Un scientifique israélien développe un patch qui détecte des maladies avant l’apparition des symptômes.
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Haick, l’un des scientifiques israéliens les plus brillants, est en réalité un karatéka frustré. Crédit : Rami Shllush
Hossam Haick, chercheur au Technion, imagine un patch cutané bon marché permettant de diagnostiquer les maladies précocement et de proposer un traitement personnalisé. Cela ressemble à de la science-fiction – jusqu’à ce que l’on découvre l’homme à l’origine de cette entreprise ambitieuse.
Le professeur Hossam Haick du Technion est l’un des scientifiques les plus brillants d’Israël. A 51 ans, il professeur de génie chimique et de nanotechnologie.
Le patch de Haick. Les chercheurs ont mis au point un mécanisme qui lui permet de s’auto-réparer en cas de coupure ou d’égratignure, à l’instar de la peau. Crédit : Rami Shllush
Après une série de percées, il semble se rapprocher de son objectif le plus ambitieux : un patch qui adhère à la peau comme un tatouage temporaire pour enfant, doté de capteurs qui surveillent en continu la santé de l’utilisateur. D’ici deux ou trois ans, promet-il, le patch sera commercialisé et utilisé à grande échelle.
Si cette promesse est tenue, le dispositif permettra dans un premier temps de surveiller un petit nombre de maladies. Plus tard, explique-t-il, il sera capable de détecter précocement de nombreuses maladies qui affectent l’humanité et d’administrer rapidement des médicaments adaptés à la personne qui le porte. Le tout pour quelques dizaines de dollars seulement par patch, dont la durée d’utilisation est de plusieurs mois.
Cela achèverait la révolution à laquelle Haick aspire : passer d’une médecine qui réagit à la maladie une fois qu’elle s’est déclarée, en utilisant des protocoles de traitement généraux, à une médecine capable d’identifier un risque précoce de maladie, de suivre son évolution et d’adapter le traitement à la situation de chaque personne.
Des capteurs intégrés au patch surveillent en continu la santé de la personne qui le porte. Crédit : Rami Shllush
Haick s’était spécialisé en microélectronique et nanoélectronique, mais après qu’un ami proche de l’université ait développé une leucémie, il a décidé, dit-il, de se consacrer au traitement du cancer. Malgré toute sa détermination, Haick lui-même reconnaissait que traiter le cancer était hors de sa portée. Mais il existait un autre domaine qu’il pouvait explorer : le diagnostic précoce.
Des chercheurs du laboratoire de Haick au Technion en 2017. Il supervise des essais cliniques impliquant des dizaines de milliers de participants à travers le monde. Crédit : L’équipe de recherche
À l’époque, une sorte de légende urbaine circulait selon laquelle les chiens pouvaient sentir les maladies, une capacité qui fut par la suite scientifiquement prouvée. Haick avait également entendu dire qu’Hippocrate, le père de la médecine, avait diagnostiqué des maladies rénales et hépatiques en sentant l’haleine de ses patients. Il décida alors de développer un système permettant de diagnostiquer les maladies à un stade précoce en détectant les composés organiques volatils (COV) présents dans l’air expiré. L’idée était que chaque maladie produisait un mélange spécifique de molécules que des capteurs sensibles et sophistiqués pourraient détecter.
Il prévoyait de tester son système pilote sur le cancer du poumon.
« C’est parce que je ne connais rien à la médecine », dit-il en souriant. « Pour Hossam l’ingénieur, les poumons semblaient liés à la respiration. Aujourd’hui, je comprends que c’est plus complexe. »
Haick pensait que son principal défi serait de développer des capteurs capables de détecter des marqueurs chimiques de maladies dans l’haleine. Il est cependant rapidement apparu que le défi était plus fondamental : l’existence de tels marqueurs n’était étayée par aucune preuve formelle.
