Le génome à l'ère du numérique

Les observations, interprétations et conclusions exposées ici sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue de la Banque européenne d’investissement.

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À l’aube de ce millénaire, le séquençage du génome humain a marqué le début d’une nouvelle ère pour la biomédecine. Le séquençage du génome est devenu si rapide et si peu coûteux qu’il peut être appliqué couramment à des patients individuels, et conduire à l’identification de variantes génétiques qui sont à la fois des facteurs clés du développement de la maladie et la cause de réponses différenciées aux thérapies. En outre, les nanotechnologies et la robotique ont permis de mettre au point des outils thérapeutiques innovants et des techniques de diagnostic puissantes, comme l’analyse de l’ensemble des protéines humaines (la protéomique) et le traitement de données d’imagerie à haute résolution des tissus des patients, qui facilitent grandement le diagnostic en détectant de manière fiable les premiers signes de la maladie. Ces technologies permettent d’observer divers aspects de l’évolution de la maladie au fil du temps et donnent un aperçu plus général de l’état d’un patient. Dans le domaine médical, les progrès technologiques et l’évolution du génome nous permettent désormais de proposer des diagnostics mieux adaptés et une efficacité thérapeutique accrue, tout en réduisant les effets secondaires pour un patient donné. Relevant d’une « médecine de précision », ces approches favorisent les progrès dans les soins de santé et prolongent la durée de vie de la population en général.

En dépit de ces accomplissements, d’importants défis sanitaires subsistent et la pandémie actuelle de COVID-19 nous montre, de manière tragique, à quel point nos systèmes sont vulnérables. Outre les menaces imprévisibles qui ont pour origine de nouveaux virus émergents, les changements démographiques, et leurs effets sur l’urbanisation en particulier, le vieillissement de la population, les évolutions sociétales et les maladies neurodégénératives incurables, sont autant de préoccupations dont l’urgence ne cesse de s’accentuer en Europe. Dans le même temps, un monde du travail toujours plus exigeant, le stress chronique d’origine professionnelle et la propagation de nouveaux types de maladies facilitée par la mondialisation aggravent la situation. Compte tenu de ces défis et d’autres, les avancées sanitaires continuent de figurer parmi les enjeux de taille des sociétés modernes. 

L’Union européenne et ses États membres envisagent la santé comme une priorité absolue. Par l’intermédiaire du programme « Santé » de l’UE, les États membres tentent de renforcer davantage les systèmes de santé et d’améliorer les programmes visant à éduquer les citoyens en vue de former des communautés plus fortes et fondées sur la connaissance. Le présent essai porte une réflexion sur les progrès scientifiques et technologiques qui ouvrent de nouvelles voies thérapeutiques pour les principales maladies humaines et pour assurer un bon état sanitaire en Europe et dans le monde entier.

Modes de vie et changements climatiques menacent notre santé

Les maladies non transmissibles (MNT), telles que le diabète, les pathologies cardiovasculaires ou le cancer, constituent la principale cause de décès dans le monde. Avec les maladies respiratoires et les troubles mentaux chroniques, elles seraient responsables de 86 % des décès et représenteraient 77 % de la charge de morbidité en Europe¹. Pour la plupart de ces pathologies, un mode de vie sain – ne pas fumer, éviter l’abus d’alcool, avoir une alimentation saine et pratiquer une activité physique régulière – pourrait considérablement réduire le nombre de décès prématurés. Le succès des campagnes de prévention est parfaitement illustré par la réduction des taux de cancer du poumon à suite des premières campagnes anti-tabac et de l’interdiction de la publicité pour les cigarettes dans les années 70. La plupart des MNT sont d’évolution chronique, ce qui, ajouté au vieillissement de la population, fait peser une charge croissante sur les systèmes de santé.

