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La semaine de Jean-François Prevéraud

Le PLM au chevet des sciences de la vie

Jean-François Preveraud
Le PLM au chevet des sciences de la vie

Modèle de virus SV 40 créé à l'aide du Molecular Maya Toolkit et de Maya

© Autodesk

Développer et tester de nouvelles molécules est un processus complexe, long et couteux. Il est donc normal que les éditeurs de PLM habitués à gérer de tels projets dans les industries manufacturières s’intéressent aux sciences de la vie. On y retrouve toute la panoplie du PLM de la gestion du flux de données à la création de véritables prototypes comportementaux numériques, qui limitent le recours à l’expérimentation physique.

Les sciences de la vie sont souvent évoquées par les éditeurs de logiciels de conception assistée par ordinateur (CAO) et de gestion du cycle de vie produit (PLM) généralistes comme étant l’un de leurs futurs Eldorado. En effet les coûts de R&D s’y envolent et les dossiers de mise sur le marché de nouveaux produits deviennent de plus en plus complexes. La rigueur structurante et la rapidité des outils informatiques pourraient donc y être bénéfiques.

« Nos solutions de PLM permettent aux entreprises de gagner en réactivité en rationalisant les processus de développement, et d’accélérer le processus de conformité en intégrant les exigences réglementaires au processus de développement, ainsi qu’en facilitant le processus de dépôt électronique de dossier d'autorisation de médicaments », précise-t-on par exemple chez Dassault Systèmes, éditeur connu pour son application de CAO Catia et son outil de PLM Enovia.

Les autres grands éditeurs généralistes, tels PTC ou Siemens PLM Software, insistent aussi sur l’intérêt d’approches PLM, telles Windchill ou Teamcenter dans le domaine des sciences de la vie.

Cyberanatomie en réalité virtuelle

Ces éditeurs mettent aussi l’accent sur l’aide que la réalité virtuelle peut apporter aux thérapeutes, tant pour la recherche que l’enseignement, voire le traitement de certaines affections, addictions ou phobies. Ainsi avait-on vu lors du salon Laval Virtual de 2009, une application de réalité virtuelle pour guérir des patients atteint de la phobie des araignées. Autre application, à l’University of Washington School of Medicine des grands brûlés sont immergés dans SnowWorld, un univers de glace virtuel, afin de recevoir leur traitement quotidien sans recours à des antalgiques.

Dans le cadre de l'enseignement et de la formation, la réalité virtuelle peut être utilisée de nombreuses manières. Ainsi la "cyberanatomie" permet de faire découvrir le corps humain en 3D de manière beaucoup plus didactique qu’une dissection. De même, la simulation d'une chirurgie "in virtuo", mêlant réalité virtuelle et retour d’effort prépare les médecins à des interventions complexes.

Des cheveux, peaux et cornées peau virtuels

Mais certains ont été encore plus loin. Ainsi L’Oréal et Dassault Systèmes, après avoir créé un modèle 3D du cheveu humain, ont combiné leurs savoir-faire pour créer un échantillon de peau virtuelle. L’objectif étant de mieux comprendre comment nos cheveux et notre peau fonctionnent, et de tester sur eux les produits capillaires et les cosmétiques en développement, sans avoir recours à l’expérimentation animale. « Outre la validation de certaines théories, ces modèles servent aussi à explorer de nouveaux territoires de recherche », précise-t-on chez L’Oréal.

L’ensemble de ces travaux vient épauler ceux réalisés dans le Centre d’évaluation prédictive du groupe à Lyon, qui a été rejoint récemment par deux start-up, EpiSkin et SkinEthic, travaillant sur des modèles de peaux cultivés sur membranes synthétiques.
 


La simulation numérique est aussi une aide précieuse pour les praticiens. Ainsi chez Bausch + Lomb, les ingénieurs ont-ils pu étudier, avant toute expérimentation réelle, l’impact de la taille de l’incision sur les aberrations optiques postopératoires lors de l’ablation de la cataracte, grâce au logiciel Abaqus FEA.

Des animations 3D pour innover

Autodesk de son côté parraine iGem, un concours international pour la création de nouvelles structures biologiques, et Clotho, une initiative pour la biologie synthétique, Ses logiciels aident les biologistes ‘‘synthétiques’’ concurrents à visualiser, simuler et analyser leurs nouvelles créations.
« Avec ces outils, les concurrents peuvent construire de la biologie à l'échelle moléculaire et cellulaire, en se promenant comme ils le désirent dans les cellules et les tissus. Cela rend l'apprentissage de ces systèmes complexes beaucoup plus facile », estime Andrew Hessel, Co-Chair, Bioinformatics & Biotechnology at Singularity University. « Les cellules sont des machines complexes microscopiques, avec des milliers de pièces moléculaire. Le logiciel Maya aide les élèves à voir comment tout se tient et fonctionne en tant que système, et ce qui arrive quand ils font des changements. C'est incroyablement puissant ».

