Des mathématiques pour mieux soigner le cancer ?
Publié par Isabelle le 30/10/2019 à 14:00
Source: Université de Genève

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En faisant appel à la théorie mathématique de l'information, des chercheurs de l'UNIGE analysent le développement cancéreux des cellules pour proposer des stratégies thérapeutiques innovantes.

Le développement et la survie des êtres vivants sont liés à la capacité de leurs cellules à percevoir leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...) et à y répondre correctement. Pour ce faire, elles communiquent au travers de systèmes de signaux chimiques, les voies de signalisation, qui régissent et coordonnent l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) cellulaire. Cependant, des déficiences dans le traitement de l'information peuvent empêcher les cellules de percevoir leur environnement correctement ; elles se mettent alors à agir de manière anarchique, ce qui peut mener à l'apparition du cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière que la survie de ce dernier est...). Pour mieux comprendre comment une information tronquée influence l'activité des cellules malades, des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Genève (UNIGE) sortent du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) strict de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des...) et proposent d'examiner la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) cellulaire à l'aune (L'aune – du latin ulna, l'os ulna – est une unité de longueur de quatre pieds. Cette ratio est attestée depuis la fin de l'Antiquité dans le traité métrologique Gromatici veteres.) de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou...) de l'information, une théorie mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures...) plus habituellement utilisée en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement...). Ces travaux, à découvrir dans la revue Trends in Cell Biology, offrent une approche radicalement nouvelle en oncologie.

"D'une certaine manière, le cancer est une maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) de l'information, indique Karolina Zielińska, chercheuse au Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) translationnelle en onco-hématologie (CRTOH) de la Faculté de médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement...) de l'UNIGE et première auteure de ces travaux. Mais si le pouvoir oncogénique des voies de signalisation cellulaires sur- ou sous-activées commence à être bien connu, les mécanismes exacts restent assez mystérieux." Comment, en effet, les cellules prennent-elles leurs décisions en fonction des informations qu'elles perçoivent - ou qu'elles ne perçoivent plus ? "Parfois, la biologie ne suffit pas pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) décrypter", explique Vladimir Katanaev, professeur au CRTOH de la Faculté de médecine de l'UNIGE, qui a dirigé ces travaux.

Mesurer l'incertitude

Dès la fin des années 1940, le mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute personne faisant des mathématiques la base de son activité principale. Ce terme recouvre une large palette de compétences et...) américain Claude Shannon (Claude Elwood Shannon (30 avril 1916 à Gaylord, Michigan - 24 février 2001) est un ingénieur électricien et mathématicien américain. Il est l'un des pères, si ce n'est le père fondateur, de la théorie de l'information. Son...) développe une théorie probabiliste visant à quantifier l'information transmise dans un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de messages utilisant un canal de communication (En communication, un canal de communication est un média de transmission d'information. Il relie la source au destinataire et permet l'acheminement du message.) "bruyant". Cette théorie, qui a permis l'essor des systèmes de communication modernes et de l'informatique, est à la base d'une multitude d'applications telles que la compression et la transmission de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), la cryptographie (La cryptographie est une des disciplines de la cryptologie s'attachant à protéger des messages (assurant confidentialité, authenticité et intégrité) en s'aidant souvent de secrets ou clés.) ou encore l'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités intellectuelles comparables à celles des êtres...). "Mais curieusement, la théorie de Shannon n'a que peu été appliquée dans le domaine de la biologie, notamment dans la communication des cellules, souligne Karolina Zielińska, qui est à la fois mathématicienne et biologiste (Sur les autres projets Wikimédia :). Notre idée consiste donc à utiliser cet outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des...) puissant pour examiner les décisions des cellules malades pour les comparer à celles des cellules saines."

La théorie de l'information se fonde essentiellement sur la théorie des probabilités (La Théorie des probabilités est l'étude mathématique des phénomènes caractérisés par le hasard et l'incertitude. Les objets centraux de la théorie des probabilités sont les variables...). Son concept principal, appelé entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe, d'après les travaux...), vise à mesurer l'incertitude née de variables aléatoires. "Si, par exemple, nous jouons à pile ou face, la pièce peut tomber sur l'un ou l'autre côté de manière aléatoire: le résultat est donc incertain. Imaginons maintenant une pièce aux faces identiques: le résultat est certain et l'entropie nulle. L'entropie évalue ainsi le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'incertitude d'une variable aléatoire (Une variable aléatoire est une fonction définie sur l'ensemble des résultats possibles d'une expérience aléatoire, telle qu'il soit possible de déterminer la...). Appliquée à la communication, l'entropie indique la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'information nécessaire pour que le récepteur puisse déterminer sans ambiguïté ce que la source a transmis."

Des mathématiques à la biologie

Appliquée à la signalisation cellulaire, ce concept permet d'étudier comment les cellules traitent l'information qu'elles reçoivent de leur environnement: quand une cellule reçoit un stimulus - une information - de son environnement, quelles concentrations d'informations la cellule peut-elle traiter sans erreur ? En connaissant une "décision" prise par la cellule, peut-on faire la distinction entre différents stimuli pour identifier celui qui a engendré cette réaction ? Ces questions sont essentielles dans le domaine du cancer: les cellules cancéreuses, incapables de traiter l'information provenant de l'environnement aussi bien que les cellules saines, se mettraient alors à proliférer et à se diviser lorsqu'il n'y a pas lieu de le faire.

Les chercheurs vont maintenant vérifier la validité de leur approche en étudiant comment des cellules cancéreuses du sein et du poumon (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de l'organisme, et le dioxyde de...) traitent les informations provenant de leur environnement. En effet, les traitements actuels visent en général à supprimer ou à éteindre complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à...) certaines voies de signalisation, en dépit d'effets secondaires parfois importants. "La nouvelle approche que nous proposons vise non pas à éteindre les voies de signalisation, mais au contraire à rétablir une activité correcte, indique Vladimir Katanaev. En appliquant des concepts mathématiques purs à la biologie, nous espérons identifier les défauts de transmissions de l'information qu'il faut corriger pour y remédier."

Note:
Le CRTOH fait partie du Swiss Cancer Center Léman (SCCL), une alliance pluridisciplinaire réunissant l'UNIGE, les HUG, l'EPFL, le CHUV, l'UNIL et la Fondation ISREC visant à mener des recherches fondamentales, translationnelles et cliniques dans le domaine du cancer.


Contact chercheurs:

- Karolina Zielińska - Post-doctorante au Département de physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie...) cellulaire & Centre de recherche translationnelle en onco-hématologie - Faculté de médecine
Karolina.Zielinska at unige.ch

- Vladimir Katanaev - Professeur ordinaire au Département de physiologie cellulaire & Centre de recherche translationnelle en onco-hématologie - Faculté de médecine
Vladimir.Katanaev at unige.ch
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