En outre, l’augmentation des voyages et de la mobilité à l’échelle internationale, la mondialisation des échanges (notamment dans le domaine alimentaire), conjuguées aux changements climatiques et à la pollution environnementale, ont des répercussions sur les conditions de vie et favorisent la propagation des maladies infectieuses. Parmi celles-ci, la grippe représente le fardeau le plus lourd pour nos sociétés, suivie par la tuberculose et le VIH ². Ainsi, les vagues communes de la grippe tuent quelque 44 000 personnes chaque année en Europe. La fragilité visible de nos systèmes de santé actuels face aux nouvelles infections et pandémies – y compris, en particulier, à l’épidémie actuelle de COVID-19, mais aussi aux récents foyers des virus Ebola et Zika – est très préoccupante.

Alors que les conditions météorologiques extrêmes ont déjà des répercussions délétères sur la santé et le bien-être des citoyens européens, en particulier des personnes âgées, les changements climatiques et leur incidence sur les écosystèmes sont en train de modifier la distribution régionale des maladies infectieuses. L’Europe doit s’attendre à être confrontée à un nombre croissant d’infections dues à des pathogènes tropicaux et subtropicaux ³. Malheureusement, une autre menace majeure plane avec la formation de bactéries résistantes aux antibiotiques et la réapparition de virus que l’on croyait avoir pratiquement éradiqués en Europe, à l’origine de maladies parmi les plus contagieuses que l’on connaisse, comme la poliomyélite ou la rougeole.

Menaces émergentes

La récente épidémie de COVID-19 reflète à la fois les capacités et les limites du progrès scientifique. Lorsqu’une pneumonie d’origine inconnue a fait son apparition en Chine à la fin du mois de décembre 2019, il n’a fallu littéralement que quelques jours ou semaines pour isoler le coronavirus responsable, publier sa séquence génétique complète et dévoiler une série de détails concernant sa structure moléculaire. Nous avons assisté à un effort mondial sans précédent en matière de partage d’informations, auquel ont participé non seulement des scientifiques, mais aussi des maisons d’édition, des gouvernements et des autorités sanitaires, un effort qui n’a pourtant pas empêché l’épidémie de COVID-19 d’évoluer vers une pandémie. L’explication est en grande partie liée à notre mode de vie mondialisé, mais aussi au fait que les systèmes de santé publique dans le monde entier n’ont pas opposé une réponse unie et globale à la pandémie en expansion. Dans de tels moments critiques, les individus se tournent vers la science, alors même que les progrès scientifiques prennent du temps, en particulier lorsqu’il y a lieu de mettre au point de nouveaux vaccins et traitements. Selon les prévisions actuelles, la communauté scientifique mondiale aura besoin d’au moins une année supplémentaire pour mettre au point un vaccin sûr et efficace, sans doute le moyen le plus efficient pour endiguer la propagation du virus.

Apprentissage automatique et nouvelles thérapies

Les nouvelles technologies nous aident à relever les défis en matière sanitaire. Conduisant à un diagnostic plus rapide et plus précis de nombreuses maladies, elles permettent de démarrer un traitement plus tôt. Grâce à la révolution des technologies « omiques » ⁵, l’accès aux données pertinentes concernant un patient ne présente plus d’obstacle majeur. Le plus grand défi consiste désormais à intégrer et à interpréter ces données. Dans ce contexte, les sciences informatiques et l’intelligence artificielle (IA) sont porteuses d’espoir. Les algorithmes utilisés dans l’apprentissage automatique ont atteint un stade avancé et peuvent contribuer à la fois à mettre au point de nouvelles stratégies thérapeutiques fondées sur l’intégration et l’interprétation des données et à surveiller la réponse des patients aux thérapies. Ainsi, le séquençage unicellulaire, la comparaison génomique (entre individus ou au fil de l’évolution d’une maladie), l’imagerie numérique et la protéomique clinique ⁶ sont actuellement utilisés pour détecter des maladies pulmonaires uniques ou des cellules spécifiques du cancer du sein. Sur la base des données d’imagerie les systèmes d’IA sont déjà en mesure de diagnostiquer des pathologies avec une fiabilité identique, voire supérieure, à celle d’un médecin. Il y a quelques années à peine, de nombreux experts considéraient tout cela encore comme peu plausible.

