La microfluidique est appliquée à la mise au point de microcolonnes à chromatographie en phase gazeuse portatives pour des utilisations dans des domaines allant du dépistage médical aux procédés industriels. L’article aborde la mise au point de phases stationnaires sur puce de silicium : pulvérisation de couche mince dans des microcanaux ou monolithe poreux à base de silice ; l’idéal serait évidemment de pouvoir utiliser l’air comme gaz vecteur.

Accédez au texte original (lien externe)

Les biomédicaments sont produits par des cellules-usines génétiquement modifiées et confinées (bioproduction). Les biomédicaments n’ont pas vocation à remplacer les médicaments chimiques : la chimie peut même les améliorer, allonger leur demi-vie dans l’organisme, ou les renforcer par conjugaison avec des radioisotopes ou des cytotoxiques puissants.
 

Toutes ces modifications chimiques se réalisent sur les protéines purifiées, en post-bioproduction, et sont encore loin de pouvoir se faire par biologie de synthèse, en modifiant le patrimoine enzymatique de la cellule-usine. Pourtant plusieurs exemples sont donnés montrant que la biologie de synthèse commence pourtant à se développer pour les biomédicaments. De tels biomédicaments en sont actuellement au stade des essais cliniques, et constituent une première étape vers une biologie de synthèse qui soit encore plus ambitieuse.

De plus en plus de dispositifs médicaux sont implantés chez l'homme. 5% des patients accueillis à l'hôpital contractent une infection nosocomiale et 50% de ces infections sont liées à des dispositifs médicaux. 4000 décès par an en France sont dus à ces infections.

Dans l'optique de trouver des solutions efficaces, des revêtements antimicrobiens ont été développés ces dernières années pour recouvrir les surfaces d'implants, de cathéters, de sondes ou bien encore de pansements. Ainsi au laboratoire de l'Inserm « Biomatériaux et Bioingénierie », sont développés des revêtements à base de polymères naturels qui se greffent facilement sur tous types de surfaces. Les polymères utilisés ont des propriétés particulières et notamment se sont révélés être de puissants antimicrobiens. En utilisant un de ces polymères chargé positivement avec un autre polymère chargé négativement, il est possible de les déposer en « couche par couche » sur les surfaces. Les polymères peuvent ainsi s'assembler directement sur le dispositif médical. Lorsque les bactéries responsables des infections arrivent sur les surfaces, les polymères positifs se collent sur les membranes négatives des bactéries et les détruisent avec une grande efficacité.

Tous les types de bactéries peuvent être ainsi détruits au contact de ces polymères sans cependant que ceux-ci soient toxiques pour notre organisme. Des prochaines étapes sont prévues pour poursuivre les validations de ce nouveau revêtement antimicrobien.

La biologie de synthèse est à la fois l’ingénierie rationnelle de la biologie, et l’étude de la vie par la voie de la synthèse. C’est un domaine pluridisciplinaire, où biologistes, chimistes, physiciens, informaticiens, et statisticiens conjuguent leurs créativités pour concevoir rationnellement, construire à façon et tester des systèmes biologiques normalisés, reproductibles, doués de fonctions spécifiques.

Cette conférence et sa version écrite présentent la biologie de synthèse en tant que domaine récent, et l'illustrer par certains de ses succès et applications. La biologie de synthèse est ensuite rapprochée de la chimie de synthèse, d'une part en dressant les analogies de leurs développements historiques, d'autre part à travers les relations concrètes qu'entretiennent actuellement ces deux domaines dans la recherche et l'innovation. Les futurs développements espérés pour ce nouveau domaine sont présentés en conclusion.

La rétrosynthèse peut aussi être appliquée en biologie et notamment en ingénierie métabolique. Le problème consiste à trouver des réactions enzymatiques de façon à synthétiser des molécules cibles à partir de métabolites naturellement produits par les organismes châssis sur lesquels l’ingénierie est pratiquée. En biologie, il est aussi nécessaire de coder ces réactions et de rechercher les séquences enzymatiques capables de les catalyser. Pour ce faire, des méthodes d’apprentissage automatique issues de l’intelligence artificielle qui peuvent aussi être appliquées dans le cadre plus général de la rétrosynthèse organique sont utilisées.
 

