Les ingénieurs noirs travaillent pour réparer longtemps

Par Usha Lee McFarling

19 août 2022

Comme beaucoup de Noirs, Kimani Toussaint s'est inquiété lorsqu'il a appris que les oxymètres de pouls sur lesquels les médecins s'appuyaient si fortement pour traiter et surveiller les patients atteints de Covid-19 ne fonctionnaient pas aussi bien sur les patients à la peau plus foncée.

Contrairement à de nombreuses personnes noires, il pourrait faire quelque chose à ce sujet. Toussaint est un expert en optique dont le laboratoire de l'Université Brown crée des techniques de précision pour imager et évaluer les tissus biologiques. C'était un problème pour lequel il avait été construit.

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Aujourd'hui, Toussaint et son doctorant Rutendo Jakachira utilisent littéralement les astuces de la lumière pour développer un oxymètre de pouls de nouvelle génération qui, espèrent-ils, fonctionnera bien sur les patients de tous les tons de peau, pas seulement ceux à la peau plus claire.

Pendant ce temps, Valencia Joyner Koomson, professeur agrégé noir d'ingénierie électrique et informatique à l'Université Tufts, travaille sur une solution différente : des appareils oxymètres "intelligents" adaptables et moins sensibles au teint de la peau.

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Toussaint et Koomson sont des raretés ; seulement 5% de la main-d'œuvre américaine en ingénierie est noire et moins de 2% sont des femmes noires. Le fait que ces ingénieurs noirs mènent la charge pour corriger une disparité qui est en place et largement ignorée par les scientifiques blancs depuis des décennies ne leur échappe pas. Pour Toussaint, c'est un cas sérieux de myopie scientifique - et un exemple clair de ce qui est perdu lorsque la plupart des scientifiques sont blancs.

"Nous ne pouvons rien dire sur l'intention de quiconque, mais nous pouvons dire que la structure de la science est une structure dans laquelle vous n'avez pas une grande diversité, et puis vous avez ces angles morts", a déclaré Toussaint. "La question des oxymètres de pouls est absolument un enfant d'affiche pour avoir la diversité dans la science."

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Les oxymètres de pouls - appareils médicaux extrêmement basiques et omniprésents - ne fonctionnent pas aussi bien sur les personnes à la peau plus foncée car la mélanine dans la peau peut interférer avec l'absorption de la lumière que les appareils à pince utilisent pour mesurer la quantité de sang oxygéné dans le doigt d'une personne. Le problème peut conduire à des lectures chez les personnes à la peau plus foncée qui masquent des niveaux d'oxygène potentiellement dangereux. Lorsque la femme de Toussaint, épidémiologiste, lui a parlé du problème au début de la pandémie, il a été stupéfait.

"J'étais comme, qu'est-ce que tu veux dire par personne n'a résolu ça?" il a dit à STAT. "J'ai dit:" Attendez une minute, c'est un appareil approuvé et personne ne l'a regardé? peau sombre. En février 2021, l'agence a publié une communication de sécurité alertant les médecins et les consommateurs que les appareils peuvent ne pas être précis chez tous les patients.

Koomson, un expert de l'utilisation de systèmes micro et nanométriques pour créer des biocapteurs intelligents pour des dispositifs de surveillance de la santé à faible coût, s'inquiète depuis plus d'une décennie de la capacité des oxymètres de pouls à fonctionner sur des patients à la peau foncée, mais jusqu'à récemment, il avait difficulté à attirer l'attention sur le problème ou rechercher des fonds pour aider à le résoudre.

"Dans tous les manuels que j'ai passés en revue, ils ne mentionnent jamais l'absorption de la mélanine. Le fait que cela ait été omis m'a inquiétée", a-t-elle déclaré. Koomson avait également entendu des médecins travaillant en Afrique qui étaient frustrés par le peu de données d'essais cliniques et de tests d'appareils disponibles pour les populations africaines.

