comme elles évolueraient pour une personne réelle. Les données peuvent provenir de nombreuses sources, des appareils intelligents, des dossiers médicaux, ou être ajoutées manuellement.
L’objectif des jumeaux numériques humains est de représenter le corps entier d’un être humain, en tenant compte non seulement de la communication entre des parties spécifiques du corps, mais aussi des interactions du sujet avec son environnement.
Malgré la difficulté, tant en termes de représentation que d’informatique, les jumeaux numériques humains sont un sujet de recherche avancé. Représenter le corps entier est un objectif pour de nombreux chercheurs, d’une part, pour le défi que cela représente, et d’autre part, pour la possibilité d’une meilleure compréhension du corps humain et des êtres humains grâce à ces modèles proches de la réalité.
Cependant, ce modèle n’est pas qu’une simple base de données, il est aussi le fruit de nombreux calculs, qui analysent tous les types de données qui lui ont été transmises, l’apprentissage automatique et plusieurs outils d’IA pour obtenir des informations sur l’état physique de la personne et sur la manière dont il peut être influencé par des événements spécifiques (prise de médicaments, exposition à certaines substances, etc.). Il pourrait même fournir des diagnostics, des prédictions de maladies futures ou des conseils de bien-être aux patients.
Entre l’humain réel et le modèle virtuel, une communication à double sens doit s’opérer pour augmenter la précision du jumeau et améliorer ensuite la qualité de son analyse. L’une des principales différences entre le jumeau numérique humain et les jumeaux numériques habituels est que le HDT prend en compte l’hérédité, l’environnement et les interactions sociales pour représenter efficacement le patient. L’être humain étant bien plus complexe que des organes fonctionnant indépendamment, il ne suffit pas de s’appuyer sur des modèles mathématiques et physiques pour saisir avec précision l’entièreté d’une personne. Les relations et la psychologie ont un impact considérable sur le bien-être d’un individu et, à ce titre, elles ne peuvent être négligées.
Le développement d’un tel outil sera une tâche difficile, surtout avec la capacité de calcul et l’accessibilité limitées de ces derniers aujourd’hui. Cependant, la croissance rapide de l’informatique – à la fois en termes de performance et de prix -, le stockage de données volumineuses et le développement de l’IA rendent possible la technologie des jumeaux numériques humains à l’avenir.
Cependant, des questions se posent quant aux risques socio-éthiques liés aux jumeaux numériques humains. Des sujets tels que la sécurité des données mais aussi leur confidentialité – puisque les données seront très probablement détenues par de grandes organisations – sont de première importance car avoir accès au jumeau numérique humain d’une personne revient à avoir accès à sa propre personne. L’équipe d’Alcimed se tient prête à vous accompagner sur ce sujet et plus globalement sur tous vos projets relatifs à la médecine personnalisée !
A propos de l’auteur,
Damien, consultant au sein de l’équipe Sciences de la Vie d’Alcimed en Allemagne
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