En octobre 2015, nous avons lancé le Grand défi de la recherche sur le cancer au Royaume-Uni – un programme de 100 millions de livres sterling pour relever sept des plus grands défis dans la compréhension et le traitement du cancer.
Et dans une série d’articles, nous explorons chacun des sept questions du Grand Challenge établi par un groupe d’experts mondiaux du cancer. Le cinquième de nos sujets Grand Challenge pose la question : peut-on développer un ‘Google Street View’ pour le cancer ?
« Vous avez atteint votre destination » : cinq mots qui sont devenus synonymes de la façon dont la technologie nous aide à nous déplacer.
Et que ce soit via des satellites en orbite autour de la Terre ou de petites voitures transportant des caméras, la cartographie numérique complexe a rendu la navigation dans notre monde beaucoup plus simple. En quelques clics de doigts, nous pouvons zoomer sur notre bureau de poste le plus proche ou sur les frontières des continents.
Pendant des années, les chercheurs ont utilisé des microscopes et des scanners sophistiqués pour cartographier les tumeurs de la même manière, espérant que cela pourrait révéler de nouvelles voies pour traiter la maladie.
Parallèlement à cela, les scientifiques ont également méticuleusement détruit les tumeurs pour étudier les masses de cellules qui forment les «villes» et les «villes» voyous qui composent le cancer.
Ces deux mondes de recherche différents ont permis de faire de grands progrès dans la façon dont nous diagnostiquons et traitons le cancer. Grâce aux dernières techniques d’imagerie, les médecins peuvent voir la taille d’une tumeur, aidant ainsi à planifier des procédures telles que la chirurgie ou la radiothérapie.
Et avec des échantillons de cellules (biopsies), nous pouvons commencer à comprendre les molécules défectueuses qui ont conduit des groupes de cellules sur la voie du cancer, indiquant celles qui pourraient également être la cible de nouveaux traitements.
Mais rassembler toutes ces informations complexes avec suffisamment de détails a été difficile. Notre carte n’est pas complète. Nous pouvons voir la frontière de la ville, mais nous n’avons aucune idée de la façon dont les différents arrondissements en son sein sont reliés. Et bien que nous sachions qu’il existe de mauvais quartiers, identifier les communautés cellulaires voyous et comprendre comment ils corrompent leurs voisins est tout simplement hors de portée.
Notre cinquième Grand Challenge espère changer cela.
Grâce à une combinaison de technologies de nouvelle génération et d’expertise allant de la physique et des mathématiques à la biologie et à l’informatique, nous voulons construire la carte ultime du cancer.
Un nouveau type d’orgue
« Nous savons depuis longtemps qu’une tumeur n’est pas qu’un ensemble de cellules cancéreuses », déclare le Dr Rick Klausner, ancien directeur de l’US National Cancer Institute et président de notre groupe consultatif Grand Challenge.
Au lieu de cela, il voit une tumeur comme un organe, se développant à partir de nos propres cellules qui ont mal tourné.
« Depuis un siècle, toutes nos recherches scientifiques visent à décrire le cancer en isolant les cellules », dit-il.
«Cela est parfaitement logique. Et nous avons fait de grands progrès.
Mais en arrière-plan, dit Klausner, nous avons toujours su que pour vraiment comprendre comment la maladie se comporte, nous devons la voir comme un organe.
En travaillant avec des échantillons isolés, les chercheurs mesurent en fait une moyenne des gènes et des molécules défectueuses à l’intérieur, manquant potentiellement certains des détails les plus fins sur le fonctionnement des cellules porteuses de ces défauts. Ainsi, alors qu’ils étaient conscients de l’ampleur du problème, la technologie leur manquait pour le comprendre pleinement.
Imaginez-le comme une carte d’un pays que vous essayez d’attaquer. Il y a une armée quelque part dans le pays, et vous savez que certaines personnes dans l’armée portent des fusils. Mais, plus important encore, vous ne savez pas exactement où ils se trouvent – Dr Rick Klausner
« La réalité est que la grande majorité de nos technologies de recherche impliquent la mesure de molécules en vrac », déclare Klausner.
«Ce que nous faisons, c’est que nous mesurons la quantité totale d’ADN, par exemple, ou les changements totaux d’ADN dans une tumeur. La tumeur, avec toutes ses cellules et toutes ses relations de voisinage, est perdue. Nous faisons tout pour perdre la cartographie, et nous demandons simplement quel est le contenu total. »
Il compare cela à la logistique de la guerre : « Imaginez-le comme une carte d’un pays que vous essayez d’attaquer. Il y a une armée quelque part dans le pays, et vous savez que certaines personnes dans l’armée portent des fusils. Mais, plus important encore, vous ne savez pas exactement où ils se trouvent.