Koomson a reçu un financement pour étudier comment mieux surveiller l'oxygénation dans les tissus, une tâche beaucoup plus difficile que de la mesurer dans le sang, et a toujours gardé à l'esprit l'importance de créer des appareils qui fonctionnent sur tous les tons de peau, a-t-elle déclaré. Mais les agences de financement n'avaient que peu d'intérêt à améliorer les appareils actuels, a-t-elle déclaré: "Obtenir des fonds pour travailler sur les oxymètres de pouls est difficile car il s'agit d'une technologie tellement bien établie."

Le fait que les appareils fonctionnent moins bien sur les personnes à la peau plus foncée est connu depuis des décennies. Les premiers appareils créés par Hewlett Packard fonctionnaient très bien sur la plupart des gens, mais ont été rendus obsolètes par les appareils plus récents et plus compacts utilisés aujourd'hui. Beaucoup d'ingénieurs et de médecins ont depuis longtemps accepté le taux plus élevé d'erreurs qui se sont produites chez les patients à la peau plus foncée et ont estimé qu'ils n'étaient pas cliniquement pertinents.

"Il n'y avait pas suffisamment de données pour montrer que ces erreurs affectaient le traitement clinique. Les gens pourraient dire que cela se situe dans une marge d'erreur acceptable", a déclaré Koomson.

Mais un flot de nouvelles recherches remet en question ce point de vue. Une étude de l'Université du Michigan qui a suscité une large attention en décembre 2020 a montré que les patients noirs étaient trois fois plus susceptibles que les patients blancs d'avoir une "hypoxie cachée" - des niveaux d'oxygène dangereusement bas que les oxymètres de pouls n'ont pas détectés. Des études ultérieures ont montré que les patients à la peau plus foncée reçoivent moins d'oxygène supplémentaire pendant les séjours en unité de soins intensifs et que l'hypoxie cachée est un problème chez les patients à la peau plus foncée, même lorsqu'ils ne sont pas aux soins intensifs. Une autre étude a montré que les patients à la peau plus foncée étaient moins susceptibles de recevoir des traitements Covid-19 de pointe.

Étant donné que l'oxygène est si vital pour la survie et la santé des organes, les chercheurs affirment que les problèmes liés aux oxymètres de pouls peuvent contribuer à des résultats plus médiocres tels que la mort et la défaillance d'organes chez les patients à la peau plus foncée.

Cette recherche "a mis cela au premier plan", a déclaré Koomson. Elle travaille maintenant sur des appareils qui utilisent des composants prêts à l'emploi et, contrairement aux appareils actuels, utilisent des lumières et des capteurs qui peuvent être adaptés aux patients de différentes couleurs de peau. Le principal défi, a-t-elle dit, n'est pas de créer les appareils, mais de les tester, car cela doit être fait chez des patients très malades.

Adapter la technologie à la couleur de la peau n'est pas une idée nouvelle, a-t-elle déclaré; il est utilisé dans l'industrie cosmétique, par exemple, où les lasers pour l'épilation sont ajustés pour éviter les cicatrices chez les personnes à la peau plus foncée, et en photographie. "Lorsque vous prenez une photo, vous ajustez la lumière pour obtenir une image précise", a-t-elle déclaré. "C'est ce que nous faisons - ajuster la lumière."

Comme Toussaint, Koomson convient que le problème des oxymètres de pouls met en évidence la nécessité d'une plus grande diversité en ingénierie. "Vous entendez des gens dire:" J'ai décidé de me lancer dans le cancer du sein parce que cela a touché un proche "", a-t-elle déclaré. "Les problèmes que nous cherchons à résoudre sont ceux qui nous sont proches et chers."

