Découvre comment la modélisation informatique joue un rôle dans le développement de la biostase.
La Biostase (ou cryogénisation) est un domaine qui dévoile lentement ses possibilités au monde entier. La recherche scientifique, technologique et médicale progresse à un rythme incroyable, nous permettant de réaliser des choses que nous n'aurions jamais cru possibles. Quelles sont les dernières découvertes en matière de cryopréservation ? Où en sommes-nous dans la création de banques d'organes cryopréservés ? Qu'est-ce qui nous empêche de réussir à réanimer un être humain ? Pour répondre à certaines de ces questions, nous avons décidé d'interviewer Roman Bauer, scientifique renommé travaillant sur la biologie computationnelle.
Tu te demandes peut-être : que fait exactement un biologiste informaticien? Ce terme recouvre toute une série de métiers: analyste de données, conservateur de données, développeur de bases de données, statisticien, modélisateur mathématique, bio-informaticien, développeur de logiciels... En gros, tous les scientifiques qui ont décidé de s'appuyer sur les nouvelles technologies pour développer des données analysées et des modèles utiles.
Roman Bauerest un bon exemple de scientifique interdisciplinaire. Après un master en sciences et ingénierie computationnelles avec une spécialisation en physique théorique et en robotique, Bauer a obtenu un doctorat en neurosciences computationnelles à l'Institut de neuro-informatique de Zurich. L'un des différents projets pour lesquels il est célèbre est un logiciel accessible gratuitement, la plateforme BioDynaMocréée en 2015 en collaboration avec l'Université du Surrey, le CERN ( Conseil européen pour la recherche nucléaire) et de multiples autres institutions. Cette plateforme permet aux experts et aux non-experts en informatique de créer, exécuter et visualiser des simulations biologiques 3D basées sur des agents.
Parallèlement à son intérêt pour les neurosciences computationnelles, l'apprentissage automatique et l'IA, ainsi que la recherche sur le cancer, Bauer a passé un certain temps à travailler sur des outils mathématiques et computationnels pour optimiser les protocoles de cryopréservation. Et c'est sur la base de ces connaissances que nous avons décidé de lui poser quelques questions !
Il y a environ 10 ans, à une époque où j'ai commencé à réfléchir plus profondément à la mortalité. C'était principalement dû à la mort d'un très bon ami à moi. On lui a diagnostiqué un cancer à l'âge de 32 ans, et il est mort deux ans plus tard. Son cancer et son décès sont survenus malgré son mode de vie très sain (il n'avait jamais fumé, n'avait jamais bu d'alcool, faisait du sport de compétition, etc.). J'ai vécu ses sentiments et l'impact que sa maladie a eu sur sa famille et ses amis. Cet événement m'a vraiment ouvert les yeux et j'ai pensé que ce serait merveilleux s'il existait un moyen d'interrompre le processus de mort qui entraîne tant de douleur physique et mentale.
Mon intérêt pour la science sous-jacente de la cryopréservation a suivi, initialement sur la base d'une pure curiosité. C'est au cours de mon stage postdoctoral que j'ai vraiment compris le potentiel de mes méthodes de calcul pour les applications biomédicales, et que j'ai commencé à travailler sur le thème du cancer. J'ai compris que mes méthodes pouvaient être appliquées à divers sujets, notamment la cryopréservation.
Actuellement, la cryopréservation est principalement utilisée pour la préservation des cellules (par exemple, le sperme, les cellules souches, les graines) plutôt que des tissus. De plus, elle est principalement basée sur des techniques expérimentales plutôt que sur des méthodes de calcul. Il y a donc beaucoup de travail heuristique et de travail par essais et erreurs. Il existe également un fossé entre ce que l'on peut réaliser aujourd'hui pour les cellules et les organes/individus, et je trouve très excitant de travailler à combler ce fossé.
La nature des défis dépend du processus de cryopréservation. Il existe deux méthodes bien établies, à savoir la "vitrification" et le "refroidissement lent". La vitrificationa donné lieu à de nombreuses avancées et est actuellement plus largement utilisée que le refroidissement lent. Cependant, elle exige que la température baisse rapidement, ce qui n'est pas envisageable pour des volumes à l'échelle des organes. Sinon, de très fortes concentrations d'agents cryoprotecteurs toxiques sont nécessaires. Cette toxicité est donc très problématique pour les tissus complexes.
Il y a là une opportunité très prometteuse pour étudier de nouveaux produits chimiques moins toxiques. En fait, certains animaux produisent des substances antigel qui leur permettent de survivre à des températures très basses. S'inspirer des phénomènes naturels est une voie de recherche très intéressante.
D'autre part, le refroidissement lent ne nécessite pas de chutes de température rapides. Elle est donc plus facilement modulable en termes de volume de tissus. Cependant, le problème du refroidissement lent est la formation de cristaux de glace dans l'espace extracellulaire. Il existe des moyens de réduire, voire d'éviter cette formation de glace, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour obtenir de meilleurs résultats. Il est étonnant de constater que, si l'eau est si courante dans le monde, elle est pourtant si compliquée !