Pour y remédier, il a lancé une étude à grande échelle dans des centres médicaux du monde entier, de la Chine à la Lettonie en passant par les États-Unis. Il a recueilli des échantillons auprès de patients atteints de 17 maladies, dont plusieurs cancers, des maladies neurologiques comme la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la sclérose en plaques, ainsi que des maladies infectieuses. Ces échantillons d’haleine ont ensuite été analysés afin de déterminer leur composition chimique.
« Grâce aux données recueillies auprès de milliers de participants, nous avons découvert que chaque personne possède une signature chimique unique de composés organiques volatils dans son haleine, une sorte d’empreinte digitale », explique Haick. « Nous avons également constaté que chaque maladie présente une signature chimique distinctive qui la différencie des autres. À mes yeux, c’est ma plus grande réussite : avoir prouvé le fondement scientifique de l’approche d’Hippocrate. »
Parallèlement, Haick a mis au point un nez électronique, un appareil portable combinant capteurs et intelligence artificielle pour analyser l’haleine et détecter les premiers signes de maladie. « Au début, il mesurait un mètre et demi de long », explique-t-il. « Nous l’avons progressivement miniaturisé. »
L’un des premiers partenaires de Haick dans le développement des capteurs était le professeur Silke Christiansen, physicien à l’Université libre de Berlin.
« Je connais Hossam depuis une quinzaine d’années », confie-t-elle à Haaretz. « Il m’a contactée en 2009 en me disant : « J’ai lu vos travaux sur les nanofils de silicium. Nous en avons besoin. J’ai une idée de capteur. Nous avons essayé plusieurs solutions, et ces nanofils seraient les plus prometteurs. » Nous avons alors entamé une collaboration. Nous avons produit les nanofils, et il s’est chargé du reste : leur agencement en réseaux de capteurs et leur fonctionnalisation. »
Ces capteurs sont constitués de nanofils densément agencés, recouverts de diverses molécules. Ces dernières agissent comme des revêtements chimiques, chacun induisant une réaction légèrement différente du nanofil aux substances présentes dans l’air. Il en résulte une gamme de réponses au sein du réseau de capteurs. Le motif ainsi obtenu permet d’identifier les COV présents dans l’haleine.
« Je n’ai probablement pas rencontré beaucoup de personnes aussi passionnées par leur travail, mais aussi motivées et travailleuses », déclare Christiansen à propos de Haick. « Sa vision était impressionnante dès le premier jour. C’est l’une des personnes les plus novatrices que j’aie jamais rencontrées. Aujourd’hui, on travaille beaucoup plus avec les données, et tout le monde a entendu parler d’IA. À l’époque, c’était radicalement différent. C’était une innovation d’un tout autre niveau. »
« Les capteurs mis au point par Haick peuvent détecter la présence ou l’absence de molécules spécifiques dans l’air expiré », explique le professeur Tal Dvir, chercheur en ingénierie tissulaire et organique à l’université de Tel Aviv. « C’est une tâche particulièrement complexe car leur concentration dans l’organisme est extrêmement faible. Détecter une molécule spécifique au sein d’un vaste mélange d’autres molécules nécessite de surmonter le bruit de fond et les effets de masquage. Chaque capteur est conçu pour une molécule cible particulière, et Haick a développé des capteurs pour diverses applications. »
Lors d’une visite dans l’un de ses laboratoires du Technion, Haick montre le dernier nez électronique, de la taille d’une main. « L’appareil est précis à environ 88 %, ce qui est comparable, voire supérieur dans certains cas, à l’imagerie standard », explique-t-il.
Selon Haick, cet appareil peut déjà identifier 17 maladies, mais jusqu’à présent, il n’a reçu la désignation de dispositif révolutionnaire de la Food and Drug Administration américaine que pour deux d’entre elles : le cancer du poumon et la fibrose hépatique avancée non liée à la consommation d’alcool, une affection qui constitue un facteur de risque majeur de cirrhose, de cancer du foie et de maladies cardiaques.
« C’est un processus long qui prend plusieurs années », explique Haick au sujet de l’approbation réglementaire.
