Comment la technologie du « jumeau numérique » exploite la biologie et l’informatique pour alimenter la médecine personnalisée

Les « jumeaux numériques » médicaux ouvriront la voie à une médecine personnalisée

Par Reinhard C. Laubenbacher

En mars, le Chinois Xi Jinping a annoncé que la technologie des « jumeaux numériques », qui utilise la simulation informatique pour gérer des systèmes du monde réel, était l’une des six « nouvelles forces productives » dans lesquelles son pays dirigerait le monde et dépasserait les États-Unis. Au milieu de cette joute géopolitique. , cette technologie de simulation, déjà largement utilisée dans l’industrie manufacturière, arrive en médecine. Il promet d’accélérer une ère de médecine personnalisée, envisagée depuis longtemps, qui utilise des interventions ciblées adaptées à chaque patient, pour maintenir ou rétablir la santé.

Au cœur d’un jumeau numérique se trouve une simulation informatique qui capture tous les mécanismes et caractéristiques pertinents d’un objet physique, qu’il s’agisse d’une ville ou d’un avion. Prenons l’exemple de Singapour, qui dispose d’un jumeau numérique de son infrastructure. Ou encore le Pentagone, qui en utilisera un pour son nouveau bombardier B-21. Le jumeau physique envoie des données opérationnelles en continu ou fréquemment, souvent à l’aide de l’Internet des objets, pour mettre à jour le jumeau numérique afin qu’il reflète fidèlement l’état actuel de son jumeau physique, par exemple en reflétant avec précision l’usure des routes urbaines ou des pièces mécaniques dans un moteur B-21 spécifique. À leur tour, les études de simulation utilisant le jumeau numérique nous éclairent sur ce que nous faisons avec son jumeau réel.

Mais qu’en est-il de la médecine ? Les simulations informatiques peuvent nous aider à comprendre les processus biochimiques de notre corps et la façon dont différentes substances se comportent et affectent notre santé. Un jumeau numérique de vous ou de moi ou même d’une partie de nous, basé sur de telles simulations informatiques, pourrait aider les développeurs de médicaments à concevoir, tester et surveiller, et aider les médecins à appliquer les traitements ou thérapies les plus sûrs et les plus efficaces, spécifiques et adaptés à nos besoins. génétique ou biochimie.

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Il existe déjà quelques exemples réussis de jumeaux numériques en médecine, comme un pancréas artificiel approuvé par la FDA qui automatise en grande partie l’administration d’injections régulières d’insuline pour les personnes atteintes de diabète de type 1. Dans cette application de la technologie du jumeau numérique, un moniteur placé sous la peau d’un patient mesure les niveaux de glucose toutes les quelques minutes et transmet les données sans fil à un jumeau numérique sur un appareil intelligent portatif. Le modèle mathématique au cœur du jumeau numérique est calibré en fonction du patient spécifique pour permettre la simulation de son métabolisme unique du glucose. À l’aide de toutes ces informations, un algorithme de contrôle détermine la quantité d’insuline dont le patient a besoin et demande à une pompe à insuline connectée d’administrer la quantité correcte directement dans le corps du patient. De cette manière, le jumeau numérique remplit la fonction de régulation du glucose qu’aurait normalement remplie un pancréas intact. D’autres exemples, décrits dans un article de mars Science informatique de la nature rapport que j’ai co-écrit, inclure un jumeau numérique pour le traitement des arythmies cardiaques et l’optimisation du traitement des patientes atteintes d’un cancer du sein.

Le moment est venu de développer cette technologie, grâce à trois développements. Premièrement, nous comprenons désormais mieux comment le corps fonctionne en cas de santé ou de maladie. Cela nous a permis de créer des simulations informatiques précises de la biologie humaine, allant du niveau cellulaire à l’échelle du corps entier. Deuxièmement, les algorithmes d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique peuvent collecter et analyser en continu des données provenant d’individus ainsi que de populations entières, permettant une personnalisation constamment mise à jour des soins aux patients. Troisièmement, le public a adopté la médecine personnalisée comme quelque chose de bénéfique et à sa portée. De même, le secteur des soins de santé s’appuie de plus en plus sur des approches basées sur les données qui appliquent l’intelligence artificielle à l’analyse des données des patients, aux calculs du risque de maladie et à la prise de décision médicale.

