Comment l'informatique quantique peut être utilisée pour le développement de médicaments

Les entreprises spécialisées dans la découverte de médicaments peuvent dès aujourd'hui tirer parti de l'informatique quantique pour trouver des composés permettant de traiter et de guérir des maladies. En association avec d'autres technologies de pointe, telles que l'informatique en nuage, l' intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage machine (ML), elles peuvent exploiter pleinement le potentiel de l'informatique quantique pour la découverte de médicaments en concevant de nouveaux médicaments moléculaires. L'informatique quantique est nettement plus rapide, beaucoup plus efficace et remarquablement moins coûteuse que toutes les autres solutions connues.

 En ce qui concerne le développement de médicaments, la réponse à la question de savoir pourquoi la technologie quantique est différente réside dans la manière dont les problèmes très importants peuvent être traités par rapport aux ordinateurs classiques et même aux superordinateurs. Nous discuterons en fait de deux technologies quantiques différentes qui sont toutes deux utilisées pour le calcul. L'informatique quantique basée sur le recuit est utilisée aujourd'hui et permet aux entreprises spécialisées dans la découverte de médicaments d'effectuer des recherches dans des espaces chimiques un million de fois plus grands qu'ils ne le seraient autrement. L'informatique quantique basée sur les portes, bien qu'elle ne soit pas encore prête pour une utilisation commerciale, devrait devenir encore plus puissante. L'ajout d'une seule unité d'information fondamentale, appelée bit quantique ou qubit, augmente l'espace de travail informatique de manière exponentielle. En d'autres termes, l'ajout d'un seul qubit à un ordinateur quantique à portes double la taille du problème que nous pouvons traiter. Par exemple, un petit dispositif de 40 qubits peut traiter un trillion de combinaisons différentes. Et ce dont nous allons essentiellement discuter ici, c'est de la recherche d'un très grand espace chimique de molécules pour trouver les quelques unes qui répondent à certains critères spécifiques. Les ordinateurs quantiques traitent naturellement les problèmes de grande envergure.

Comment l'informatique quantique peut-elle contribuer au développement de médicaments ?

 À partir d'une maladie spécifique, ou peut-être simplement d'une cible protéique spécifique de cette maladie, les sociétés de découverte de médicaments peuvent déjà commencer à établir le profil d'un futur médicament. Ce profil prendra finalement en compte toutes les propriétés souhaitées de ce médicament, y compris des considérations telles que les sites spécifiques de liaison aux protéines, la manière dont le médicament pénétrera dans le corps (par exemple, par injection, par pilule, etc.), la manière dont le médicament peut affecter le cerveau, la quantité de médicament à administrer, le groupe d'âge cible, la compatibilité avec d'autres médicaments, l'horaire et la durée d'administration, les exigences en matière d'emballage et d'expédition, les considérations spéciales en matière de marketing, etc.

 Ce profil de médicament est ensuite utilisé pour générer un vaste espace chimique virtuel, et c'est à ce moment-là que nous pouvons commencer à comprendre pourquoi l'industrie pharmaceutique s'intéresse à l'informatique quantique. Par "grand", nous entendons que l'espace chimique comprend littéralement des milliards de molécules. La grande majorité de ces milliards de molécules n'est cependant pas pertinente pour le profil du médicament sélectionné. Par conséquent, les algorithmes quantiques tels que l'algorithme QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization), qui est utilisé pour les problèmes d'optimisation combinatoire, peuvent rechercher dans ce vaste espace chimique les propriétés spécifiquement sélectionnées pour le profil du médicament. Les résultats de l'algorithme QUBO sont pertinents pour le profil du médicament en ce qui concerne à la fois les propriétés souhaitées et le(s) site(s) de liaison souhaité(s).

 En réduisant considérablement l'espace chimique, l'informatique quantique réduit de manière significative l'étendue du travail de laboratoire qui doit être effectué par la suite. Le travail de laboratoire pour la découverte de médicaments peut inclure des tests de toxicité, des dosages appropriés, des coûts potentiels, etc. Des molécules totalement inappropriées ont été éliminées de l'espace chimique. Il y a beaucoup moins de molécules à concevoir, à synthétiser, à mesurer et à expérimenter. Le chemin vers la définition et l'octroi de licences est plus court. Selon le Collège de médecine de l'Université de Cincinnati, "un essai de phase I prend [actuellement] plusieurs mois" et seulement "environ 70 % des médicaments expérimentaux passent cette phase initiale d'essai". La diminution de la première statistique et l'augmentation de la seconde présentent un avantage quantique évident en matière de calcul. 

Comment l'informatique quantique affectera-t-elle la médecine ?

