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Le premier modèle numérique 3D du traitement des insuffisances respiratoires

Un modèle numérique tridimensionnel du poumon élaboré par une équipe du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l’X, en collaboration avec des chercheurs de l’Université du Michigan, ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement des syndromes de détresse respiratoire.

Pour la première fois, un modèle numérique tridimensionnel du poumon permet de prédire le transport et la répartition d’un médicament depuis la trachée jusqu’aux alvéoles et d’en mesurer l’efficacité. Élaboré par l’équipe de Marcel Filoche au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (École polytechnique/CNRS), en collaboration avec l’équipe de James B. Grotberg de l’Université du Michigan, ce modèle ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques dans le traitement de troubles respiratoires, notamment les syndromes de détresse respiratoire (SDR et SDR aigüe) touchant les bébés prématurés et les adultes.
Ces travaux de recherche sont parus dans la prestigieuse revue américaine PNAS (Proceedings of the National Academy of Science of the USA).

Le poumon est un organe complexe constitué d’un réseau de bronches dans lequel l’air est conduit jusqu’aux alvéoles, lieux où s’opèrent les échanges gazeux entre l’air et le sang. Ces alvéoles sont normalement tapissés d’une substance liquide, appelée surfactant, qui permet leur dilatation et contraction régulières durant la respiration. Or l’absence ou le manque de surfactant entraîne des détresses respiratoires chez le nouveau-né prématuré et participe au syndrome de détresse respiratoire aiguë chez l'adulte (SDRA). L’un des traitements préconisés consiste en l’administration directe de surfactant dans la trachée du patient. Cependant, son efficacité reste limitée. Ainsi, près de 35% des bébés prématurés ne répondent pas au traitement par substitution de surfactant et cette thérapie n’a pas connu le succès escompté chez l’adulte.

La mise au point du premier modèle physico-mathématique permet aujourd’hui de comprendre les mécanismes qui régissent le transport d’un médicament liquide par voie trachéo-bronchique. « Nos travaux ouvrent la voie à une révision complète des essais passés et à une revisite possible de voies thérapeutiques abandonnées pour des raisons peut-être erronées, explique Marcel Filoche, du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (École polytechnique/CNRS). En effet, grâce à notre modèle, nous avons pu montrer que les hypothèses classiques qui sous-tendent les essais cliniques ne sont pas toujours vérifiées. Le système pulmonaire est très complexe et le trajet du surfactant administré dépend de ses propriétés physico-chimiques, de la taille du patient ou encore de la méthode d'administration ».

Pour aboutir à un tel modèle, les chercheurs ont intégré des données de l’architecture pulmonaire tridimensionnelle (bronches, bronchioles, alvéoles), les propriétés du fluide (viscosité, densité), les lois d’interactions entre fluide et paroi et les mécanismes de séparation à chaque bifurcation en fonction de l’orientation et de la gravité. Grâce à ce nouvel outil, les médecins et les laboratoires pharmaceutiques peuvent espérer ainsi améliorer la prédiction de l’efficacité thérapeutique et individualiser les traitements pour les adapter à chaque patient.