Ce dispositif est actuellement utilisé à titre expérimental dans des hôpitaux du monde entier pour diagnostiquer ces deux maladies. Des études ont déjà démontré sa capacité à identifier le cancer du poumon à un stade précoce, lorsque la tumeur est encore localisée, parfois avant même l’apparition de symptômes manifestes. Une étude en laboratoire a montré qu’il pouvait même détecter de faibles quantités de cellules cancéreuses dans le sang.
Des essais préliminaires ont également été menés pour une maladie rare et extrêmement difficile à diagnostiquer : l’hypertension artérielle pulmonaire. La professeure Sylvia Cohen-Kaminsky, spécialiste de cette maladie à l’université Paris-Saclay, a participé à cet essai.
« Le diagnostic est souvent retardé de plusieurs années car il nécessite une hospitalisation et un cathétérisme », explique-t-elle au magazine Haaretz. « Il n’existe actuellement aucun traitement curatif et les patients décèdent en moyenne trois ans après le diagnostic. »
Cohen-Kaminsky raconte qu’elle a découvert Haick en lisant un article sur ses recherches dans Le Monde, sur une plage française.
« Je l’ai rencontré, et lorsque j’ai suggéré de l’appliquer à l’hypertension artérielle pulmonaire, il a immédiatement dit : « Oui, faisons-le. » »
Les deux chercheurs ont créé un laboratoire international qui a fonctionné pendant huit ans. Les premiers résultats , explique Cohen-Kaminsky, étaient remarquables : le nez électronique pouvait distinguer les patients des participants témoins et identifier ceux porteurs d’une mutation génétique qui augmentait leur susceptibilité à la maladie.
Les chercheurs n’ont pas reçu de financement complémentaire, et leurs recherches n’ont donc pas encore progressé au-delà de ces résultats initiaux prometteurs.
Le professeur Nir Peled, chef du service d’oncologie du centre médical Shaare Zedek et président de la Fondation israélienne contre le cancer du poumon, collabore avec Haick au développement de capteurs capables de caractériser précisément les cellules cancéreuses du poumon au niveau moléculaire. Selon lui, leur système permet d’identifier la réponse au traitement et la progression de la maladie plus rapidement que les autres méthodes cliniques.
« Nous avons étendu son utilisation à plusieurs types de cancer et à d’autres régions du monde », souligne-t-il. « Autrement dit, nous avons démontré que cette technologie fonctionne dans différentes cultures et qu’elle peut éliminer les influences locales sur les composés volatils, notamment les différences de régime alimentaire. »
Peled explique que pour chaque cancer, les chercheurs doivent identifier un signal indiquant un stade précoce de la maladie, un autre reflétant un stade plus avancé, et des signaux indiquant la réponse au traitement. Ces informations sont actuellement disponibles, précise-t-il, pour sept cancers fréquents : le cancer du poumon, du sein, de l’estomac, colorectal, de la tête et du cou, de l’ovaire et du rein.
« L’objectif est de créer un système peu coûteux, accessible et précis, mais l’introduction de nouveautés prend beaucoup de temps en médecine. »
Le professeur Jonathan Sleeman, chercheur en biologie du cancer à l’université de Heidelberg, explique au journal Haaretz que les capteurs de Haick offrent la possibilité d’exploiter un riche réservoir de biomarqueurs jusqu’ici peu exploité. La validation clinique de cette technologie, précise-t-il, sera probablement un processus long nécessitant de larges cohortes de patients. Une question demeure : les signaux des COV sont-ils suffisamment spécifiques ? En effet, plusieurs pathologies pourraient produire un même résultat positif.
Sleeman participe actuellement à un essai clinique visant à tester cette nouvelle approche.
« Haick est un excellent scientifique et il a une vision ambitieuse », déclare Sleeman. « Les arguments qu’il présente sont convaincants, mais il faut encore les vérifier dans la réalité, et c’est ce vers quoi nous tendons. »
Aussi novatrice fût-elle, l’invention du nez électronique ne suffit pas à Haick. Son objectif suivant se dessine lors d’un trajet en taxi depuis l’aéroport de Mumbai.