 L'informatique quantique permet d'atteindre des objectifs altruistes, comme la volonté de traiter plus de maladies en moins de temps qu'il n'était possible de le faire il y a quelques décennies, et peut-être même il y a quelques années. Les maladies ciblées peuvent actuellement présenter un intérêt personnel pour les chercheurs ou combler certaines lacunes du marché pharmaceutique actuel. L'un des objectifs de la recherche pourrait être d'améliorer l'efficacité des médicaments dans un secteur du marché où les médicaments existants ne sont pas à la hauteur. Un autre objectif de recherche pourrait être de trouver des molécules plus petites pour améliorer les méthodes d'administration, ce qui permettrait peut-être aux patients de tous âges de ranger leurs seringues et de commencer à ingérer des comprimés ou des gélules digestes. L'informatique quantique permet aux entreprises spécialisées dans la découverte de médicaments de commencer dès maintenant à constituer leurs portefeuilles d'actifs avec des molécules qui ont un grand potentiel pour devenir des médicaments qui changeront la vie dans un avenir proche. Même si ces médicaments n'en sont qu'aux premiers stades de leur développement, il est possible de réduire le temps nécessaire à leur mise en production ultérieure.

 Grâce à l'informatique quantique, les produits pharmaceutiques peuvent être mis sur le marché beaucoup plus rapidement. Le temps réel nécessaire pour réduire l'espace chimique initial, de plusieurs milliards de molécules à seulement quelques centaines de milliers de molécules, prend moins d'une minute. Bien entendu, un projet ne se résume pas à un calcul d'une minute. L'algorithme quantique nécessite une préparation - la conception de circuits quantiques, même à petite échelle, est remarquablement difficile et prend beaucoup de temps - et il y a aussi le post-traitement classique. Les outils de la chimie traditionnelle réduisent l'espace chimique intermédiaire de centaines de milliers de molécules, peut-être, à des centaines de molécules seulement. Au lieu que les sociétés de découverte de médicaments testent plusieurs milliards de molécules, seules quelques centaines de molécules qui ont franchi les processus quantiques et traditionnels doivent être synthétisées et mesurées. La durée du projet pourrait être d'environ trois mois.

 Il convient de préciser une seconde fois qu'en l'état actuel de l'informatique quantique, il s'agit d'un processus en deux étapes. Tout d'abord, un recycleur quantique - une technologie quantique qui traite spécifiquement des problèmes d'optimisation - réduit l'espace chimique initial de plusieurs milliards de molécules à des centaines de milliers de molécules. L'algorithme QUBO susmentionné s'exécute sur ce recycleur quantique. Une deuxième étape distincte est nécessaire pour réduire cet espace chimique intermédiaire aux quelques centaines de molécules finales, et ce processus fait encore appel aux outils de la chimie traditionnelle. Bien que ces centaines de molécules constituent un vaste espace chimique, ces molécules possèdent au moins toutes les propriétés requises par le profil du médicament sélectionné. Cette approche hybride quantique-traditionnelle offre un avantage significatif en termes de calcul par rapport à une approche uniquement traditionnelle, tout en laissant une marge de manœuvre pour l'avenir, lorsque des approches entièrement quantiques seront disponibles et que l'avantage en termes de calcul sera encore plus prononcé. Les approches hybrides, en plus de tirer parti de l'informatique quantique, intègrent généralement d'autres technologies de pointe, telles que l'informatique en nuage, l' intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage machine (ML).

 D'une manière générale, les sociétés de découverte de médicaments ne limitent pas leurs recherches à des molécules ayant des propriétés spécifiques pour des cibles protéiques spécifiques, même si c'est le résultat le plus important. Comme nous l'avons déjà mentionné en évoquant les différentes méthodes d'administration, ces entreprises recherchent également les plus petites molécules possibles pouvant correspondre à chaque profil de médicament. Il est très difficile, dès le départ, de rechercher les propriétés souhaitées d'un médicament dans un espace chimique comptant littéralement des milliards de molécules. Il est encore plus difficile, comme vous pouvez l'imaginer, de trouver de petites molécules dans un espace aussi vaste. Tout comme l'installation de pare-chocs dans les caniveaux d'une piste de bowling, l'informatique quantique permet aux sociétés de découverte de médicaments de trouver plus facilement leurs cibles : les plus petites molécules possibles qui possèdent toutes les propriétés souhaitées d'un profil de médicament sélectionné.

 Il convient de noter que l'un des avantages naturels de l'informatique quantique est la simulation de systèmes quantiques. Outre la recherche dans un espace chimique de molécules répondant à des critères spécifiques, les ordinateurs quantiques peuvent simuler les molécules elles-mêmes. L'une des applications potentielles est la réaffectation des produits thérapeutiques existants. L'un des effets sur la médecine pourrait être l'abandon total du développement de nouveaux médicaments et la réaffectation de médicaments qui ont déjà été développés et pour lesquels il existe au moins quelques données cliniques.

