Success stories de projets - Modélisation à plusieurs échelles dans le domaine de la santé
L'accumulation des plaques d'athérome dans les artères coronaires peut se traduire par un manque d'oxygène pour le cœur, et risque même d'obturer l'artère et de provoquer une crise cardiaque. Le traitement habituel fait appel à l'angioplastie, qui consiste à dégager mécaniquement le vaisseau sanguin rétréci ou obstrué. Pour restaurer la circulation du sang, les chirurgiens font éclater ces plaques, mais l'artère nettoyée n'est souvent pas assez solide pour rester ouverte sans soutien. Pour la renforcer et s'assurer qu'elle reste ouverte, on introduit un stent dans l'artère. L'artère du patient a donc subi une lésion, qui prend du temps à guérir. Dans la plupart des cas, les tissus repoussent autour du stent et le patient pourra reprendre une vie normale. Cependant, dans environ 10% des cas, les choses se passent mal et des tissus indésirables se forment dans l'artère. Cet état de resténose dans le stent (ISR, de l'anglais in-stent restenosis) correspond au développement de tissu néointimal, susceptible de bloquer l'artère. Dans ce cas, un autre traitement est nécessaire. Le projet «Complex automata simulation» (Coast) financé par l'UE visait ce problème en s'attachant à réaliser un cadre de simulation couvrant plusieurs échelles et domaines scientifiques. Le projet ne cherchait pas directement à améliorer les soins mais plutôt à concevoir un automate complexe capable de simuler et de synthétiser des modèles mathématiques complexes pour une large gamme d'échelles, «de la molécule à l'homme». «Le projet Coast s'intéresse à la modélisation à plusieurs échelles, la MSM», déclare Alfons Hoekstra, professeur d'informatique à l'université d'Amsterdam et coordinateur du projet. «Il y a une dizaine d'années, nous avons compris que les sciences, la biologie et la santé font appel à nous pour étudier des systèmes à une certaine échelle, un peu comme pour un grossissement au microscope. Nous pouvons agrandir l'image pour voir progressivement les organes, les tissus et les cellules, et comprendre notre organisme à des échelles indépendantes. Depuis la découverte du génome humain, notre analyse s'étend de l'échelle moléculaire jusqu'au niveau de l'homme, recouvrant des processus complexes qui interviennent à des échelles très différentes», explique-t-il. Une meilleure compréhension de l'ISR, et à terme, la découverte d'un meilleur traitement, ont servi d'exemple d'application difficile dans le domaine biomédical afin de valider la possibilité de réaliser un cadre de simulation couvrant plusieurs échelles et disciplines. «L'ensemble du projet Coast est orienté par l'ISR», déclare M. Hoekstra. «C'est un cas vraiment délicat. Il implique tous les couplages imaginables entre les différentes échelles.»' Pour mieux étudier le fonctionnement de l'organisme, les scientifiques peuvent essayer de lancer une simulation comprenant chaque cellule du corps et toutes les protéines dans ces cellules, et observer ce qui se passe. Le problème est qu'aucun ordinateur au monde n'en est capable. Une solution est donc de traiter la simulation à une échelle supérieure, par blocs de plus grande taille. Mais dans ce cas, les chercheurs n'obtiennent pas toutes les informations nécessaires pour analyser un processus. L'idée de Coast était d'associer les deux approches: créer des simulations à grande et petite échelle fonctionnant en même temps, et les coupler. Les travaux du projet financé par l'UE ont été dans ce sens. Avec l'ISR, Coast avait donc un but précis, mais le projet a également cherché à répondre à une question plus vaste, celle de savoir si un modèle peut simuler plusieurs parties du corps et autoriser la coopération entre les disciplines. Un programme musclé Pour simuler les modèles couvrant plusieurs échelles et gérer tous les couplages entre elles, l'équipe du projet a conçu l'outil informatique «Multiscale coupling library and environnement» (Muscle). Et dans le cas de