« J’ai traversé un quartier très pauvre, où les gens vivent sans presque aucune infrastructure », explique-t-il. « Je me suis demandé : comment le nez électronique peut-il les aider s’il n’y a pas d’électricité fiable ici ? Et surtout, comment pouvons-nous les aider à surveiller leur santé à un prix abordable alors qu’ils vivent avec moins d’un dollar par jour ? »
Haick eut alors une illumination : les composés organiques libérés dans l’haleine pouvaient-ils également être émis par la peau ? Son équipe entreprit de tester cette hypothèse et découvrit que les COV libérés par la peau pouvaient effectivement être mesurés et analysés.
L’ingénieur de laboratoire Walaa Saliba me présente la nouvelle génération de technologies de surveillance. Il applique un petit patch de quatre centimètres sur quatre sur mon bras. Ce patch contient des circuits électriques et six minuscules capteurs qui captent en continu les substances libérées par ma peau et transmettent les données à une application mobile.
« Ce produit vous surveille en permanence et compare vos données à des bases de données statistiques de personnes atteintes ou non de diverses maladies », explique-t-il. « S’il détecte une évolution vers la maladie, il envoie une alerte. »
Le correctif est encore en développement, mais la révolution du suivi de la santé est déjà en marche, grâce à des appareils facilement accessibles comme les bagues et les montres connectées. Parmi les chercheurs qui la font progresser figure le professeur Michael Snyder de l’université de Stanford.
« Dès qu’une coupure apparaît dans le patch, les molécules de chaque côté peuvent se lier à nouveau entre elles. Elles le font d’elles-mêmes en une trentaine de secondes. » Hossam Haick
Snyder met en pratique ce qu’il prêche, ou plutôt, le porte : il n’arbore pas moins de neuf montres, bagues et capteurs sur son corps. Lors d’un appel vidéo avec Haaretz, il tourne sa joue gauche vers l’écran pour dévoiler son dernier ajout, un petit capteur métallique appelé Temple, fixé à sa tempe et qui surveille ses petits vaisseaux sanguins.
« J’ai l’air d’un cyborg », dit-il avec un plaisir non dissimulé.
Le laboratoire de Snyder utilise l’IA pour analyser d’immenses quantités de données provenant de participants équipés de divers dispositifs, afin de détecter des signes de santé et de maladie. Les dispositifs actuellement disponibles sur le marché mesurent la fréquence cardiaque, sa variabilité, le taux d’oxygène dans le sang, la pression artérielle, la fréquence respiratoire, la conductance électrique de la peau et les cycles du sommeil. Snyder exploite déjà ces données pour dépister précocement les maladies infectieuses, les infections virales respiratoires et les troubles du rythme cardiaque, notamment la fibrillation auriculaire. Un nouveau volet de recherche vise à identifier les marqueurs de problèmes de santé mentale : anxiété, dépression et stress.
« Il vous faut un capteur de glycémie. Il se place sur l’épaule comme un patch. C’est très efficace. Vous ne mangerez plus jamais de la même façon, et c’est un compliment. Des études ont montré que le port de cet appareil permet d’améliorer ses habitudes alimentaires en 10 jours grâce au retour d’information en temps réel. »
Snyder souligne qu’environ 40 % des adultes américains souffrent de prédiabète, et que 80 % d’entre eux l’ignorent. Comme la plupart des personnes atteintes de prédiabète développeront un diabète, il est important de dépister précocement les problèmes de régulation de la glycémie.
Snyder espère que d’ici dix ans, tout le monde portera un ou deux de ces appareils pour surveiller ses paramètres physiologiques et peut-être aussi effectuer des analyses biochimiques. « De nombreuses personnes travaillent à rendre possible la mesure continue de certains de ces paramètres », explique-t-il.