Des méthodes d’énumération et de classement ainsi que leurs implémentations expérimentales pour la production de molécules bioactives dans des souches châssis tel qu'Escherichia coli sont présentées. Les méthodes de rétrosynthèse s’appliquent aussi à la construction de biosenseur où il est nécessaire de trouver les réactions enzymatiques capables de transformer une molécule à détecter en une autre pouvant agir sur l’expression des gènes. Des applications dans le cadre de la détection de polluants environnementaux, de la détection de biomarqueurs et de la construction de systèmes de détection multiplexes pouvant être utilisés comme outils de diagnostic sont expliquées.

L'un des plus grands défis du diagnostic est la détection précoce et spécifique des maladies, ce qui présente la clé d’une prévention et d’une thérapie plus efficace. Une telle détection précoce peut être effectuée de manière pratique en analysant des fluides corporels, tels que le sang, l'urine ou la salive. Les maladies peuvent provoquer un changement de la quantité (concentration) de certaines biomolécules (par exemple des protéines ou des acides nucléiques spécifiques) dans ces fluides et habituellement ce changement est minime aux premiers stades de la maladie. Il est très important que le diagnostic permette de quantifier de telles biomolécules, appelées biomarqueurs moléculaires, aux concentrations très faibles dans les fluides corporels.

Les molécules ou nanoparticules fluorescentes peuvent aider à identifier et à quantifier les biomarqueurs par une analyse très sensible de la couleur, de l'intensité et du temps de décroissance de la fluorescence. En employant différentes molécules ou nanoparticules fluorescentes, on peut étudier, quantifier et comprendre des interactions de biomolécules, qui sont la base de la plupart des processus biologiques, y compris les maladies. En particulier, le FRET (transfert d’énergie par résonance de type Förster), qui décrit un transfert d'énergie entre deux molécules fluorescentes à une distance très proche (<10 nm), est un outil très puissant pour le diagnostic biomoléculaire.
Des exemples d’application sont présentés notamment les nouveaux développements qui permettent de détecter des concentrations ultra faibles (femtomolaires).

La biologie de synthèse ambitionne de doter des organismes de nouvelles fonctions biologiques inédites en manipulant des briques d’ADN naturelles ou synthétiques. Son application à la santé s’est principalement centrée sur la synthèse de molécules thérapeutiques et sur des bio-senseurs de diagnostic. Néanmoins, avec l’avènement du séquençage haut débit du génome des patients, les promesses d’une médecine de plus en plus individualisée se font concrètes.

Ainsi, le traitement du cancer est en phase de subir une profonde révolution, via le développement d’immunothérapies anti-tumorales propre à chaque patient. L’utilisation du système immunitaire s’avère très prometteuse pour éradiquer tumeurs primaires et métastases. Pour répondre à la problématique d’une médecine totalement personnalisée contre le cancer, Inovactis développe une immunothérapie innovante capable de reprogrammer directement in vivo le système immunitaire du patient contre n’importe quelle cible exprimée par les cellules cancéreuses.

De nombreux médicaments ou candidats médicaments présentent des caractéristiques physicochimiques peu favorables au passage des barrières biologiques qui séparent le site d’administration du site de l’action pharmacologique. Ces barrières mécaniques, physicochimiques ou enzymatiques réduisent l’accès des principes actifs vers la cible biologique et provoquent des déperditions importantes de molécules actives vers d’autres tissus générant ainsi des effets toxiques parfois rédhibitoires. Ces problèmes peuvent être résolus par l’utilisation de nano-objets, d’une taille de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, capables d’encapsuler les molécules pharmacologiquement actives.

