Faire de vous-même un « jumeau numérique » pourrait révolutionner les futures interventions chirurgicales, en rendant les procédures médicales beaucoup plus personnelles

Dr John Pandolfino plaisante en disant qu’il vient d’une longue lignée d’électriciens et de plombiers – et qu’en tant que gastro-entérologue, il est resté dans l’entreprise familiale.

C’est parce que l’œsophage, l’organe qui amène la nourriture de la bouche à l’estomac, est essentiellement un tuyau doté de câbles électriques, a-t-il expliqué.

Pandolfino est le chef du service de gastro-entérologie et d’hépatologie et directeur du Northwestern Medicine Digestive Health Institute. Il a commencé à utiliser des « jumeaux numériques » pour modéliser la façon dont les patients souffrant d’un trouble de la déglutition réagiront à une intervention chirurgicale appelée myotomie, utilisée pour couper l’œsophage. Dans les conceptions les plus futuristes d’un jumeau numérique, les médecins combineraient des répliques anatomiques presque identiques du corps d’un individu avec des données biologiques pour recommander des médicaments ou des procédures hautement personnalisés.

Les jumeaux numériques développés par l’équipe de Pandolfino ne sont pas aussi avancés : ils utilisent des modèles virtuels dimensionnellement précis pour recréer la pression et le mouvement de l’œsophage. Lui et ses collègues ont récemment lancé un essai clinique sur 400 personnes visant à déterminer si l’utilisation de ces clones virtuels pour guider l’intervention chirurgicale entraînerait de meilleurs résultats pour les patients.

Nous avons discuté avec Pandolfino de l’avenir des jumeaux numériques, de la possibilité de réduire les tests sur les animaux et de la manière dont ils pourraient être utilisés dans des organes situés au-delà de l’œsophage, comme le cœur et la vessie.

Tia Ghose : Vous utilisez un jumeau numérique dans une condition appelée achalasie. Pouvez-vous m’en dire plus sur cette condition ?

John Pandolfino : L’œsophage, vous savez, sa tâche principale est de pousser les choses vers l’estomac une fois qu’elles entrent dans l’œsophage. Et puis, lorsque quelque chose reflue, l’œsophage doit également le pousser vers le bas pour vous empêcher de l’aspirer et de le faire pénétrer dans vos poumons. Ce qui se passe dans l’achalasie, c’est que le sphincter inférieur de l’œsophage, qui est en quelque sorte la barrière qui sépare l’œsophage et l’estomac, ne s’ouvre pas. Cela ne détend pas. L’achalasie signifie en réalité l’incapacité à se détendre. Lorsque ce muscle ne se détend pas et ne s’ouvre pas, la nourriture s’accumule simplement dans votre œsophage et vous commencez littéralement, presque, à vous noyer dans votre propre salive et votre nourriture. Cela pourrait donc être une maladie mortelle.

Ce qui était intéressant, c’est que nous avons remarqué qu’après avoir traité les patients, ils développaient ce diverticule (un affaiblissement et un gonflement de la paroi), et nous ne comprenions pas vraiment pourquoi cela se produisait. Nous avons donc demandé le modèle mathématique, l’œsophage virtuel – nous lui avons en fait donné un certain nombre d’options. Nous avons modifié de nombreuses variables, comme quel type de chirurgie subissent-ils ? Combien de temps ont-ils coupé le muscle ? Ont-ils inclus quelque chose appelé une procédure anti-reflux, où vous prenez en quelque sorte une partie de l’estomac et l’enroulez autour de l’œsophage afin d’éviter tout reflux ? Le type de problème de motricité dont ils souffraient aurait-il une importance ? Il existe différents sous-types d’achalasie. Alors, certains sous-types seraient-ils meilleurs que d’autres ? Nous avons suivi tout ce processus. À quelle profondeur couperiez-vous le muscle ? Et nous venons de faire des simulations.

Il a donc fallu quelques mois de formation et de simulation de millions et de millions de scénarios pour montrer ce qui allait se passer. Et en fin de compte, le modèle a en fait prédit quelle serait la meilleure intervention chirurgicale, et il a également prédit quels patients seraient les plus à risque de développer la complication.

Ainsi, avec ces informations, nous avons ensuite soumis une subvention du NIH axée sur l’examen de deux types différents de chirurgie : l’approche standard par rapport à celle modifiée par l’œsophage virtuel, donc ce que l’œsophage virtuel a choisi. Nous allons donc tester cette approche standard, qui fonctionne plutôt bien, versus cette autre approche. Et nous pensons avoir modélisé l’étude de manière à ce qu’elles paraissent équivalentes, mais nous pensons que la nouvelle aura moins de reflux et moins de développement de diverticules.

GT : Ce que vous décrivez semble bien loin de ce que les gens décrivent comme un jumeau numérique canonique, dans lequel vous intégrez tous les produits chimiques clés et le traitement de signalisation impliqués, toutes les forces mécaniques et toutes les données en temps réel provenant des appareils portables et de l’imagerie médicale. À votre avis, à quelle distance sommes-nous de ce type de jumeau numérique ?