Revenons à l’un de ces chercheurs. La première maladie diagnostiquée par le patch de Haick fut la tuberculose, la maladie infectieuse la plus meurtrière au monde, qui touche particulièrement les populations des pays ayant un accès limité aux outils de diagnostic avancés. Haick a reçu un financement de la Fondation Bill & Melinda Gates. Il affirme que Gates lui-même s’est intéressé personnellement au projet, apparemment parce que le patch était facile à utiliser et que Haick avait promis un coût de fabrication extrêmement bas : 1 dollar par patch. À ce jour, l’équipe est parvenue à développer un patch coûtant 1,50 dollar.
Le patch a été testé sur environ 2 000 personnes en Inde, en Afrique du Sud et en Lettonie, avec une précision d’environ 90 % dans la détection de la tuberculose active par rapport à un groupe témoin. Il a obtenu des résultats similaires dans la détection de la tuberculose latente, qui est asymptomatique mais peut évoluer vers une tuberculose active.
Rencontre entre Haick et Bill Gates en 2018. Il a promis au milliardaire que chaque patch ne coûterait que 1 dollar à produire.
L’un des problèmes était que le patch était si fin qu’il pouvait être coupé ou rayé. Haick a trouvé une solution : des patchs autoréparateurs, capables de se réparer en cas de dommage ou de dysfonctionnement, à l’instar de la peau. Les chercheurs ont mis au point un polymère dont les chaînes sont reliées par des liaisons chimiques qui leur permettent de se reconnecter après une coupure.
« Dès qu’une coupure se produit, les molécules de part et d’autre peuvent se lier à nouveau. Elles le font spontanément en une trentaine de secondes, sans chauffage, sans rayonnement ultraviolet ni aucun autre stimulus externe », explique Haick. « Ce phénomène à lui seul explique le nombre important de brevets déposés. »
Au total, affirme-t-il, son laboratoire a déjà généré près de 100 brevets déposés.
« Nous disposons déjà de tous les éléments technologiques : les capteurs, les algorithmes de traitement de l’information et la capacité d’auto-réparation du matériau », ajoute-t-il. « Le patch existe déjà, son coût de fabrication dépasse légèrement le dollar et il reste fonctionnel pendant des mois. Il nous faut maintenant tester ses performances en conditions réelles et démontrer sa capacité à identifier les maladies de manière fiable. »
Après avoir démontré l’efficacité de cette technologie dans le traitement de la tuberculose, Haick mène actuellement des essais à grande échelle impliquant des dizaines de milliers de personnes afin d’identifier les signatures chimiques d’une série d’autres maladies : le paludisme, la COVID-19, les maladies dégénératives et infectieuses, et plusieurs cancers.
Ces essais cliniques sont menés par des consortiums financés par l’UE, impliquant de nombreux partenaires, notamment des laboratoires, des hôpitaux et des entreprises. Haick achèvera prochainement un essai sur le cancer du poumon portant sur 5 600 participants et 20 partenaires, grâce à une subvention de 14,8 millions d’euros. Un autre consortium , réunissant 3 700 participants, 18 partenaires et doté d’un budget de 8 millions d’euros, travaille sur le dépistage précoce de la schizophrénie.
« Nous suivons une population atteinte de psychose pendant un an et demi à trois ans afin d’identifier les premiers signes avant que la maladie ne se développe. Plus la schizophrénie est traitée tôt, plus sa progression est ralentie. »
Quelques jours avant notre rencontre, Haick a été informé qu’il avait obtenu une autre subvention de consortium de 8 millions d’euros, cette fois pour détecter la maladie de Parkinson, avec 6 000 participants et 20 partenaires.
« Nous savons que le dépistage de la maladie de Parkinson et l’administration de médicaments à un stade précoce peuvent atténuer les symptômes », explique-t-il.