Chaque maladie est différente

Au cours des deux premières décennies de ce siècle, nous avons acquis une série de connaissances de base sur le rapport entre la variation génétique et les symptômes de plusieurs maladies courantes, un effort amplement soutenu par des organisations de financement et caritatives européennes, telles que Wellcome Trust, une des plus grandes fondations caritatives britanniques finançant des travaux de recherche dans le domaine de la santé ⁹. Toutefois, la concrétisation de ce précieux savoir en de meilleurs systèmes de diagnostic et de nouveaux médicaments et traitements ne fait que commencer.

La fonction de grandes parties du génome est loin d’avoir été élucidée, notamment concernant la majorité du génome qui ne contient pas de gènes codant pour des protéines et qui a longtemps été considérée comme une « décharge » de l’évolution. Nous connaissons les variations génétiques à l’origine de l’apparition de maladies humaines : il s’agit souvent de la modification d’une seule paire de bases dans le génome, également appelée polymorphisme de nucléotide simple (SNP pour Single Nucleotide Polymorphism), mais nous ignorons le plus souvent comment une variation spécifique altère le bon fonctionnement. Nous ne comprenons pas non plus l’influence des nombreuses autres variations génétiques dont un individu pourrait être porteur, ni leur interaction avec le mode de vie ou les facteurs environnementaux. La découverte des mécanismes moléculaires qui entrent en jeu et la compréhension de leur régulation et de leurs interactions dans différents contextes permettront de révéler les différences entre patients et de jeter les bases de stratégies thérapeutiques individuelles les concernant.

Les algorithmes combattront-ils le cancer ?

Chez les êtres humains, l’apparition d’un cancer relève d’un processus en plusieurs étapes caractérisé par une instabilité génétique et des mutations cellulaires dues à la nature aléatoire et imprévisible d’une évolution accélérée. Le cancer n’est pas une maladie unique, mais un ensemble particulier de changements génétiques ou moléculaires qui entraîne une prolifération incontrôlée de cellules spécifiques aboutissant à des dysfonctionnements physiologiques. En conséquence, une tumeur renferme des milliers de types différents de cellules transformées, ce qui complique le traitement. Malgré ces caractéristiques peu réjouissantes, le traitement des tumeurs a beaucoup progressé au cours des dernières décennies.

Jusqu’à présent, les patients atteints d’un cancer étaient généralement traités avec de puissants inhibiteurs de la croissance cellulaire. Cette approche relève de la chimiothérapie, qui s’accompagne généralement d’importants effets secondaires car elle touche la croissance cellulaire globale de l’organisme. Les caractéristiques de ce type de traitement, à la fois non spécifique et très invasif, font désormais des patients atteints d’un cancer probablement les plus grands bénéficiaires de la révolution moléculaire. Les percées scientifiques issues de la connaissance des mécanismes moléculaires sous-jacents au développement du cancer ont révolutionné les traitements thérapeutiques. Si les traitements conventionnels, tels que la radiothérapie ou la chimiothérapie, qui détruisent les cellules cancéreuses, continuent de jouer un rôle central, on tend désormais à leur associer des approches plus ciblées, comme les récentes immunothérapies qui ont prouvé leur efficacité. En outre, le diagnostic a fait un bond prodigieux, grâce au suivi de biomarqueurs sanguins et aux tests génétiques de dépistage des mutations pertinentes, qui permettent d’identifier précocement les personnes à risque ou déjà malades, et de déterminer le type précis de tumeur. Il est possible de soigner de nombreux cancers aux premiers stades de la maladie. Par conséquent, un diagnostic précoce est une promesse d’effet majeur et à court terme sur la survie des patients.

