Chaque être humain est différent. On le constate dans nos habitudes alimentaires ou dans la liste de nos films préférés. Mais face à la maladie? Nous pourrions être tentés de nous croire tous identiques. Après tout, on achète les mêmes comprimés contre les maux de tête et on prescrit de l'insuline à tous les diabétiques.

L'équation n'est toutefois pas si simple. La médecine moderne l'a bien compris, d'où le concept de médecine personnalisée. Les patients réagissent en effet très différemment à certaines thérapies selon leur âge, leur style de vie, ou leur génome. Les êtres humains sont des êtres vivants, ils modifient leurs habitudes, ils partent en vacances ou attrapent soudainement un rhume: les traitements qu'on leur applique doivent pouvoir faire montre de la même souplesse.

Et c'est là qu'intervient l'idée du jumeau numérique alimenté en temps réel par les données physiologiques du sujet. Cet avatar médical pourrait un jour révolutionner la médecine. Des chercheurs de l'Empa travaillent déjà à un double numérique de la peau qui doit permettre d'optimiser le traitement des douleurs chroniques et du diabète. «Un double in silico nous permet d'étudier les patients individuels de manière plus précise», explique Thijs Defraeye du département «Biomimetic Membranes and Textiles» de l'Empa de Saint-Gall.

Démarré récemment, ce projet est soutenu par la Fondation Novartis et le Competence Centre for Materials Science and Technology CCMX de Lausanne. Objectif: faire passer des médicaments tels que des analgésiques ou de l'insuline dans le corps par la peau, en se servant de fibres et de membranes intelligentes, tout en monitorant les paramètres vitaux du patient par capteurs. Les données sont fournies au jumeau numérique qui détermine les meilleurs dosages pour le sujet et suit l'avancement du traitement. Dans une étape ultérieure, le même principe pourrait permettre de suivre le processus de guérison de plaies difficiles. Des chercheurs de l'Empa ont déjà réalisé un pansement intelligent à capteur intégré.

Dans ce projet de jumeau numérique, Defraeye et son équipe entendent fusionner deux axes de recherche innovants: la prise non invasive de médicament à travers la peau par timbre transdermique, et le réglage et anticipation en temps réel du déroulement d'un traitement par le truchement d'un modèle. Cette approche est particulièrement élégante car la peau, le plus grand organe humain, offre une importante surface par où transférer dans le corps et de manière indolore des molécules dont la taille ne dépasse pas une certaine taille.

Les timbres actuels ne permettent pas de régler correctement les dosages, entre autres parce que, lorsqu'on les a enlevés, une part de la substance active continue de migrer des couches cutanées vers le corps. Les méthodes actuelles de suivi de la teneur du sang en substance active ne permettent de savoir que a posteriori si le dosage a été trop élevé ou alors insuffisant. Les timbres habituels ne permettent pas d'anticiper les besoins en substance active.

Un jumeau numérique traitant des données provenant de capteurs non invasifs placés sur la peau permet, lui, de doser la substance avec précision et de manière personnalisée. La modélisation mathématique du jumeau numérique tient entre autres compte des propriétés spécifiques de la peau du patient. Il est évident que selon la partie du corps où le timbre est appliqué, ou selon qu'il s'agit de la peau d'un sportif sans cesse exposé au soleil, de la peau fine comme du papier d'une dame âgée ou de la peau délicate d'un prématuré, le passage du médicament s'opère différemment.

Avec un jumeau numérique, il devient possible d'assurer le dosage précis et dynamique du médicament par timbre transdermique dans la mesure où le modèle permet d'anticiper le résultat, et non plus seulement d'en prendre connaissance après coup. «Cette approche devrait aussi nous permettre de réduire les doses – par exemple d'analgésique – jusqu'à la valeur optimale pour le patient» ajoute le chercheur.

La notion de double virtuel est d'actualité au moins depuis la mission Apollo 13 de la NASA. C'est en simulant la situation avec des doubles qu'on a trouvé la solution qui a permis à l'équipage de ramener le vaisseau spatial endommagé sur terre. On utilise aujourd'hui des doubles digitaux dans la conception des avions, des voitures ou de l'entretien des immeubles. «La médecine rêve de doubles complets in silico permettant de prévoir comment un sujet va vieillir ou la manière dont une prothèse osseuse va s'user» explique Defraeye. Mais on n'y est pas encore. Le système de timbre intelligent et de simulation en temps réel est une piste très prometteuse et peu explorée. L'étape du «jumeau numérique» dans la thérapie par timbre transdermique nous rapproche de l'avatar médical.

Dans ses recherches sur le développement du «Digital Twin» médical, Defraeye peut s'appuyer sur les résultats de ses recherches antérieures sur les jumeaux numériques de différents fruits, réalisés dans le cadre d'un projet en technologie alimentaire financé par le Fonds national suisse (FNS), et toujours en cours. Objectif: contrôler en temps réel la continuité de la chaîne de froid, du producteur jusqu'au détaillant, puis, dans une étape ultérieure, intervenir sur le réglage de la chaîne.

A cette fin, Defraeye a placé au milieu d'envois de pommes, de mangues et d'autres fruits des doubles biophysiques aux réactions identiques à celles de leur modèle naturel et fonctionnant comme capteurs. D'un bout à l'autre du voyage, ces «espions» ont envoyé des données à leur jumeau digital qui peut, par exemple, corriger la climatisation d'un camion. Le fruit virtuel se base dans ce cas sur un modèle CAD tridimensionnel de pomme ou de mangue relié à un simulateur multiphysique.

Pour réaliser l'avatar de thérapie transdermique, les chercheurs de l'Empa vont programmer un modèle complexe et multiphysique de la peau qui recevra les signaux de capteurs dermiques. Le développement des capteurs se fera à l'aide de jumeaux d'humains appelés Manikins. Ces mannequins sont équipés de capteurs dont les signaux permettent d'évaluer les valeurs physiologiques et les réactions d'un humain telles que les variations de la température de sa peau ou sa sudation.

Les manikins et le modèle informatique qui leur est couplé ont déjà fait leur preuve dans la simulation de certaines réactions physiologiques humaines. Le système va maintenant être employé dans la réalisation d'un jumeau numérique sensiblement plus complexe et intégrant plus de variables. «C'est que le jumeau virtuel ne doit pas seulement réagir aux changements, il doit également prévoir de manière fiable le dosage individuel des médicaments» précise Defraeye.