L'utilisation de la modélisation et des simulations informatiques dans le domaine de la cryopréservation est en plein essor, car le potentiel est considérable. En effet, les méthodes informatiques/bioinformatiques ont déjà révolutionné tant d'autres domaines biomédicaux tels que la génomique ou les neurosciences. Dans mon récent projet de recherche financé par leConseil de recherche en ingénierie et en sciences physiquesdu Royaume-Uni (Engineering and Physical Sciences Research Council of the UK EPSRC), nous abordons précisément cette opportunité. Nous sommes actuellement en train de rédiger nos résultats, qui confirment qu'il y a beaucoup à gagner de l'application des techniques de ML. Dans cette optique, nous pouvons créer un « banc d'essai virtuel » pour simuler de manière computationnelle les changements attendus dans les cellules et utiliser des méthodes d'optimisation sophistiquées pour déterminer les meilleurs paramètres de protocole. Je décris également ce travail sur mon site web personnelwww.romanbauer.net.
Si par « réussir » vous entendez la capacité de cryopréserver des organes humains, c'est très difficile à dire, car la science ne progresse pas de manière prévisible. L'illustre Einstein a dit : « Si nous savions ce que nous faisons, cela ne s'appellerait plus de la recherche, n'est-ce pas ? ». Mais je sais que nous ne faisons actuellement qu'effleurer la surface, et que le domaine doit prendre de l'ampleur. À ma connaissance, aucun programme universitaire ne comporte un module consacré à la cryopréservation. La cryopréservation est plutôt considérée comme un ensemble de protocoles utilisés à la demande, en tant que service aux groupes de recherche. Si la cryopréservation était davantage reconnue comme un domaine de recherche universitaire et un sujet de formation pour les étudiants, cela aiderait beaucoup.
Je suppose que c'est une histoire ou un film (probablement le conte de fées classique "Dornroeschen" ou peut-être le film "Forever Young" avec Mel Gibson) qui m'a fait découvrir l'idée de préserver un être humain. À l'époque, j'étais très jeune et je n'y ai pas vraiment réfléchi. Mais cette idée est restée gravée au fond de mon esprit et s'est galvanisée lorsque j'ai lu"The Prospect of Immortality" de Robert Ettinger.
Ce serait la plus grande réalisation de l'humanité depuis l'invention de la roue. Les patients atteints d'un cancer en phase terminale ou de maladies dégénératives graves auraient la possibilité d'être guéris à l'avenir. Les voyages spatiaux à longue distance et la colonisation des planètes extérieures deviendraient des options viables. La médecine d'urgence serait révolutionnée. Les conséquences positives sont nombreuses.
Les deux types de cryoconservation seraient d'une immense valeur. L'étude de Giwa et al. (Nature Biotechnology, 2017) affirme que la disponibilité d'un nombre suffisant d'organes pourrait théoriquement prévenir plus de 30 % des décès. La durée de vie en bonne santé de l'être humain moyen serait considérablement améliorée.
Je pense que la cryoconservation humaine améliorerait également la société car elle favoriserait la réflexion à long terme. Le fait de savoir que nos vies peuvent, de manière réaliste, durer bien plus longtemps que 80 ou 90 ans entraînerait davantage de considérations et de motivation pour vivre ensemble dans une société florissante, ainsi que sur une planète saine.
La cryoconservation est actuellement moins académique et reçoit moins de financement public que de nombreux autres domaines scientifiques. Je l'ai particulièrement bien remarqué parce que ma formation se situe dans le domaine des neurosciences computationnelles, où il existe depuis longtemps une culture bien établie d'ensembles de données et d'outils librement disponibles. Les intérêts commerciaux et les restrictions légales jouent un rôle important dans la cryoconservation, ce qui a conduit à la protection ou à l'octroi de licences pour de nombreux éléments de propriété intellectuelle et a rendu plus difficile la collaboration et la démocratisation de la recherche. Je pense donc que nous avons besoin d'un financement accru de la recherche qui exige que les résultats soient mis à disposition en libre accès et qui soutienne la collaboration internationale.
C'est pour ces raisons que j'ai moi-même cofondé la collaboration BioDynaMo, où nous avons créé un logiciel libre pour modéliser les systèmes biologiques, y compris la cryoconservation des cellules et des tissus. Nous sommes maintenant une collaboration de 9 institutions de 6 pays différents, et nous sommes fortement engagés à rendre nos résultats, nos ressources et nos compétences accessibles à la communauté des chercheurs. Nous organisons régulièrement des réunions auxquelles peuvent participer toutes les personnes intéressées. Ce serait formidable si nous pouvions collaborer davantage avec les chercheurs en cryoconservation et créer une plateforme où les données et les protocoles sont partagés.
La cryoconservation est un domaine jeune et restreint qui présente un grand potentiel. Vous n'avez pas besoin d'être un chercheur ou un milliardaire pour y contribuer, ni de vous impliquer à plein temps. Si vous êtes prêt à vous engager, il est possible de faire une grande différence. Si vous vous intéressez à ce sujet, je vous conseille donc de bien réfléchir à la voie qui correspond le mieux à votre état d'esprit, à vos passions et à ce qui vous stimule vraiment.
Lors de la conférence Biostasis2021, nous avons eu le plaisir de rencontrer personnellement Roman Bauer et de l'écouter parler de « The Future of Cryopreservation : Computational Approaches and Automatisation ». Pour en savoir plus sur son projet BioDynaMo et sur ses efforts pour développer une approche informatique de la cryopréservation, tu trouveras ci-dessous l'intégralité de son intervention.
La communauté de la cryogénisation est composée de différentes personnes qui utilisent leurs connaissances pour l'avancement de cette science. Chez Tomorrow Biostasis, nous attendons de grands résultats !
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