l'ISR, l'équipe a défini et réalisé les modèles à échelle unique des processus biologiques et physiques impliqués. L'outil Muscle a ensuite intégré ces interactions complexes en fonction de leur propre échelle spatiale et temporelle. «Pour toutes ces MSM, on dispose en général de modèles couvrant une seule échelle», explique M. Hoekstra. «Ils sont là, et il faut les associer. Et bien, c'est Muscle qui s'en charge.» La carte de séparation des échelles apporte ensuite une démonstration graphique qui aide les biologistes à organiser leurs connaissances. En se chargeant de l'organisation d'ensemble, Coast devient également un outil de modélisation qualitative.' Par ailleurs, Muscle est un projet open source, disponible pour tous les chercheurs. Le cadre conçu par le projet Coast a servi à tester l'ISR et à mieux la comprendre. «Nos simulations nous permettent maintenant de tester des hypothèses pour répondre à des questions simples comme 'pourquoi commence une ISR et pourquoi s'arrête-t-elle?'», ajoute M. Hoekstra. Le résultat des tests apporte aux biologistes des informations pour conduire de nouvelles expériences. Guidé par la simulation, un tel processus pourrait aboutir à une compréhension plus profonde de l'ISR. Projet Virtual Physiological Human L'intérêt de Coast pour l'ISR a pour origine un projet bien plus vaste, la conception d'un modèle virtuel de la physiologie humaine (VPH - Virtual Physiological Human). Ce concept reçoit actuellement un financement important dans le domaine des TIC, et un grand réseau d'excellence a déjà été établi. Avec l'aide du financement de l'UE, l'Europe a mis en place une solide communauté autour du VPH. Le VPH est un cadre méthodologique et technologique qui permettra d'étudier en collaboration le corps humain en tant que système complexe unique. Il sera composé de modèles intégrés informatiques des fonctions mécaniques, physiques et biochimiques d'un corps humain vivant. «D'un point de vue informatique, le VPH représente un défi majeur», souligne M. Hoekstra. «C'est là qu'intervient l'ISR, l'une des applications du VPH. La communauté autour du VPH soutient ces idées. Je crois que le VPH fait partie de cette 'vision informatique de la santé' et nous commençons à voir une fusion de ces groupes.» M. Hoekstra estime qu'une quinzaine de projets VPH sont financés par l'UE et actuellement en cours. «On constate un grand intérêt dans la création de modèles afin de mieux comprendre notre physiologie et d'améliorer notre santé. On peut résumer les choses ainsi: de la molécule à l'homme, ou de l'ADN à la maladie.» Les travaux de base de Coast peuvent maintenant être exploités au mieux au sein de la communauté VPH. C'est là que l'on a constaté un réel décollage de la recherche en TIC. «Le fait est que les modèles ont été validés», confirme M. Hoekstra. «Coast s'est achevé, mais d'autres projets ont pris la relève. Ainsi, le projet «Medical devices design in cardiovascular applications» (Meddica) cherche à améliorer les équipements médicaux tels que valvules cardiaques artificielles, stents, etc.» L'avenir M. Hoekstra considère que le projet Coast a conduit les chercheurs à un point où ils peuvent réellement commencer à distinguer la modélisation à plusieurs échelles et ses applications dans la santé. «Il est temps d'élargir le champ d'application à d'autres systèmes que celui des artères coronaires», conclut-il. «Le projet Coast n'a pas impliqué d'entreprises, mais ce sera le cas de Meddica. Nous sommes maintenant en position de nous associer avec des entreprises et de discuter de nos découvertes. Ce n'était auparavant pas encore le cas.» Un nouveau projet, qui devrait débuter en octobre 2010 et s'achever en 2013, visera à déterminer les ordinateurs les mieux adaptés aux modèles à plusieurs échelles, en s'appuyant sur les concepts de Coast. Il s'agira de coupler des ordinateurs à travers l'Europe, et d'associer des disciplines aussi éloignées que la recherche en fusion nucléaire, en nanomatériaux, en hydrologie et dans le VPH.