Quel est l'avenir du développement des médicaments ?

 Selon le Collège de médecine de l'Université de Cincinnati, les essais cliniques de phase 1, 2 et 3 durent actuellement plusieurs années, et seuls 25 à 30 % des médicaments passent les trois phases. Chaque phase teste l'efficacité et l'innocuité d'un médicament, en augmentant la population de l'échantillon à chaque phase. Les essais de phase 1 peuvent comprendre moins de 100 sujets, les essais de phase 2 peuvent passer à plusieurs centaines de sujets et les essais de phase 3 peuvent comprendre des milliers de sujets. Selon un article du JAMA, le coût moyen de développement d'un médicament est légèrement inférieur à 1 milliard de dollars américains, les estimations les plus élevées avoisinant les 3 milliards de dollars américains. L'avenir du développement des médicaments est fait d'essais cliniques plus courts, d'une plus grande efficacité et d'une sécurité accrue à un coût bien moindre.

 La méthode qui a été discutée dans cet article de blog jusqu'à présent utilise une technologie quantique appelée recuit quantique. Il existe en fait plusieurs fournisseurs de recuits quantiques dans l'industrie des technologies quantiques, au moins trois, en fait, qui sont bien connus, et il y a aussi ce qu'on appelle un recuit numérique. Un recycleur numérique, que l'on pourrait également qualifier d'"inspiré par le quantique", peut résoudre les mêmes problèmes que le recuit quantique bien qu'il ne s'agisse pas d'une technologie quantique à proprement parler. Le principal avantage du recuit quantique et du recuit d'inspiration quantique est qu'ils sont aujourd'hui suffisamment vastes pour résoudre des problèmes même lorsque les espaces chimiques comprennent les milliards de molécules dont il a été question dans cet article. En outre, il existe des méthodes actuellement connues pour utiliser les dispositifs de recuit quantique et de recuit d'inspiration quantique existants afin de travailler avec des espaces chimiques beaucoup plus grands, si et quand cela s'avère nécessaire.

 Une autre technologie quantique appelée ordinateurs quantiques à base de portes, ou ordinateurs quantiques universels, n'est ni assez grande ni assez précise pour être utile aujourd'hui. Malheureusement, ils n'en sont qu'à leurs premiers stades de développement. Cependant, ils représentent très probablement l'avenir du développement des médicaments. Comme le recuit quantique et le recuit d'inspiration quantique, ils seront capables de réduire les grands espaces chimiques de leurs milliards de molécules initiales à des centaines de milliers de molécules. Mais, contrairement au recuit quantique et au recuit d'inspiration quantique, les ordinateurs quantiques universels à portes seront également capables d'effectuer les calculs de chimie computationnelle pour réduire encore l'espace chimique intermédiaire de centaines de milliers de molécules à seulement quelques centaines de molécules. La résolution de l'équation de Schrodinger à l'aide d'ordinateurs quantiques universels basés sur des portes offrira un avantage en termes de calcul, même par rapport aux méthodes hybrides quantiques-traditionnelles actuelles.

 Il est essentiel, à notre époque, de réduire le temps global de mise sur le marché des nouveaux médicaments, d'abord avec des recycleurs quantiques et des recycleurs numériques, puis avec des ordinateurs quantiques universels basés sur des portes. Les thérapies et les vaccins COVID ont été développés remarquablement rapidement, mais ce délai historique reste relativement lent par rapport aux méthodes quantiques dont nous prévoyons de disposer dans un avenir proche. Ces thérapies et vaccins suscitent également des inquiétudes constantes, notamment en ce qui concerne leur efficacité à court terme et leurs effets secondaires à long terme. L'une des nombreuses promesses de l'informatique quantique est la découverte de médicaments rapides, sûrs et efficaces pour toutes les maladies, y compris dans la lutte de l'humanité contre les futures pandémies. Cela peut se faire par la mise au point de nouveaux médicaments ou, comme indiqué précédemment, par la réaffectation de médicaments existants.

 L'informatique quantique va-t-elle transformer la R&D biopharmaceutique ?

 Si l'on fait abstraction, pour un moment, des capacités futures des ordinateurs quantiques universels basés sur des portes, les recycleurs quantiques et les recycleurs numériques d'inspiration quantique sont en train de transformer la recherche et le développement biopharmaceutiques à l'heure actuelle. De nouveaux médicaments peuvent déjà être découverts plus rapidement qu'ils ne l'auraient jamais été avec les méthodes traditionnelles. En outre, il est possible de s'attaquer à des problèmes plus vastes.