Nous devons faire davantage pour faire évoluer la technologie des jumeaux numériques en médecine, d’exemples dispersés vers une industrie stable, mature et florissante, comparable à celle des jumeaux numériques industriels d’aujourd’hui. Premièrement, tout comme la NASA a mené ses premières recherches sur les jumeaux numériques industriels aux États-Unis, les agences publiques, rejointes par des sources privées, doivent lancer une initiative de financement majeure pour soutenir la recherche sur les jumeaux numériques médicaux afin d’assumer les coûts de démarrage substantiels de la R&D. Il est important que ces partenariats public/privé soient établis de manière à garantir que les coûts et les bénéfices soient partagés équitablement. La Commission européenne finance l’initiative de feuille de route globale Ecosystem Digital Twins in Healthcare, une collaboration interdisciplinaire à grande échelle entre l’industrie et le monde universitaire pour apporter cette technologie aux soins des patients atteints de cancer et d’autres maladies. Le récent rapport Lacunes de la recherche fondamentale et orientations futures pour les jumeaux numériques par les Académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine a attiré beaucoup d’attention sur une telle démarche aux États-Unis et a mis en évidence son potentiel considérable pour la biomédecine.

Deuxièmement, nous avons besoin d’un cadre complet pour un écosystème de données de soutien, comparable à l’espace européen des données de santé. Cet effort européen fournira un écosystème spécifique à la santé comprenant des règles, des normes et pratiques communes, des infrastructures et un cadre de gouvernance, qui permettra aux individus de contrôler leurs données personnelles de santé et, en même temps, fournira un cadre cohérent, fiable et efficace. pour le déploiement de ces informations pour la recherche, l’innovation et l’élaboration des politiques. Les jumeaux numériques médicaux soulèvent des problèmes supplémentaires en matière de confidentialité qui devront être résolus par la législation et la réglementation, car ils sont conçus pour intégrer fonctionnellement un large éventail de données pouvant capturer des informations sur la biologie d’une personne ainsi que sur son mode de vie, permettant potentiellement de prévoir les besoins de santé. , la durée de vie et d’autres fonctionnalités susceptibles d’être utilisées à mauvais escient. Nous devons répondre aux questions sur qui possède et contrôle les données collectées auprès des personnes et utilisées pour mettre à jour dynamiquement leur jumeau numérique. À qui appartiendra notre jumeau numérique ? Nous devons rassembler toutes les parties prenantes dans ce débat pour répondre à ces questions dès maintenant.

Une dernière exigence, plus ambitieuse, consiste à financer la mise en œuvre à grande échelle de cette technologie. En tant que nation, nous devons être en mesure de supporter les coûts importants. Les jumeaux numériques médicaux pourraient constituer une technologie puissante à cet effet, en les utilisant comme outil de médecine prédictive. Après tout, l’une des utilisations les plus importantes des jumeaux numériques dans l’industrie est la maintenance prédictive, où elle entraîne une réduction considérable des coûts et des risques. Un effet similaire pourrait être attendu dans le domaine des soins de santé.

Les jumeaux numériques médicaux pointent à l’horizon, même si nous ne sommes qu’à l’aube de cette nouvelle ère révolutionnaire. Rappelons-nous l’histoire de l’aviation, où en moins d’un siècle, nous sommes passés du premier vol à Kitty Hawk à la traversée de l’Atlantique à bord d’un jet Dreamliner, en sirotant confortablement du champagne. Mais à peine dix ans après le vol inaugural des frères Wright, la conception des avions avait progressé si rapidement que toutes les grandes puissances de la Première Guerre mondiale déployèrent une force aérienne. Nous nous trouvons aujourd’hui à un tel moment d’opportunité et de compétition. Les jumeaux numériques médicaux n’en sont peut-être pas encore au stade de l’aviation moderne ; mais dans leur état actuel de développement, ils offrent déjà des avantages importants pour la médecine curative et préventive.

Il s’agit d’un article d’opinion et d’analyse, et les opinions exprimées par l’auteur ou les auteurs ne sont pas nécessairement celles de Américain scientifique.