Publié dans Physique de la nature, Les résultats d'une nouvelle étude co-dirigée par les équipes de la Cleveland Clinic et de la Case Western Reserve University montrent pour la première fois comment les idées de la physique quantique peuvent aider à développer de nouvelles interventions médicamenteuses contre les infections bactériennes et le cancer.

L'équipe de recherche a démontré que les principes du contrôle quantique, un domaine de la physique quantique utilisé dans les applications informatiques, peut être traduit et appliqué à des problèmes biologiques. Ils ont construit un algorithme mathématique qui peut être utilisé pour concevoir et accélérer des interventions spécifiques pour prévenir ou renverser la résistance aux médicaments.

Typiquement, les cellules en présence de médicaments évoluent selon la sélection naturelle darwinienne :les mutants résistants au médicament peuvent l'emporter sur leurs voisins sensibles, dominant la population. Contre-intuitivement, on peut aussi coopter ce procédé pour obtenir le résultat inverse, vaincre finalement la résistance aux médicaments. Par exemple, une mutation qui provoque une résistance à un médicament peut entraîner une sensibilité extrême à un autre, un phénomène connu sous le nom de sensibilité collatérale.

"Si ce mutant ne représente initialement qu'une petite fraction de la population, nous pouvons utiliser le premier médicament pour encourager sa domination, puis appliquez le deuxième médicament pour éliminer rapidement l'infection, " a déclaré le médecin-scientifique Jacob Scott, MARYLAND, DPhil, un radio-oncologue en exercice à la Cleveland Clinic et co-auteur principal de l'étude, faisant référence aux résultats d'une étude que son groupe a publiée plus tôt cette année. "Mais nous savons aussi que la première étape peut être lente :les mutations se produisent à des moments aléatoires, et attendre suffisamment longtemps jusqu'à ce que le mutant prenne complètement le relais pourrait compromettre l'efficacité du traitement et les résultats pour les patients. Le temps qu'il faut pour garantir le succès de ces interventions a été une limitation importante à l'adoption de la médecine évolutive dans la pratique clinique. »

C'est en accélérant ce processus que la physique quantique peut être source d'inspiration. "Le caractère aléatoire des mutations dans l'évolution a des parallèles mathématiques intrigants avec le caractère aléatoire des phénomènes quantiques, " selon le professeur Michael Hinczewski, biophysicien théoricien à la Case Western Reserve University et co-auteur principal. "Ce caractère aléatoire rend difficile la conduite fiable et rapide d'un système quantique d'un état à un autre. La résolution de ce problème de conduite est un ingrédient essentiel dans certains types d'informatique quantique. Notre nouvelle étude exploite ces parallèles, traduire une technique quantique particulière connue sous le nom de conduite contre-diabatique dans le langage de la biologie évolutive. »

"Imaginez essayer de faire suivre à un système un chemin souhaité d'un état initial à un état final sur une courte période, que ce chemin soit une séquence d'états quantiques ou des proportions variables de mutants dans une population en évolution, " a déclaré le professeur Hinczewski. " La conduite contre-diabatique est une forme de correction dynamique, fournissant juste assez d'intervention externe pour maintenir le système sur le chemin à chaque instant, quelle que soit la vitesse du protocole."

Les chercheurs ont créé un algorithme mathématique pour calculer cette intervention dans les applications de médecine évolutive. La sortie de l'algorithme est une prescription pour modifier dynamiquement les dosages ou les types de médicaments pour rester sur le chemin cible. L'équipe a démontré sa technique en l'utilisant pour manipuler l'évolution dans des simulations de cellules vivantes. Ces simulations étaient basées sur les données expérimentales d'une étude antérieure sur un ensemble de mutants présentant divers degrés de résistance aux médicaments antipaludiques.

La conduite antidiabatique a modifié la proportion de mutants, affectant la sensibilité globale de la population aux médicaments, plus rapidement et avec un meilleur contrôle que ce à quoi on pourrait s'attendre en utilisant les méthodes expérimentales actuelles en médecine évolutive.

Compte tenu des découvertes prometteuses de l'équipe, la prochaine phase de leurs recherches consistera à effectuer des tests expérimentaux directs de l'approche. Premier exemple de conduite contre-diabatique dans un contexte biologique, les chercheurs espèrent que leurs travaux pourraient jeter les bases d'un nouveau domaine d'étude :le contrôle biologique d'inspiration quantique. Les chercheurs prévoient d'appliquer ces idées à d'autres systèmes biologiques qui partagent des similitudes avec l'évolution, comme le développement des cellules souches et l'écologie.