Koomson n'est pas issu d'une famille de scientifiques ou d'ingénieurs. Ses parents, qui ont grandi dans d'anciennes plantations de métayage en Caroline du Nord, ont émigré à Washington, DC, pour des opportunités de travail. Sa mère est coiffeuse et son père est militaire à la retraite. Ce qui l'a attirée vers la science, a-t-elle dit, ce sont les programmes gérés par Howard et d'autres universités pour les lycéens des quartiers défavorisés. Lorsqu'elle a commencé ses études au Massachusetts Institute of Technology, elle a déclaré : "J'avais l'impression d'être entrée dans un tout autre monde. C'était merveilleux."

Sa famille a des antécédents d'activisme pour les droits civiques et a participé aux sit-in de Greensboro, en Caroline du Nord, dans les magasins Woolworth. Koomson ne travaille pas seulement en laboratoire, mais s'engage auprès des sénateurs et d'autres personnes pour faire pression pour améliorer les oxymètres de pouls. "J'ai l'impression que c'est l'occasion pour moi de m'engager dans l'activisme", a-t-elle déclaré.

Lorsqu'il a appris le problème des oxymètres de pouls en 2020, Toussaint, professeur et doyen associé principal en ingénierie à Brown, s'est mis au travail. Jakachira, doctorante en deuxième année de physique, a pris la relève lorsqu'elle a rejoint le laboratoire de Toussaint l'année dernière.

Toussaint a travaillé sur toutes sortes de problèmes dans l'application de l'optique à la médecine, et celui-ci n'est pas facile à résoudre, a-t-il déclaré. "C'est un défi d'optique", a-t-il déclaré. Mais il pense que c'est traitable et n'a pas hésité à commencer à y travailler en raison de ses compétences et de l'importance de la question pour la communauté noire. "Pour moi, c'était un incroyable alignement de circonstances."

Toussaint avait toujours été intéressé par la science dans son enfance - démontant des objets et essayant, pas toujours avec succès, de les reconstituer - mais n'avait pas réalisé que la science pouvait être une carrière et voyait rarement des gens travaillant dans la science qui lui ressemblaient. "Quand vous ne voyez pas d'autres qui vous ressemblent dans un champ, vous vous posez des questions sur l'appartenance", a-t-il déclaré.

Il a été encouragé à devenir médecin, mais les hôpitaux et les aiguilles l'ont rebuté. Attiré par les sciences physiques, Toussaint a fréquenté l'Université de Pennsylvanie, puis a obtenu une maîtrise et un doctorat. en génie électrique à l'Université de Boston. Presque tous ses professeurs de sciences étaient blancs, mais il a cherché les quelques mentors noirs qu'il pouvait trouver. "Quand j'ai vu des scientifiques noirs, je me suis attaché à eux et je suis resté en contact", a-t-il déclaré.

Les sciences physiques, a-t-il dit, ont longtemps été moins accueillantes pour les étudiants de couleur. Maintenant que les gens dans ces domaines se sont engagés à faire mieux en réponse au mouvement Black Lives Matter, il regarde pour voir quel changement réel se produira. Il fait sa part, a-t-il dit, en encadrant des étudiants comme Jakachira.

Originaire du Zimbabwe, elle a défié les souhaits de ses parents qui espéraient qu'elle deviendrait médecin et a choisi la physique à la place. Mais elle a dit qu'elle avait presque abandonné son programme d'études supérieures en physique parce que les expériences qu'elle envisageait de mener en physique de la matière condensée — des projets de recherche académique très purs — ne suscitaient pas son intérêt.

Puis elle a trouvé le projet d'oxymètre de pouls et n'a pas regardé en arrière. "Ce projet m'a permis de rester dans mon programme de doctorat", a-t-elle déclaré. "C'est très motivant de travailler sur un projet qui pourrait avoir un impact direct sur les gens de ma communauté." Elle est encore plus convaincue qu'il est important qu'elle soit là où elle est, en tant que physicienne noire. "Nous sommes définitivement rares", a déclaré Jakachira, "et nous apportons une perspective différente."