Cette maladie résulte d’une combinaison de facteurs environnementaux et génétiques. L’exposition aux pesticides, aux polluants et à certains métaux pourrait jouer un rôle dans son apparition. Les chercheurs suivront des participants à risque de développer la maladie de Parkinson , notamment des agriculteurs exposés aux pesticides pendant de longues périodes, chez qui la maladie est connue pour avoir un taux élevé de contamination. Ils utiliseront un patch à double face : une face sera en contact avec le corps, tandis que l’autre permettra de surveiller l’environnement.
Au cours des cinq dernières années, des chercheurs du Technion ont obtenu six subventions pour diriger des consortiums, dont trois sous la direction de Haick. Selon les chiffres de l’Autorité israélienne de l’innovation, les chercheurs israéliens ont reçu au total 58 subventions de ce type durant cette période. Auparavant, Haick avait dirigé avec succès cinq autres consortiums, portant notamment sur le cancer colorectal, le mélanome et les maladies pulmonaires.
« Les demandes de subvention ont un taux de réussite de 2 à 3 % », explique-t-il. « Diriger un consortium implique d’élaborer une vision scientifique, d’obtenir des financements et de rassembler de nombreux chercheurs pour la concrétiser. Derrière chaque demande de subvention acceptée se cachent d’innombrables heures de travail, de conférences et de réunions. »
« L’objectif est une médecine personnalisée, précise et non invasive. L’ensemble de ces technologies permettra d’adapter le diagnostic à chaque individu, en tenant compte de son corps et de son environnement. »
Si cette vision se concrétise, chacun pourra appliquer sur son corps un patch peu coûteux qui surveillera en permanence les signaux physiologiques et chimiques et détectera les changements de son état de santé, allant de la fatigue et de la déshydratation à une infection virale ou aux premiers signes de cancer ou de la maladie de Parkinson.
Cette vision ne s’arrête pas au diagnostic. Haick souhaite transformer le patch en un système médical complet capable de délivrer un traitement personnalisé et d’en suivre les effets.
« Le patch permettra de dresser un portrait continu de la santé de la personne », explique Haick. « Si, par exemple, il détecte un signal indiquant un risque de maladie de Parkinson, nous pourrions y fixer une minuscule cartouche contenant un médicament pour ralentir la progression de la maladie. Ce système serait efficace pour de nombreuses maladies, et la cartouche serait configurée en fonction du signal indiquant le risque. »
Ce type d’administration ciblée de médicaments permettrait également un ajustement plus précis de la dose et de la durée du traitement, réduisant ainsi le risque d’effets secondaires.
« Aujourd’hui, un médicament peut traiter le problème pour lequel il a été prescrit tout en affectant des organes et des tissus sains », explique Haick. « J’ai été témoin des traitements que mon père a reçus à l’hôpital, et cette expérience m’a fait prendre conscience de la nécessité de traitements plus précis et personnalisés. De nombreux traitements actuels suivent un protocole uniforme et prédéterminé, alors même que tous les patients ne réagissent pas de la même manière. Si nous pouvons mesurer l’efficacité d’un traitement en temps réel, nous pourrons peut-être un jour proposer à chaque personne le traitement qui lui convient parfaitement. Nous avons testé ce principe sur des animaux, et les premiers résultats sont très prometteurs. »
« Les principaux éléments constitutifs de cette technologie ont déjà été développés et testés. Nous y sommes. Il ne s’agit pas de science-fiction. J’estime que d’ici quelques années, nous verrons une utilisation commerciale de patchs capables de détecter le cancer du poumon, la tuberculose et les changements hormonaux chez les femmes. »
« La réalisation complète de cette vision prendra du temps. Nous aurons d’abord besoin d’une validation clinique approfondie. Ensuite, il nous faudra obtenir les autorisations réglementaires, adapter la technologie à la production industrielle et la commercialiser. Au terme de ce processus, je pense que nous disposerons d’un patch qui surveillera simultanément les marqueurs corporels et les facteurs de risque environnementaux susceptibles d’influencer le développement de maladies, et qui nous protégera contre celles-ci. »