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Dans les années 90, les biopuces ont été de nouveaux outils développés pour l’exploitation parallèle et à haut débit des données de la biologie moderne : Celle du génome (ADN) puis celle des protéines (protéome). Une nouvelle voie est désormais ouverte pour les approches analytiques à haut débit et de nombreuses équipes se lancent dans la recherche et le développement de microsystèmes d’analyse pour la biologie.
A la convergence des nanotechnologies et des biotechnologies, les nanobiotechnologies (biopuces, laboratoires sur puces, biocapteurs…) ont de nombreuses applications : diagnostic médical, développement de nouveaux médicaments, contrôles alimentaires, analyse bactérienne de l’eau, diagnostic hors laboratoire. Le marché est estimé à 1 milliard d’euros en 2005 avec une croissance de 16% à 25% par an pour les biopuces.
On peut distinguer 2 approches qui répondant aux besoins de miniaturisation : les microarrays qui sont constitués de milliers de spots de molécules biologiques (ADN ou protéines) rangés en matrice sur une lame de verre ou de silicium dans un ordre prédéterminé. L’autre approche correspond à l’adaptation de la microfluidique aux microsystèmes d’analyse biologique. La microfluidique correspond à l’art de manipuler les volumes d’échantillons et de réactifs inférieurs au microlitre. Ainsi, les labopuces de demain seront à l’intersection de ces disciplines.
Entre les nanobiotechnologies grenobloises et les savoirs médicaux lyonnais, Jean Chabbal (CEA-Leti – responsable du département micro Technologies pour la biologie et la santé) voit « un renforcement mutuel concrétisé par un ensemble industriel et scientifique de niveau mondial ».

Les acteurs et les principales technologies

Depuis une décennie, l’interaction entre les biologistes et les physiciens en région Rhône-Alpes se renforce pour dynamiser l’innovation dans le développement de systèmes miniaturisés dédiés aux biotechnologies. De nombreux acteurs publics et privés sont présents aux seins de divers instituts et participent activement à la mise en place de ce réseau dense.
Un des laboratoires du CEA implanté à Grenoble, le Leti (Laboratoire d’électronique et de technologies de l’information) est l’un des plus importants centres européens de recherche appliquée en électronique. Les activités du Leti sont centrées sur les microcomposants et leurs intégrations dans des systèmes électroniques. Elles concernent notamment les micro et nanotechnologies pour la biologie et la santé. Le Leti a ainsi participé au développement à la mise en place de puces à ADN utilisant le procédé « on-chip » de synthèse chimique d’oligonucléotides. Ce procédé a notamment fait l’objet d’un accord de licence avec la société japonaise Yamatake. Ce procédé permet la réalisation de l’étape d’amplification d’un échantillon de séquence d’ADN humain en temps réel associé à une détection de fluorescence en deux couleurs.
Un autre exemple d’investissements en matière de recherche mené à ce niveau est celui effectué sur les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ou systèmes micro-electro-mécaniques). Ce sont des dispositifs de taille comprise entre 1 et 300 microns capables de détecter ou de générer des forces mécaniques, électromécaniques, thermiques ou acoustiques. Ces dispositifs développés pour la chimie et la biologie ont de multiples applications dans le domaine biomédical et l’analyse chimique. Dans la région grenobloise, un des leaders dans les MEMS ainsi que leurs applications, la société MEMSCAP se lance dans la production de capteur de pression sans fil Endosure pour la société CARDIOMEMS. L’enjeu de cette technologie est le traitement des maladies cardiovasculaires par une surveillance via des microcomposants de la pression sanguine et du rythme cardiaque. La société MEMSCAP préside de plus le projet « capteurs biomédicaux » sous l’égide du programme BIA.
Parallèlement a la société MEMSCAP, la société Tronic’s développe des composants MEMS adaptés aux détecteurs biologiques, à la manipulation et à l’analyse de cellules ainsi qu’a l’automatisation de procédés biologiques.
Cependant, pour appliquer ces MEMS aux problématiques biologiques, il est nécessaire de résoudre auparavant les problèmes liés au déplacement, fractionnement, mélange et séparation de liquides biologiques de très faibles dimensions. C’est le challenge auquel fait face la microfluidique.

Ainsi, à côté du Leti, le laboratoire Biopuces du CEA effectue une recherche qui porte sur 2 thèmes principaux : la manipulation et l’analyse de cellules vivantes (les « cell-on-chip ») et les systèmes de détection miniaturisés (les biocapteurs moléculaires). Les biocapteurs moléculaires sont des systèmes miniaturisés pour la détection et l’identification de molécules biologiques basés sur la reconnaissance moléculaire.