Le Molecular Maya Toolkit, créé par Gaël McGill et Strong Campbell de la Harvard Medical School/Digizyme, permet d’importer dans Maya les coordonnées 3D atomiques des structures moléculaires depuis la Protein Data Bank (PDB).

Autodesk fournit les mêmes outils de visualisation à l’initiative Clotho, qui est une plate-forme pour créer des systèmes biologiques synthétiques et assurer la gestion des données qui sont utilisées pour les créer, de l’idée originelle jusqu’à leur mise sur le marché. « L’objectif de Clotho est de fournir un mécanisme pour initialiser le processus de création de données normalisées, ainsi que des algorithmes et des méthodes de biologie de synthèse », explique J. Chris Anderson, professeur adjoint à l'Université de Berkeley dans le département de génie biologique à l'UC Berkeley et LBNL, et investigateur principal au Synthetic Biology Engineering Research Center.

Traiter les images et simuler la pharmaco-cinétique

Les éditeurs d’outils de calcul s’intéressent aussi à ce secteur. Ainsi MathWorks constate que ses utilisateurs utilisent le langage et les solveurs MatLab ainsi que le simulateur Simulink dans différents domaines des sciences du vivant. « Celui sur lequel nous sommes le plus exploité est le traitement d’imageries médicales, qui évite des explorations intrusives », précise Florence Kussener, ingénieur d’application chez l’éditeur. Il est vrai que l’exploitation des images numériques correspond parfaitement au traitement matriciel que sait bien faire MatLab. On peut suivre ainsi l’évolution de tumeurs ou la dispersion d’anticorps marqués de manière fluorescente, sans avoir à ouvrir le corps du sujet. « Cela n’empêche pas l’expérimentation animale, mais permet de la réduire considérablement ».

Les biologistes n’ayant que peu de compétences en programmation, MathWorks a développé, sur la base de son outil MatLab, un logiciel dédié à l’analyse biologique, SimBiology qui arrive aujourd’hui en version 3. Il permet de modéliser, de simuler et d’analyser des réseaux métaboliques. « Un principe actif, par exemple l’insuline, va subir une réaction, par exemple l’absorption, puis changer de compartiment (estomac, foie, poumons, réseau sanguin…) en subissant des réactions paramétrables (diffusion…). On va ainsi modéliser, simuler et analyser son évolution au niveau du corps complet en fonction du temps, c’est la pharmaco-cinétique, qui représente l’évolution d’une dose médicamenteuse au sein du corps humain ou animale ». Cette approche permet aussi d’évaluer la pharmaco-cinétique de population beaucoup plus proche de la dispersion statistique de la population réelle, du bébé au vieillard, en utilisant différents solveurs stochastiques. On peut aussi appliquer des variances à ces modèles mathématiques comportementaux, en changeant de simples paramètres, pour passer d’une espèce à l’autre (souris, singe, homme).

Une approche très graphique

« Le gros potentiel de cette approche est que cela fonctionne grâce à un environnement graphique, facilitant l’utilisation par des biologistes ou des chimistes, où les principes actifs, les réactions et les compartiments sont directement sélectionnables dans des bibliothèques. Les aspects mathématiques sont ainsi transparents pour l’utilisateur ».

Notons que l’analyse des imageries numériques peut être utilisée pour alimenter les paramètres des éléments que l’on retrouve dans la chaine que l’on souhaite étudier. De là à imaginer que l’on puisse utiliser les résultats d’un scanner pour créer le médicament spécifique ayant la dosimétrie la plus adaptée à l’affection d’un patient, il n’y a qu’un pas que certains chercheurs essayent de franchir actuellement.

L’éditeur estime que tous les grands groupes pharmaceutiques et tous les CHU présents en France sont maintenant équipés, ce qui représente de 100 à 200 licences de SimBiology vendues en 2 ans, pour lesquelles il faut compter de 4 à 8 k€ suivant le nombre de solveurs nécessaires à l’application.

Dans les grandes évolutions à venir autour de cette solution on peut citer l’arrivée du 3D. « Effectivement pour le moment on en reste aux équations différentielles, mais l’introduction des équations aux dérivées partielles, qui permettent une représentation spatiale plus précise est prévue », conclu Florence Kussener.

Bref, les souris numériques vont sauver la vie de nombre de souris de laboratoire, avant de sauver des êtres humains.

A la semaine prochaine,

Pour en savoir plus : http://2010.igem.org & http://www.clothocad.org/ & http://usa.autodesk.com & http://www.ptc.com & http://www.plm.automation.siemens.com & http://www.mathworks.fr

Jean-François Prevéraud, journaliste à Industrie & Technologies et l’Usine Nouvelle, suit depuis près de 30 ans l’informatique industrielle et plus particulièrement les applications destinées au monde de la conception (CFAO, GDT, Calcul/Simulation, PLM…). Il a été à l’origine de la lettre bimensuelle Systèmes d’Informations Technologiques, qui a été intégrée à cette lettre Web hebdomadaire, dont il est maintenant le rédacteur en chef.

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