Les approches personnalisées en matière de thérapie anticancéreuse nécessitent des investissements importants dans les technologies d’analyse et d’intégration des données et dans le développement de nouveaux algorithmes prédictifs. Grâce à une meilleure connaissance des différents profils de mutation tumorale, de nouvelles cibles apparaîtront et de nouveaux médicaments seront créés. Heureusement, la mise au point de technologies de criblage à haut débit¹¹, comme l’utilisation de ciseaux génétiques CRISPR-Cas9 pour modifier des segments spécifiques du code génétique, nous a dotés de puissants outils pour identifier les vulnérabilités des cellules tumorales, nous permettant de mieux prévoir la sensibilité d’une tumeur à l’action d’une certaine combinaison de médicaments, voire de corriger des mutations dues à des formes héréditaires de cancer ou à d’autres maladies héréditaires.

Ces technologies ouvrent également la voie à des efforts systématiques visant à repositionner des médicaments déjà approuvés, en testant des combinaisons qui pourraient se révéler efficaces contre des tumeurs spécifiques. Ces méthodes sont susceptibles de réduire considérablement les importants délais requis pour l’application clinique de nouveaux concepts thérapeutiques.

Le monde vieillit

Le nombre de personnes âgées de plus de 60 ans devrait doubler d’ici à 2050, atteignant près de 2,1 milliards d’individus dans le monde. Cette tendance démographique est particulièrement prononcée au Japon et dans l’UE¹². Le vieillissement démographique place un nouveau défi au centre des préoccupations de la médecine : les maladies neurodégénératives telles que la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la démence. Les patients qui en sont atteints souffrent d’une destruction graduelle des cellules nerveuses du cerveau et (ou) de la moelle épinière, qui entraîne des troubles de la coordination des mouvements, des troubles mentaux, voire les deux. Les maladies neurodégénératives sont susceptibles de conduire à une crise sanitaire d’ici le milieu du XXIe siècle, la maladie d’Alzheimer ayant probablement les répercussions les plus fortes. D’ici 2050, le nombre de patients souffrant de ces pathologies devrait plus que tripler, ce qui pèsera lourdement sur les familles touchées, les systèmes de santé publique et l’ensemble de la société.

 

La dégénérescence neuronale est principalement due à une accumulation de dépôts délétères – souvent de protéines agrégées – et aux dommages causés aux unités fonctionnelles à l’intérieur des cellules, dans les « organites » (mitochondries, réticulum endoplasmique, lysosomes) de neurones disposant d’une importante longévité. Cette évolution entraîne une atteinte progressive et lente qui, à terme, mène à la mort de groupes spécifiques de neurones dans le cerveau. Partant de ces connaissances, les scientifiques cherchent désormais à repérer des événements très précoces annonçant une neurodégénérescence et qui pourraient être inhibés avant que les dommages ne s’accumulent et n’entraînent une perte massive de neurones. Il s’agit évidemment d’un pari délicat, car les thérapies, pour être efficaces, devraient démarrer 10 à 20 ans avant l’apparition des premiers symptômes, dès l’accumulation des premiers dépôts dans les neurones. À l’heure actuelle, nous ne disposons pas d’outils de diagnostic non invasifs qui pourraient nous permettre de repérer cette étape, et notamment de pratiquer un dépistage massif de la population. Une fois que les neurones ont commencé à mourir, il devient beaucoup plus difficile de stopper l’effet domino de la maladie. Par exemple, ce sont près de 80 % des neurones dopaminergiques (neurones qui synthétisent la dopamine, un neurotransmetteur nécessaire au bon fonctionnement du système nerveux) qui commencent à s’atrophier avant l’apparition des premiers symptômes cliniques de la maladie de Parkinson, ce qui indique un ample créneau pour l’administration d’une thérapie. De même, dans le cas de la maladie d’Alzheimer, les lésions des neurones hippocampiques, essentiels pour les connexions intervenant dans le processus de la mémoire, s’accumulent souvent pendant de nombreuses années avant que les cellules nerveuses ne perdent leurs fonctions.

