Modélisation, simulation et traitement du signal en électrophysiologie cardiaque – CardioXcomp

La modélisation et la simulation numérique du système cardiovasculaire vont très probablement bouleverser les pratiques de la recherche pharmaceutique, au bénéfice de plus de sécurité et d'efficacité pour les patients et de plus de compétitivité pour les entreprises qui sauront en tirer parti. Comme c’est déjà le cas dans l'ingénierie classique, l'expérimentation numérique permettra de réduire le recours à l'expérimentation réelle – en particulier animale – avec des conséquences importantes en terme financier et éthique.

Mais force est de constater que, pour l’heure, la modélisation cardiovasculaire reste cantonnée aux milieux académiques. Notre conviction est que la manière la plus efficace de transférer vers l’industrie pharmaceutique des outils de simulation est de les développer au plus près des données expérimentales. C’est l’idée fondamentale de notre Laboratoire Commun “CardioXcomp” qui réunit un éditeur de logiciel français, NOTOCORD, spécialisé dans l’acquisition et le traitement de signaux biomédicaux, et une équipe de mathématiciens appliquées d’Inria.

Notre premier objectif, pour les 3 premières années, est de nous focaliser sur la modélisation d’un dispositif, appelé MEA, pour Micro Electrode Array, qui sera utilisé pour des mesures spatio-temporelles du potentiel extracellulaire de cellules cardiaques dérivées de cellules souches. Rendre ces mesures exploitables par l’industrie pharmaceutique constitue un défi que NOTOCORD relève dans le cadre du projet CardioXpress, qui a reçu un label Eurostars de la communauté européenne. Notre LabCom CardioXcomp propose de franchir une étape supplémentaire afin de permettre à l’utilisateur du MEA non seulement d’acquérir et traiter les signaux spatio-temporels, mais aussi de les assimiler dans des modèles mathématiques de cardiomyocytes. Par leurs propriétés descriptives et prédictives, les modèles, en intégrant les résultats de l’expérience, permettront d’évaluer les changements induits par un composé, p. ex. l’impact sur les canaux ioniques ou sur les structures internes de la cellule. La simulation permettra de confirmer ou infirmer des hypothèses d’action d’un produit.

Les codes de calcul qui seront développés dans le cadre de ce LabCom intègreront le « gold standard » de la modélisation en électrocardiologie : équations aux dérivées partielles dites « bidomaines », accompagnées d’une riche bibliothèque de modèles cellulaires. Les techniques les plus récentes du calcul scientifique seront utilisées afin de satisfaire, avec un logiciel de simulation numérique, les exigences de rapidité attendues d’un logiciel de traitement du signal. Des méthodes d’assimilation de données et d’apprentissage statistique seront mises en œuvre pour identifier les paramètres et sélectionner les modèles les plus prédictifs. La variabilité des résultats expérimentaux sera étudiée et intégrée dans les modèles.
Les retombées attendues au terme des trois premières années sont non seulement la mise en place d’une offre logicielle innovante à destination de la recherche pharmaceutique et de l’industrie des cellules souches, mais aussi le dépôt de brevets sur l’utilisation de ces techniques pour le test prédictif des effets des médicaments sur les cellules cardiaques.

Au-delà des trois premières années, nos domaines d’expertise communs nous permettront d’aborder d’autres types de signaux cardiovasculaires.