Dans le domaine de la microfluidique, le laboratoire Biopuces met au point un système de tri cellulaire pour des échantillons de petite taille. C’est le but du projet de puce Medics, une invention de plusieurs équipes du CEA, en partenariat avec Silicon Biosystems, l’université de Bologne et l’Inserm. Cette puce permet de trier et d’analyser des petits échantillons et des populations rares, comme les cellules fœtales circulant dans le sang maternel et d’effectuer certains tests sans amniocentèse. Autre application, en cancérologie cette fois : surveiller, chez les patients en rémission, les cellules cancéreuses dormantes qui n’existent parfois qu’en un seul exemplaire par millilitre de sang. Et pourquoi pas, tester les thérapies anticancéreuses avant de les administrer au patient.

Le développement de nouveaux microcomposants, vannes, tubes, pompes, réacteurs capables de manipuler des fluides dans des microinstallations a aussi été nécessaire. Ainsi, le CEA-LETI a proposé un principe pour générer des gouttes à partir d’un réservoir, les séparer, les trier et les fusionnés, et tout étant entièrement piloté par un programme informatique.
Enfin, il est nécessaire de faire cohabiter sur un même dispositif tous les éléments nécessaires à l’analyse, à savoir les systèmes de connexion avec le monde macroscopique, la microfluidique et la détection. C’est cette tache qui est dévolue au microTAS (Micro Total analysis systems ou microsystèmes d’analyse totale). ST microelectronics, entreprise basée dans la région grenobloise, en partenariat avec le CEA et la société Mobidiag, sera peut-être la première société à commercialiser un microlaboratoire capable de réaliser un test génétique complet incluant l’extraction d’ADN, l’amplification et le marquage des gènes par PCR suivi d’une hybridation sur microarray en adaptant le microTAS system. Ce système nommé POC, pour « point-of-care », fruit d’une collaboration de 2 ans avec le CEA est dédié au diagnostic rapide d’infections et quasiment au chevet du malade. « Dans un premier temps, nous allons tester l’efficacité de POC pour détecter un streptocoque pathogène », confie Brigitte Fouqué, responsable de sa validation biologique au CEA.
Un système similaire est actuellement mis au point chez l’entreprise BioMérieux. BioMérieux, en partenariat avec le CNRS envisage de mettre au point un système microfluidique à l’usage des sciences du vivant. Ce système est capable de mener en plusieurs voies parallèles les différentes étapes d’un protocole d’analyse biologique séquentiel conduisant à une détection moléculaire extrêmement sensible.

Dans le domaine de l’intégration des différentes technologies présentées ci-dessus, le développement des cell-on-chips est en plein essor. Des projets de recherche visent notamment à améliorer la manipulation de cellules uniques par des champs électriques, optiques voire même holographiques ou acoustiques. Le laboratoire Bio-puces du CEA met ainsi au point un procédé de culture de cellules en matrice de microgouttes dans un format microarray. Chaque microgoutte devient alors un puit virtuel et le substrat permet de cibler à haute densité des modifications phénotypiques induites par des agents extérieurs (Projet Phénopuces).
Parmi les autres projets en cours au laboratoire Biopuces on peut notamment citer les projets capucine en partenariat avec la société AbAg (format de puces en capillaire), enzymatrix (synthèse parallèle et criblage de molécules chimiques sur puces) ou Silipore. Ce dernier projet correspond à une collaboration entre le laboratoire Biopuces, le leti et le CNRS. Silipore est une membrane de silicium de dimension submicrométrique dotée de pores calibrés qui permettent d’héberger et de stabiliser une bicouche lipidique et des récepteurs protéiques. Lorsqu’un ligand se fixe sur le récepteur, le canal ionique couplé à ce récepteur s’ouvre et laisse ainsi passer un courant ionique qui peut être mesuré. Etant donné que les dysfonctionnements des canaux ioniques sont responsables de très nombreuses maladies, telles l’épilepsie, la mucoviscidose ou l’hypertension, la technologie Silipore permettrait une augmentation de la vitesse de criblage de composés possédant une activité pharmacologique potentielle.

Enfin, un nouveau concept de laboratoire sur puce pour la préparation des protéines en vue de leurs analyses a haut débit par spectrométrie de masse, Biochiplab, a été validé dans le cadre d’un partenariat avec le laboratoire des biopuces, Sanofi-Aventis, la société Osmooze, le CNRS et le CEA.

Les projets majeurs

De nombreux projets fédèrent les efforts des différents laboratoires de recherche en micro et nanotechnologies appliqués aux sciences de la santé dans la région Rhône-Alpes. On peut tout d’abord citer le pôle d’innovation en nanobiotechnologies pour la biologie et la santé Nanobio. Nanobio associe les équipes grenobloises de l’Université Joseph Fourier, du CEA, du CHU, de l’INSERM et du CNRS et accompagné par les collectivités locales telles que la région, le conseil général de l’Isère, Grenoble Alpes Métropole et la ville de Grenoble. L’objectif principal du programme Nanobio est d’aboutir à des avancées technologiques en biologie moléculaire, en particulier pour accélérer la vitesse de diagnostic. Ce dernier élément, essentiel en infectiologie, a favorisé l’installation de BioMerieux sur le Polygone scientifique grenoblois.