 Globalement, la méthode de découverte de médicaments est améliorée. Traditionnellement, un laboratoire peut identifier des milliers de molécules, par exemple. Notez tout d'abord que cet exemple utilise un décompte en milliers et non en milliards. Imaginons maintenant que les propriétés souhaitées soient les mêmes et que la protéine cible soit la même que si l'on utilisait le recuit quantique ou le recuit d'inspiration quantique. Oui, les méthodes traditionnelles fonctionnent. Avec le temps, tous les produits chimiques peuvent être synthétisés, mesurés et testés. De nouveaux médicaments peuvent être trouvés, bien sûr. Mais imaginons que l'on veuille améliorer certaines propriétés du médicament. Ou bien, imaginez que vous vouliez ajouter de nouvelles propriétés au médicament. Le processus traditionnel devient un cycle. Les sociétés de découverte de médicaments conçoivent, synthétisent et mesurent dans un premier temps, mais si elles souhaitent apporter des améliorations, quelles qu'elles soient, elles doivent recommencer.

 Avec le recuit quantique et le recuit numérique, et à l'avenir avec l'informatique quantique universelle basée sur des portes, ce cycle de développement de médicaments prend fin. Au lieu de traiter des centaines, voire des milliers de molécules à la fois et de répéter le processus pour chaque amélioration souhaitée, les entreprises de découverte de médicaments peuvent traiter plusieurs milliards de molécules en une seule fois et en finir. Les méthodes quantiques sont linéaires et non cycliques.

 En outre, le calcul à haute performance (HPC) n'est pas bon marché. Les superordinateurs, même dotés de nombreuses unités de traitement graphique (GPU), sont à la fois plus lents, plus gourmands en énergie, moins respectueux de l'environnement et plus chers. Les entreprises spécialisées dans la découverte de médicaments peuvent au moins les accélérer quelque peu en ajoutant des nœuds supplémentaires, mais on estime que cela coûtera environ 1 000 fois plus cher que d'utiliser le recuit quantique ou le recuit numérique. En fait, on estime qu'il en coûterait environ 40 000 dollars pour faire ce qu'un recuit quantique pourrait faire pour environ 40 dollars.

 La transformation de la recherche et du développement biopharmaceutique par la technologie quantique est donc triple. Premièrement, les technologies quantiques permettent de résoudre des problèmes plus importants que ce ne serait le cas autrement. Deuxièmement, de nouveaux médicaments peuvent être découverts plus rapidement que jamais. Enfin, les technologies quantiques sont, à bien des égards, moins coûteuses à utiliser. Non seulement elles coûtent moins cher à utiliser, mais elles doivent également être utilisées moins fréquemment. L'informatique quantique et la médecine sont des partenaires naturels, et nous pouvons tous espérer que la découverte de médicaments moins coûteux conduira un jour à des produits pharmaceutiques moins chers pour le monde entier. Et avec le temps, ces trois transformations continueront à s'améliorer grâce aux progrès futurs de l'informatique quantique.

Comment l'informatique quantique peut-elle être utilisée en médecine aujourd'hui ?

Des entreprises de découverte de médicaments telles que Polaris Quantum Biotech utilisent actuellement l'informatique quantique pour le développement de médicaments. Vous pouvez écouter le PDG Shahar Keinan discuter de leurs efforts particuliers avec le CMO de Classiq, Yuval Boger, dans son émission, The Qubit Guy's Podcast, ici, où ils discutent de la façon dont Polaris Quantum Biotech travaille actuellement avec des clients payants sur des projets de rémunération à l'acte et de collaboration. Les collaborateurs peuvent, par exemple, apporter leur expertise dans la recherche de cibles, tandis que Polaris Quantum Biotech apporte son expertise dans la recherche de molécules.

 L'informatique quantique en médecine peut également être défensive à l'heure actuelle. UnitedHealth Group (UHG) et sa branche technologique Optum Technology, par exemple, se protègent contre les développements futurs de l'informatique quantique. Ils se développent de manière défensive pour l'avenir, en utilisant des brevets et des publications pour établir et protéger la propriété intellectuelle. Ils explorent également le potentiel de l'apprentissage automatique quantique (QML) pour fournir un avantage informatique encore plus grand que les méthodes actuelles.

 Alors que les ordinateurs quantiques arrivent à maturité, Classiq est stratégiquement prêt à aider les entreprises de découverte de médicaments à obtenir un avantage informatique dans les domaines de la chimie, de l' optimisation, de la recherche et d' autres problèmes. Comme nous l'avons déjà mentionné, la conception de circuits quantiques pour résoudre des problèmes significatifs est normalement difficile et prend du temps, mais ce n'est pas une fatalité. Planifiez une démonstration de notre moteur de synthèse et observez l'avenir du développement de médicaments dès aujourd'hui.

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