En termes de cancer, vous pouvez imaginer que les soldats armés sont les cellules tumorales les plus agressives que nous devons comprendre et cibler. Sans savoir où ils se trouvent, nous ne pouvons pas vraiment comprendre comment ils fonctionnent, et aussi s’entendre avec d’autres cellules.
Le défi consiste donc à trouver un moyen de mesurer avec précision la taille de l’arsenal d’une armée – la combinaison de gènes et de molécules défectueux qui peuvent alimenter la croissance et la propagation d’une tumeur – tout en faisant le point sur son emplacement dans le terrain en constante évolution de la tumeur. Et, surtout, Klausner est convaincu que la technologie la plus récente est désormais en mesure de relever le défi.
« Nous avons le début des technologies qui nous permettent d’examiner tous ces aspects de l’organe sans détruire sa structure », dit-il.
Et il offre un aperçu alléchant de ce que cette technologie pourrait révéler. « Je pense qu’il y a de fortes chances que nous découvrions que, dans les tumeurs, il existe des types de cellules dont nous ignorons même aujourd’hui l’existence dans notre corps. »
Klausner spécule qu’il pourrait s’agir de : « cellules normales qui ont été rééduquées et modifiées par la tumeur elle-même. La valeur de cela serait extraordinaire ».
Mais vous ne pouvez pas dessiner une carte sans regarder le terrain. Et pouvoir mesurer l’étendue de l’arsenal d’une armée ne répond qu’à une partie de ce défi.
Il faudra de nouvelles façons d’examiner les tumeurs – grâce à des techniques avancées de microscopie et de balayage – pour aider à localiser les emplacements.
Une nouvelle révolution
« Si vous pensez à l’histoire de l’imagerie médicale et à son utilisation en clinique, nous avons été assez doués pour adopter de nouvelles technologies », déclare le Dr Sarah Bohndiek, physicienne et experte en imagerie du cancer de notre institut de recherche de Cambridge. « Par exemple, l’échographie a été développée suite à l’utilisation du sonar pendant la Première Guerre mondiale. »
Et selon Bohndiek, c’est grâce à cette révolution d’après-guerre que nous avons les outils nécessaires pour recueillir des images du corps entier d’un patient. Pour le cancer, cela a offert une image plus claire de l’emplacement d’une tumeur, ce qui est vital pour la chirurgie et la radiothérapie. Mais cette image pourrait nous en dire plus. Et Bohndiek prédit que nous sommes à l’aube d’une nouvelle révolution qui pourrait nous donner les réponses.
« Nous assistons maintenant à une deuxième révolution, qui consiste à imager des zones particulières de tumeurs ou de cellules à très haute résolution », dit-elle.
« Maintenant, nous pouvons regarder dans des cellules individuelles et voir des protéines individuelles interagir, et voir l’ADN en cours de fabrication. »
Et être capable de voir le cancer à deux échelles très différentes – où se trouve la tumeur dans le corps et ce qui se passe à l’intérieur de ses cellules – signifie que nous avons une bien meilleure chance de cartographier le fonctionnement interne d’une tumeur.
Nous vivons maintenant une deuxième révolution, qui consiste à imager des zones particulières de tumeurs ou de cellules à très haute résolution
–Dr Sarah Bohndiek
« Nous avons l’imagerie de notre corps entier à laquelle nous pensons classiquement dans le contexte du cancer », explique Bohndiek, « et nous avons également ces approches de microscopie, qui peuvent être appliquées à des cellules individuelles et zoomer directement. »
La combinaison de ces technologies pourrait mettre la couche manquante de la carte à portée de main. « Nous n’avions pas été en mesure de connecter ces éléments d’information auparavant », déclare Bohndiek. « Et je pense que c’est le moment idéal pour essayer. »
Mais de gros obstacles technologiques nous attendent. « L’imagerie est toujours un énorme compromis », ajoute-t-elle.
Pour comprendre pourquoi, imaginez un zoom avant et arrière sur la carte sur votre smartphone. Si vous effectuez un zoom avant, vous pouvez voir chaque maison dans une rue, mais vous ne pouvez pas voir où se trouve cette rue dans la ville. De même, une carte de la ville ne pourra pas vous indiquer la couleur de la porte au numéro 65.
« Soit vous échangez votre sensibilité, soit vous échangez votre résolution spatiale, soit vous échangez les mesures que vous pouvez effectuer au fil du temps. Vous ne pouvez pas vraiment tout avoir, et c’est l’un de nos plus grands défis », déclare Bohndiek.