C’est pour toutes ces raisons que le développement de nanomédicaments a pris un essor considérable au cours des dernières années. S’appuyant sur de nouveaux concepts physicochimiques et sur le développement de nouveaux matériaux, la recherche galénique a permis d’imaginer des systèmes sub-microniques d’administration, éventuellement fonctionnalisés par des ligands spécifiques, capables : (i) de protéger la molécule active de la dégradation et (ii) d’en contrôler la libération dans le temps et dans l’espace. En associant un principe actif à un nanovecteur, le franchissement de certaines barrières peut aussi être facilité, le métabolisme et l’élimination du médicament freinés et sa distribution modifiée pour l'amener à son site d'action.

Les progrès réalisés dans le domaine de la conception de matériaux « intelligents » permettent enfin de préparer des nanosystèmes capables de libérer le principe actif en réponse à un stimulus endogène ou exogène : modification de pH, de force ionique, variation de température ou application d’un champ magnétique extracorporel, d’ultrasons ou de photons. Il est également possible de concevoir des nanomédicaments dotés d’une double fonctionnalité thérapeutique et diagnostique (imagerie), par exemple, en rajoutant dans le cœur du nanovecteur un agent d’imagerie (gadolinium, particules ultrafines d’oxyde de fer etc.). Cette approche dite de « théranostique » ouvre la voie à une médecine plus personnalisée. Enfin, le concept de nanoparticules « multimédicaments » associe dans le même nanovecteur plusieurs molécules ayant une activité pharmacologique sur des cibles biologiques différentes mais complémentaires.

Ces concepts seront illustrés par trois exemples de nanovecteurs développés dans le laboratoire.

Les bactéries subissent les attaques permanentes de bactériophages ou phages. En retour, elles ont développé une impressionnante diversité de systèmes immunitaires pour résister à ces infections. Les CRISPR sont le système immunitaire adaptatif des procaryotes. Ils sont capables de mémoriser les infections passées en capturant des fragments d'ADN de phage puis d'utiliser cette mémoire pour détruire les séquences homologues grâce à l'action de nucléases (Cas) guidées par des petits ARN. Ces nucléases programmables sont au cœur de nombreuses applications technologiques, y compris pour la modification des génomes et le contrôle de l'expression génétique.
 

Guider les nucléases Cas pour couper le chromosome tue les bactéries de manière efficace. Cette propriété est utilisée pour développer des antibactériens spécifiques capables de cibler les gènes de virulence et de résistance aux antibiotiques.

Une autre application fascinante des systèmes CRISPR est l’utilisation du mutant catalytique de la protéine Cas9, connu sous le nom de dCas9. Cette protéine guidée par un petit ARN est capable de s’attacher à une séquence d’ADN cible sans la cliver et peu ainsi bloquer l’expression de gènes cibles de manière très efficace. Les mécanismes permettant de contrôler ainsi l’expression génétique de manière très fine sont étudiés et des méthodes permettant la réalisation de cribles à haut débits sont développés pour l’étude des génomes.

Toutes les cellules de notre corps ont la même séquence d'ADN, cependant une cellule de neurone diffère d'une cellule de foie. Ainsi, bien qu’ayant le même ADN, les cellules ne lisent pas les mêmes séquences. Elles ont reçu le même livret d'instructions, mais ne lisent pas les mêmes chapitres !

Les modifications épigénétiques participent à indiquer à la cellule quels chapitres lire et donc quel gène exprimer. Principalement, l’épigénétique est constituée des modifications chimiques de l’ADN et des histones qui régulent l’accès à l’information génétique.

Les anomalies du profil épigénétique sont impliquées dans l'initiation et la progression du cancer, ainsi en les modifiant chimiquement il est possible de reprogrammer les cellules cancéreuses vers un état moins agressif. La méthylation de l’ADN est une modification épigénétique qui est dérégulée dans les tumeurs. Deux inhibiteurs ciblant cette méthylation sont actuellement utilisés en clinique pour traiter des leucémies.

Plusieurs stratégies chimiques pour développer de nouveaux inhibiteurs de la méthylation de l’ADN et des histones qui sont capables de déméthyler les promoteurs de gènes suppresseurs de tumeurs dans les cellules cancéreuses et réactiver leur expression sont présentées.