Ce qu'elle et Toussaint font - c'est très technique et un peu secret puisqu'ils déposent un brevet - c'est jouer avec les propriétés électriques de la lumière pour que les capteurs de l'appareil ne soient pas ébranlés par la mélanine. Jakachiri utilise des composants prêts à l'emploi et des lumières LED comme ceux utilisés dans les oxymètres de pouls traditionnels pour construire les appareils, car ils sont bon marché et restent froids au toucher. Leur appareil expérimental utilise une seule longueur d'onde de lumière, et non deux comme la plupart des oxymètres de pouls, mais les chercheurs pensent qu'il sera encore plus précis.

Jakachira a testé l'appareil de la taille d'une boîte à chaussures sur des volontaires et a présenté ses premiers résultats lors d'une conférence internationale sur l'optique. Les deux travaillent maintenant avec des collègues de la faculté de médecine de Brown pour planifier des essais cliniques de l'appareil sur des patients plus malades et ayant une large gamme de couleurs de peau. "Nous devons étudier cela non pas chez des volontaires sains, mais chez des personnes qui pourraient être hypoxiques", a déclaré Toussaint.

Les essais cliniques prendront probablement des mois, a-t-il dit, et pourraient conduire à des améliorations de l'appareil s'il ne fonctionne pas aussi bien que prévu. Si tout se passe bien, il cherchera des partenariats pour miniaturiser la technologie et créer des appareils à usage grand public. Ce processus peut normalement prendre une décennie ou plus, mais Toussaint espère une voie plus rapide. "Normalement, nous sommes beaucoup plus académiques. Nous faisons des recherches et publions des articles et ne pensons pas à l'aspect de l'appareil", a déclaré Toussaint. "Mais c'est un domaine de recherche plutôt urgent."

Le travail effectué par Koomson, Toussaint et Jakachira est d'une importance cruciale, disent les médecins qui ont été frustrés d'apprendre que les appareils fonctionnent moins bien sur les patients à la peau plus foncée et mécontents que le fait ne fasse pas partie de leur formation médicale.

"2020 a été la première fois que j'ai appris cela, et je me suis entraîné dans le Bronx", a déclaré Utibe Essien, professeur adjoint de médecine noir à l'Université de Pittsburgh qui exerce depuis environ une décennie. "Le moment est venu d'aller au-delà de la description de ces disparités. Il est temps de commencer à intervenir."

De nombreux cliniciens disent qu'ils abordent maintenant les lectures d'oxymètre de pouls de patients à la peau plus foncée avec plus de prudence ou se tournent vers des prélèvements sanguins artériels plus douloureux, ce que Thomas Valley, un pneumologue de l'Université du Michigan qui est l'un des principaux chercheurs sur les problèmes avec les oxymètres de pouls, appelle des "solutions de contournement sous-optimales" qui ne font qu'ajouter aux disparités en matière de santé.

"Il n'y a qu'une seule véritable solution au problème des oxymètres de pouls inexacts et c'est d'avoir de meilleurs oxymètres de pouls auxquels on peut faire confiance quelle que soit la couleur de la peau", a déclaré Valley à STAT, applaudissant le travail en cours chez Brown et Tufts. Si les fabricants d'appareils ne s'attaquent pas à ces problèmes, a-t-il ajouté, "alors nous avons besoin que les chercheurs prennent les devants".

En juin, les responsables de la FDA ont déclaré qu'ils prévoyaient de convoquer une réunion publique plus tard cette année pour discuter de la nécessité de nouvelles mesures réglementaires concernant l'utilisation des appareils.

Toussaint n'attend pas. "Si nous pouvons résoudre ce problème, ce sera incroyable", a-t-il déclaré. "Je suis hors de moi."

Cela fait partie d'une série d'articles explorant le racisme dans la santé et la médecine financée par une subvention du Fonds du Commonwealth.

Correspondant scientifique national

Usha Lee McFarling est correspondante scientifique nationale pour STAT basée à Los Angeles. Elle examine les inégalités en matière de santé et leurs conséquences.

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