L’une des principales choses que les scientifiques doivent surmonter est de déterminer exactement quelle information est la plus utile. Et mettre cela ensemble nécessitera une certaine expertise dans la gestion des mégadonnées.
Big Data
« La quantité de données est certainement un problème », déclare le Dr Andrew Steele, biologiste informatique du Francis Crick Institute de Londres.
Steele et ses collègues ont l’habitude de manipuler de grandes quantités de données génétiques, en les extrayant pour trouver des indices sur ce qui pourrait déclencher le cancer et d’autres maladies. Ils se concentrent sur les trois milliards de lettres du code génétique que nous appelons le « génome » humain. L’équipe n’est donc que trop claire sur les défis liés aux données que cela implique.
En arrière-plan de tout cela, bien qu’il soit agréable de le considérer comme un Google Street View, c’est un Google Street View d’une ville en évolution très rapide
– Dr Andrew Steele
« Disons qu’il y a un génome pour chaque échantillon, et que le génome a approximativement la même taille qu’un génome humain normal, chacun de ces échantillons va représenter un gigaoctet de données avant même de commencer », dit-il. « C’est beaucoup. »
Selon Steele, le défi consistera à comprendre ce qui a changé dans une tumeur par rapport à son environnement sain. Mais il estime que relier les données couvrant les différences entre les cellules cancéreuses, les cellules saines et même les cellules cancéreuses elles-mêmes « est autant un défi conceptuel qu’informatique ».
« Vous voulez créer une carte qui explique d’une manière ou d’une autre ce que fait le cancer et comment le génome s’y connecte. Cela va être très, très difficile, je pense.
« En arrière-plan de tout cela, bien qu’il soit agréable de penser à cela comme un Google Street View, c’est un Google Street View d’une ville en évolution très rapide », ajoute-t-il.
Mais il n’y a pas de meilleur moment pour essayer de construire cette carte. D’un point de vue technologique et financier, la lecture de toutes les informations génétiques contenues dans l’ADN d’une cellule n’a jamais été aussi simple ni moins chère.
« Le coût du séquençage de l’ADN a chuté, tout comme le coût informatique du traitement de ces données », déclare Steele.
« Alors qu’auparavant vous auriez la chance d’avoir un échantillon d’ADN de la tumeur d’une personne, il est désormais potentiellement rentable d’analyser plusieurs échantillons provenant de différentes parties de la tumeur d’un patient à différents moments de la progression du cancer. Et c’est juste quelque chose qui n’était pas financièrement possible auparavant.
Le point de vue des patients
Nous ne comprendrons pas comment fonctionnent les tumeurs tant que nous ne comprendrons pas pourquoi toutes les cellules sont là, comment elles y sont arrivées et ce qu’elles font. Pour le moment, l’image que nous avons est fragmentée. Ce défi englobe tellement de science, impliquant la technologie dans toutes les disciplines. Tout doit fonctionner ensemble pour que ce défi soit réussi. Faire partie du Grand Challenge est la cerise sur le gâteau pour moi. Non seulement j’ai l’occasion d’entendre quels sont les défis, mais aussi d’explorer des solutions innovantes. Du point de vue des patients et du public, nous avons souvent des idées et une expertise qui complètent et ajoutent de la valeur à la recherche. Nous avons des idées qui peuvent relier la recherche aux problèmes rencontrés par les patients et le grand public ; ou des idées pour améliorer la manière dont les données sont collectées, analysées ou rapportées. Il n’y a rien de plus important que de s’assurer que la voix du patient est entendue.
– Helen, membre du panel de patients Grand Challenge
Le prix pour combiner avec succès la technologie et les données est énorme. « Si cela fonctionne, voici à quoi ressembleront tous les laboratoires de pathologie clinique. Ce sont les outils qu’ils utiliseront à l’avenir », déclare Klausner.
Et pour ce faire, il faudra des experts de plusieurs disciplines scientifiques.
Les bonnes personnes
« La communauté de la recherche devra se rassembler », déclare Klausner. « Nous devons faire évoluer nos machines, faire évoluer notre technologie. »
« Il s’agit de réunir les personnes qui sont fantastiques en imagerie avec des personnes qui savent mesurer les molécules, et avec les technologues qui savent lire l’ARN, l’ADN et les protéines, et les spécialistes de la biologie cellulaire, de la biologie du cancer, de l’immunologie, de l’inflammation.
« C’est ce qui est formidable avec ces défis. Nous allons découvrir la vraie vie d’une tumeur, ce que nous n’avons jamais fait auparavant.
Obtenir ce droit mettra notre destination en vue. Et résoudre ce défi aidera à tracer les routes que nous devons emprunter pour l’atteindre.
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