Nanobio s’inscrit dans un ensemble plus vaste qui est le réseau d’excellence européen nano2life coordonné par le CEA/LETI. Ce choix s’explique par le fort engagement du CEA dans les micro et nanotechnologies appliquées à la biologie et la santé, concrétisé notamment par les futurs pôles Minatec et NanoBio. Nano2life vise à fédérer les centres de recherches européens dans le domaine des nanobiotechnologies appliquées à la biologie et à la santé en intégrant des équipes de recherche académiques, des sociétés privées, groupes ou start-ups. Nano2Life vise aussi à réduire le morcellement des recherches européennes dans ce domaine en intégrant des équipes de 23 organismes de recherche : CEA, CNRS, Inserm, Institut Fraunhoffer, Université de Muenster (Allemagne), Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Universités de Newcastle (Grande-Bretagne), de Lund (Suède) Plus de 200 chercheurs seront impliqués durant les quatre ans de la vie de ce réseau. 20 sociétés privées, groupes et start-ups y sont également associés. Considérée parmi les régions les plus dynamiques en Europe dans les nanobiotechnologies, avec la Sarre, la Westphalie et la Catalogne, Rhône-Alpes a été choisie pour accueillir la réunion de lancement de Nano2life.

Un autre projet majeur, financé par l’Agence de l’innovation industrielle (AII), est le programme ADNA (Avancées diagnostiques pour de nouvelles approches thérapeutiques). Ce programme a pour objectif de contribuer au développement de la médecine personnalisée dans le domaine des maladies infectieuses, des cancers ou des maladies génétiques. Pour cela, les différents acteurs du projet mettent à disposition des outils novateurs dans le domaine du bio-diagnostic et des nouvelles thérapies. Coordonné par Mérieux Alliance, le projet ADNA regroupe 4 partenaires : BioMérieux et GenoSafe pour le diagnostic, Généthon et transgene pour les nouvelles thérapies.

Enfin, une initiative intéressante du CEA en lien avec l’INPG (Institut national polytechnique de Grenoble) et le pôle d’innovation Minatec consiste à mettre les nanobiotechnologies directement au service des patients. Ce projet appelé Clinatec a pour objectif d’intégrer 3 structures / une extension de Minatec regroupant des ingénieurs travaillant sur les nanotechnologies, un laboratoire d’expérimentation animale pour tester les prototypes créés et un bloc opératoire avec quelques chambres pour les applications humaines.

Les limites

Le développement des micro et nanotechnologies est confronté à 2 limites importantes. La première est liée au coût de développement de ces technologies. En effet, la miniaturisation des systèmes microélectronique nécessite un investissements de masse telle que celui qui a été effectué dans le cadre de l’alliance Crolles2 entre ST microelectronics, Philips et Motorola pour un investissement atteignant 3 milliards d’euros en 2007. Ces investissements requièrent la mise en place d’une politique industrielle volontariste en matière de nanotechnologies ainsi que l’établissement d`un réseau entrepreneurial dense et soutenu par les collectivités territoriales ainsi que les autorités nationales et européennes en matière de recherche et d`industrie.
La deuxième limitation est liée à l’acceptation par la population du développement des nanotechnologies et surtout à leurs intrusions dans le domaine de la santé. Afin d’expliquer l’enjeu de ce type de technologies, des cycles de débats publics NanoViv ont été réalisés à Grenoble de septembre en décembre 2006 et ont réuni près de 700 personnes. Malgré la portée de ces technologies dans de nombreux domaines comme la santé, l’énergie ou au niveau de la création de nouveaux matériaux, NanoViv a montré que la population restait vigilante sur de nombreux points. Ainsi, des craintes portes sur la taille et le contrôle des nanoobjets utilisés en matière de santé et sur les responsabilités des différents acteurs intervenant à ce niveau. Il semble clair que le développement harmonieux des nanotechnologies n’est possible que si l’information à l’égard de la population et la transparence en matière de recherche et d’industrie soient respectées.

Sites utiles

CEA LETI : http://www-leti.cea.fr

Laboratoire Biopuces du CEA : http://www-dsv.cea.fr/biopuces

Minatec : http://www.minatec.com

Pole competitivite Minalogic : http://www.minalogic.org

Projet Nanobio : http://www.grenoble-isere.com/102-nanobio.htm

Projet européen Nano2life : http://www.nano2life.org

MEMSCAP : http://www.memscap.com

BioMerieux : http://www.biomerieux.fr

ST microelectronics : http://fr.st.com

Rédaction : Alban Chesneau pour le FIB