Et maintenant ?

La révolution numérique a déjà eu d’importantes répercussions sur la prise en charge des patients, depuis la grande quantité d’informations (pas toujours contrôlées par des professionnels de la santé) disponibles en ligne et sur des applications mobiles qui peuvent enregistrer et partager des données sanitaires avec des médecins à distance (ce qui relève d’une tendance plus générale à la télésurveillance des patients). Grâce à la possibilité de séquençage rapide et abordable de l’ensemble du génome humain, des thérapies adaptées au patrimoine génétique d’un patient donné sont désormais à portée de main.

Les possibilités sans précédent offertes par le calcul intensif, l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle s’accompagnent de préoccupations éthiques et de vives craintes quant à l’avenir de la médecine. Ce dilemme est tout particulièrement visible dans le domaine du génie génétique. La technologie révolutionnaire CRISPR-Cas9 ¹³ permet d’intervenir de manière extrêmement précise et rapide sur le matériel génétique des organismes vivants, tout en présentant un bon rapport coût-efficacité. Elle offre des possibilités extraordinaires non seulement pour l’écologie et la production alimentaire, mais aussi pour la découverte des causes des maladies et la mise au point de nouvelles thérapies pour les pathologies humaines. Elle est néanmoins également susceptible d’être (mal) utilisée pour générer des êtres humains génétiquement modifiés, voire
« optimisés ». En outre, il n’est pas certain que, dans tous les cas, la méthode n’ait pas d’effets « hors cible » sur le génome, qui pourraient avoir des conséquences indésirables et transmissibles chez les patients soumis à une thérapie génique.

La science en libre accès

Existe-t-il une solution pour maîtriser les coûts élevés des soins de santé ? Des systèmes de santé durables pourraient reposer sur quelques concepts clés : des normes rigoureuses, une tarification équitable, une organisation efficace, un système de science ouverte, un public bien informé et des professionnels bien formés.

Du point de vue du monde universitaire, l’accès ouvert à la recherche scientifique est susceptible de réduire considérablement le prix des médicaments et devrait être rendu obligatoire lorsque celle-ci est financée par des fonds publics. Réunissant des forces venues des quatre coins de la planète, le Consortium international pour le séquençage du génome humain a joué un rôle pionnier en mettant à la disposition du public une séquence complète du génome humain. Depuis lors, de nombreux projets biomédicaux à grande échelle, financés par le secteur public, ont suivi son exemple, en permettant le partage de volumes croissants de données via des bases de données aisément accessibles. Des bailleurs de fonds et des décideurs politiques au sein de l’Union européenne, notamment des entités de recherche financées par la Commission européenne et des organisations caritatives, ont défendu des politiques en faveur de la science ouverte.

Malgré ces efforts, la mise au point de médicaments et le prix des nouveaux traitements demeurent aux mains des fabricants, qui, de leur côté, utilisent la recherche scientifique financée par des fonds publics. Nous pourrions toutefois être à l’aube d’une ère nouvelle. Davantage de partenariats public-privé, comme le Consortium de génomique structurelle, voient le jour, permettant à des scientifiques du monde universitaire et de l’industrie de collaborer pour découvrir de nouveaux médicaments grâce à une recherche en accès ouvert. Leur bilan en matière de recherche a déjà montré que la science ouverte est un succès et peut avoir des retombées durables sur la mise au point de médicaments, l’éducation et les sociétés. En outre, de nouveaux modèles de financement pour une recherche intégrée université-industrie et l’utilisation de technologies de pointe sont nécessaires, étant donné les insuffisances des approches classiques actuelles pour la mise au point de nouveaux médicaments et antibiotiques, ou encore de thérapies adaptées pour les maladies neurodégénératives. Il nous faut un effort concerté, sur le modèle du projet du génome humain, afin de générer les outils et les technologies qui permettront d’étudier toutes les protéines du protéome humain et de manipuler celles qui participent aux mécanismes des maladies.