JP : D’un point de vue mécanique, je pense que c’est déjà plutôt bien.

En ce qui concerne la structure moléculaire et l’actine (filaments musculaires), la façon dont les muscles se contractent et l’afflux de calcium, je pense que nous sommes vraiment loin. Nous venons d’apprendre comment les protéines se replient ; développer un modèle mathématique de la cellule va prendre beaucoup de temps.

Mais je pense que, mécaniquement, nous pouvons y parvenir, et ce qui est formidable, c’est que cette approche peut être adoptée dans tous les systèmes organiques : la vessie, l’aorte, le ventricule gauche. Ces processus où vous comptez entièrement sur la mécanique du transport – maintenant, nous pouvons prendre cela et l’appliquer à tous ces (systèmes).

GT : Donc, ce que vous envisagez actuellement comme étant assez proche concerne principalement les systèmes de type pompe et tube et en grande partie les interventions chirurgicales. Pensez-vous que cela ait une valeur pronostique ou diagnostique ?

JP : Cela aura certainement une valeur pronostique, car vous arriverez au point où vous pourrez imaginer des scénarios dans lesquels les médicaments n’auront plus aucun effet, n’est-ce pas ? Donc, si quelqu’un arrive au point où le mur se déforme, ce mur disparaît. Aucun médicament que vous leur donnez ne les améliorera.

GT : Certains ont émis l’idée qu’un jumeau numérique pourrait être utilisé pour supplanter certaines données de recherche animale et d’essais cliniques.

JP : Ouais.

GT : Pensez-vous vraiment que c’est réaliste ?

JP : Si vous envisagez des interventions chirurgicales, vous n’auriez pas besoin de faire cela sur des animaux. Vous feriez cela sur une simulation, comme nous l’avons fait, pour voir quels sont les effets, et vous pourriez ensuite passer de cela à divers changements chez les humains. C’est exactement ce qui s’est passé ici : notre œsophage virtuel a prouvé ce que nous pensions être probablement la bonne façon de procéder. Cela a donc prouvé mathématiquement notre hypothèse, et maintenant nous nous lançons dans un essai sur l’homme.

GT : Mais la plupart des recherches sur les animaux, je suppose, se concentrent sur l’essai de nouveaux composés qui pourraient avoir un potentiel thérapeutique, n’est-ce pas ? Alors, pensez-vous qu’il y a un grand potentiel là-bas ?

JP : Ces études où l’on donne à une souris une dose 50 fois supérieure à celle qu’un humain recevrait, est-ce que cela va la tuer ? Je ne pense pas que (la technologie des jumeaux numériques) affectera cela. Ce que cela fera, c’est que cela nous empêchera d’utiliser des animaux à des fins chirurgicales.

De plus, je pense que cela va nous conduire à un domaine dans lequel nous pourrons créer de bien meilleurs modèles de simulation. Nous comprendrons donc beaucoup plus sur les propriétés matérielles des organes, comment ils réagissent au stress et à la tension, et développerons des simulations qui ne fonctionnent pas seulement dans le monde virtuel, mais qui ont en réalité des jumeaux tactiles, n’est-ce pas ? Donc, quelque chose qui est fabriqué à partir d’un matériau qui simule l’œsophage ou simule presque parfaitement un organe, de sorte que lorsque vous le coupez, vous ressentez la même sensation.

GT : Vous pourriez vous entraîner dessus et y verser de la glu et voir comment il se dilate ou quelque chose comme ça ?

JP : Exactement. Mais vous savez, vous pouvez apprendre beaucoup de choses en comprenant une partie de l’anatomie et du fonctionnement humain, car le corps ne propose pas de façons totalement différentes de faire les choses. Il le répète, et il peut simplement le rendre plus grand ou plus petit, en utilisant une longueur légèrement différente. (Les organes comme la vessie et le cœur) fonctionnent tous de manière assez similaire. Ils ont un tube qui présente une certaine contraction. Il y a des sphincters qui s’ouvrent et se ferment. Si vous regardez même la jonction œsophagastrique, la valve qui se trouve au niveau de la barrière anti-reflux, elle est très similaire à la jonction ano-rectale où vous allez à la selle. Et, en fait, si vous regardez la physiologie de la façon dont vous allez à la selle et comment vous avalez et vous protégez du reflux, elles sont littéralement inversées.

GT : La nature se copie simplement.

JP : Ouais.

GT : Vous pensez donc que cela a beaucoup plus d’applicabilité à l’ensemble du corps ?

JP : Oui, même dans l’œsophage. Je veux dire que les brûlures d’estomac par reflux affectent environ un cinquième du pays. Et vraiment, le reflux n’est pas un problème de trop d’acide. La plupart des personnes souffrant de reflux ont une acidité normale.