Le COVID-19 a défié les limites de nos connaissances et de notre système de santé. En particulier sur le plan de la réponse immunitaire de l'hôte, avec cette réaction exacerbée ou «tempête de cytokines». En réponse à ce défi lancé par le virus aux chercheurs et aux médecins, cette équipe de l’Université de Californie – San Diego propose une approche basée sur l'intelligence artificielle (IA) capable de prédire, pour les cliniciens, le pronostic des patients atteints de formes sévères ou de complications. La méthode, présentée dans la revue EBioMedicine prédit comment les patients COVID-19, et beaucoup plus largement les patients atteints d'infections virales, vont « s'en sortir ». Un exemple des grands progrès « imposés » par la crise sanitaire et une illustration de plus des atouts de l’IA dans le diagnostic.
Lors d'une infection virale, le système immunitaire libère des cytokines dans le sang. Ces protéines guident les cellules immunitaires vers le site de l'infection pour se débarrasser de l'infection. Parfois, cependant, parfois, le corps libère trop de cytokines, créant un système immunitaire incontrôlable qui attaque ses propres tissus sains. On pense que cet incident, connu sous le nom de tempête de cytokines, est l'une des raisons pour lesquelles certains patients infectés par le coronavirus -tout comme certains patients atteints d’une simple grippe -succombent à l'infection alors que d'autres s’en sortent beaucoup mieux.
Des modèles d'expression génique permettent de prédire les réponses immunitaires des patients
A l’aide de l’IA, cette équipe de l'école de médecine de l'Université de Californie à San Diego associe des modèles d'expression génique associés aux infections virales, obtenus à partir de prélèvements de sang ou de tissus de patients, qui permettent de prédire leurs réponses immunitaires, de mesurer la gravité de leur maladie, de faire un pronostic, mais aussi de mieux choisir les thérapies. Les données utilisées pour tester et entraîner l'algorithme provenaient de sources accessibles de données d'expression génique des patients détectées à partir d’échantillons de tissus ou de sang. Chaque fois qu'un nouvel ensemble de données de patients atteints de COVID-19 devenait disponible, l'équipe l'incrémentait dans son modèle.
En pratique, l’algorithme IA passe -et a passé- au crible des téraoctets de données d'expression génique (quels gènes sont activés ou désactivés pendant l'infection), recherche ensuite des modèles d’évolution de la maladie (ou pronostic) à partir de données de patients ayant été atteints d’infections virales pandémiques dont le SRAS, le MERS et la grippe porcine (H1N1).
2 signatures prédictrices :
- la première constituée d’un ensemble de 166 gènes, révèle comment le système immunitaire humain réagit à l’infection virale ;
- la deuxième, constituée de 20 gènes prédit la gravité de la maladie du patient : concrètement, le système indique si le patient va devoir être hospitalisé, ventilé ou pris en charge en soins intensifs.
Enfin, les pronostics de l'algorithme ont été validés à partir de tissus pulmonaires prélevés lors d'autopsies de patients décédés atteints de COVID-19 et de modèles animaux de l'infection.
« Le modèle indique comment le système immunitaire d’un patient réagit à une infection virale et à quel point cette infection peut s'aggraver. De plus, à l’échelle de tous les patients, le modèle apporte une photographie de la pandémie ainsi qu’une prédiction pour les futures pandémies », explique l’auteur principal, le Dr Pradipta Ghosh, professeur d'études cellulaires et moléculaires.
Un guide universel ? Alors que cette réponse exacerbée ou tempête de cytokines n’est pas exclusive du COVID-19, cet outil prédictif pourrait fonctionner pour toute une série d’infections virales : « Lorsque la pandémie de COVID-19 a commencé, je voulais utiliser ma formation en informatique pour trouver un point commun à toutes les pandémies virales, une sorte de vérité universelle que nous pourrions utiliser comme guide thérapeutique. En effet, si le coronavirus est un nouveau virus pour nous,
il n'y a qu'un nombre limité de façons dont notre corps peut réagir à l’infection ».
Quels gènes, quelles fonctions ? En examinant la source et la fonction de ces gènes dans le premier ensemble de gènes de signature, les chercheurs identifient aussi la source des tempêtes de cytokines : les cellules tapissant les voies respiratoires pulmonaires et les globules blancs appelés macrophages et lymphocytes T, avec des conséquences de la tempête : des dommages à ces mêmes cellules des voies respiratoires pulmonaires et aux cellules tueuses naturelles, des cellules immunitaires spécialisées qui tuent les cellules infectées par le virus.
Ces données pourraient également aider à guider les approches thérapeutiques pour les patients confrontés à la tempête de cytokines. L’équipe décrit ici des tests, menée chez la souris modèle d’infection chez qui le modèle retrouve les signatures d'expression des 166 et 20 gènes associées à la pandémie.
L’équipe de recherche, avec l’IA, offre ici un outil d’analyse et de pronostic de pointe, pertinent non seulement pour la pandémie actuelle, mais aussi pour les pandémies futures.
Source : EBioMedicine June 11, 2021 DOI: 10.1016/j.ebiom.2021.103390 AI-guided discovery of the invariant host response to viral pandemics
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