Partager les responsabilités pour l'avenir

Faire évoluer la culture de la recherche sur les médicaments d’un processus centré sur la pharmacologie vers des traitements personnalisés axés sur la maladie permettra d’éliminer des cycles de recherche souvent superflus et de réduire le coût de la mise au point de médicaments. L’Union européenne pourrait économiser au moins 10,2 milliards d’euros par an si les principes des données FAIR (faciles à trouver, accessibles, interopérables et réutilisables) étaient pleinement
mis en œuvre ¹⁵. Trouver des solutions au dilemme de la recherche ne saurait relever uniquement des scientifiques et des cliniciens, la contribution des compagnies d’assurance, des pouvoirs publics, de l’industrie pharmaceutique et du public étant en revanche nécessaire.

Garantir un accès équitable à des soins de santé de qualité dépendra de notre capacité à proposer les thérapies et les soins les plus efficaces à tous les patients, indépendamment de la maladie dont ils souffrent. Les avancées dans le domaine de la science et de la technologie peuvent conduire à des progrès en matière de médecine et de soins de santé, mais ce sont des responsabilités partagées et des politiques communes au niveau planétaire qui permettront de les concrétiser.

Les observations, interprétations et conclusions exposées ici sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue de la Banque européenne d’investissement.

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Notes

[1] http://www.euro.who.int/en/health-topics/noncommunicable-diseases
[2] https://www.eurosurveillance.org/content/10.2807/1560-7917.ES.2018.23.16.17-00454#abstract_content
[3] FEMS Microbiol Lett. 1er février 2018 ; 365(2). doi: 10.1093/femsle/fnx244.
[4] EMBO Mol Med 2018 10:e9176. https://doi.org/10.15252/emmm.201809176;
https://www.who.int/csr/don/06-may-2019-measles-euro/en/
[5]  Le terme « omiques » se réfère à l’ensemble des technologies utilisées pour caractériser et quantifier des pools de molécules biologiques et pour explorer leurs rôles, relations et actions au sein des cellules d’un organisme vivant. https://www.genomicseducation.hee.nhs.uk/blog/the-omics-revolution/
[6] Le protéome est l’ensemble des protéines qui sont ou peuvent être exprimées par un génome,
une cellule, un tissu ou un organisme à un moment donné (Wikipédia).
[7] https://blog.benchsci.com/
[8] https://www.who.int/hiv/en/
[9] https://wellcome.ac.uk/
[10] Les anticorps monoclonaux (mAb ou moAb) sont des anticorps fabriqués par des cellules immunitaires identiques, lesquelles sont toutes des clones d’une cellule mère unique (Wikipédia).
[11]  Le criblage à haut débit est une méthode d’expérimentation scientifique spécialement utilisée dans le cadre de la découverte de médicaments et qui concerne les domaines de la biologie et de la chimie. Faisant appel à la robotique, aux logiciels d’exploitation des données et de contrôle, aux dispositifs pour manipulation des liquides et aux détecteurs sensibles, le criblage à haut débit permet à un chercheur de réaliser rapidement des millions d’essais chimiques, génétiques ou pharmacologiques. https://fr.wikipedia.org/wiki/Criblage_%C3%A0_haut_d%C3%A9bit
[12] https://www.un.org/en/development/desa/population/publications/pdf/ageing/
WPA2017_Highlights.pdf
[13] En deux mots, cette technologie consiste à injecter de nouvelles informations génétiques dans les cellules, codant pour le ciseau génétique Cas, ce qui permet ensuite de couper l’ADN avec précision en ciblant un site spécifique qui peut être déterminé au préalable. Elle peut servir à modifier le code génétique, par exemple pour changer la fonction de certains gènes ou éliminer des mutations dangereuses.
[14]https://www.scientificamerican.com/article/crispr-babies-scientist-sentenced-to-3-years-in-prison/
[15] https://ec.europa.eu/research/openscience/index.cfm