Les 10 principales innovations biotechnologiques que vous devez connaître

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Jennifer Huen, biochimiste indépendant sur Kolabtree, présente les 10 principales innovations biotechnologiques sur le marché aujourd'hui. Découvrez les principaux produits et services des sciences de la vie et les entreprises qui les proposent.  

Les innovations biotechnologiques n'ont cessé de croître au cours des dix dernières années, non seulement dans le domaine médical, mais aussi dans les secteurs de l'agriculture, de l'environnement et de l'énergie. La quasi-totalité de ces biotech Les innovations concernent le génie génétique, les diagnostics ou les tests, ce qui témoigne de l'importance de la biologie synthétique dans les développements biotechnologiques actuels. Voici les 10 principales innovations biotechnologiques qui transforment le secteur. 

 1. Technologies de la cellule unique

Les technologies unicellulaires fournissent des vues détaillées des environnements cellulaires et sont des outils importants utilisés dans la découverte de médicaments et la recherche clinique. Avec le séquençage de la prochaine générationLes technologies unicellulaires donnent une image plus réaliste d'une population cellulaire, ce qui est particulièrement important pour comprendre l'hétérogénéité de l'environnement tumoral. Comme ces technologies sont principalement utilisées dans le cadre de la recherche, un certain nombre de sociétés de recherche sous contrat proposent des plates-formes de séquençage et d'analyse de cellules uniques avec des panels d'ADN spécifiques. Par exemple, Bio de la mission propose sa plateforme Tapestri, qui permet aux chercheurs d'établir le profil génétique de chaque cellule d'une population donnée en utilisant un flux de travail microfluidique en deux étapes combiné au séquençage de cellules individuelles [1]. Le profilage spécifique à une maladie peut être réalisé en utilisant des panels d'ADN spécifiques, tels que le panel de leucémie lymphoblastique aiguë [1]. Les analyses de cellules uniques nécessitent généralement plusieurs machines avec des protocoles distincts, mais Berkeley Lights a franchi une étape supplémentaire en développant une seule machine capable de traiter et d'analyser les cellules une par une, simultanément. Le Beacon est capable de manipuler plusieurs cellules individuelles dans une puce optofluidique contenant des dizaines de milliers de minuscules chambres cellulaires [2]. En utilisant la diélectrophorèse induite par la lumière, des cellules spécifiques sont séparées en vue d'une analyse plus poussée, telle que le dépistage du répertoire des anticorps, comme l'a démontré la société de découverte de médicaments, Aldevron [2, 3]. Le Lightning a également été lancé récemment pour répondre à la recherche spécifique sur les cellules T [4].

2. Biocapteurs à aptamères 

Les glucomètres, les tests de grossesse et les détecteurs de métaux lourds ne sont que quelques-uns des détecteurs à base de biocapteurs mis au point et utilisés depuis les années 1960 [5]. Les biocapteurs sont constitués d'enzymes, d'anticorps ou de microbes qui permettent de lire le composé détecté. Les nouvelles technologies de détection se sont concentrées sur les méthodes basées sur les aptamères d'acide nucléique, car elles ont le potentiel d'être plus sensibles, stables et rentables que les méthodes précédentes. Biocapteurs à aptamères sont généralement développés par évolution systématique des ligands à l'aide de l'enrichissement exponentiel (SELEX, [6]), qui génèrent des molécules d'ADN ou d'ARN stables et hautement sélectives vis-à-vis de leur cible. Pour les tests environnementaux ou les diagnostics médicaux où la complexité des échantillons est élevée, les aptamères pourraient être le bon type de molécule et un certain nombre de sociétés se sont concentrées sur le développement d'aptamères à ces fins. Par exemple, la société sud-coréenne Aptamer Sciences a mis au point un test de diagnostic in vitro appelé AptoDetect-Lung, qui évalue le risque qu'un patient développe un cancer du poumon en détectant sept biomarqueurs du cancer du poumon [7]. Il a été démontré que le test améliore la précision du diagnostic par rapport à l'examen tomodensitométrique [8]. Le ministère coréen de l'alimentation et de la sécurité des médicaments a récemment approuvé le diagnostic de l'AptoDetect-Lung [7].

3. Les thérapies cellulaires actuelles 

La gestion des maladies chroniques nécessite parfois des traitements médicamenteux répétés, mais imaginez s'il existait un moyen d'administrer les médicaments là où ils sont nécessaires, quand il est nécessaire, automatiquement. C'est dans cette optique que les scientifiques développent des thérapies cellulaires délivrant des médicaments [9]. Chez les patients diabétiques de type 1, l'altération des cellules β pancréatiques entraîne une carence en insuline et une accumulation de glucose dans le sang, ce qui provoque des symptômes tels que des mictions fréquentes, une soif excessive et des maux de tête [10]. Une solution possible est en cours de développement par SeraxisL'objectif de ce projet est de mettre au point un dispositif implantable composé de cellules pancréatiques cultivées en laboratoire qui réagissent directement à la glycémie du patient [11]. Le dispositif contient des cellules d'îlots fabriquées à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) et vise à éliminer les traitements médicamenteux pour ces patients. Une autre société qui développe actuellement des traitements ponctuels implantables est la société d'Auckland Technologies des cellules vivantes. Leur thérapie NTCell consiste en une capsule recouverte d'alginate contenant des cellules néonatales du plexus choroïde qui est implantée dans le cerveau de patients atteints de la maladie de Parkinson [12]. Les cellules du plexus choroïde fournissent du liquide céphalo-rachidien, des mitogènes et d'autres facteurs qui favorisent la croissance et la fonction neuronales [12]. En 2013, Living Cell Technologies a parrainé le premier essai clinique au monde de thérapie cellulaire régénératrice pour la maladie de Parkinson et évalue actuellement NTCell pour des études ultérieures.

4. Applications des cellules souches

Depuis le début des années 1980, les scientifiques étudient les conditions et le contrôle de l'identité de ce qui cellules souches se différencier. La capacité de générer le type de cellule souhaité par différenciation contrôlée s'est avérée importante sur le plan industriel dans des domaines tels que le développement de médicaments, la médecine régénérative et la fabrication de biomatériaux précieux. Par exemple, une société basée au Canada, NovoHearta mis au point une solution pour les chercheurs qui souhaitent effectuer des tests de médicaments pour les maladies cardiaques. Leur plateforme MyHeart utilise des iPSC pour générer des modèles de tissus ou d'organes cardiaques humains, tels que leur chambre organoïde cardiaque ventriculaire humaine (ou cœur humain en bocal), qui reproduit plus fidèlement l'environnement cardiaque humain réel que les modèles animaux généralement utilisés pendant le développement préclinique [13, 14]. MyHeart est destiné à prédire, avec plus de précision, les effets des nouveaux médicaments avant qu'ils ne soient soumis à des essais cliniques. Une autre société s'efforce d'apporter la technologie des cellules souches directement au point de besoin. BioGenèse des plaquettesune startup de 2014 basée dans le Massachusetts, développe un bioréacteur mobile à la demande pour la thérapie cellulaire sur le terrain, comme dans les postes médicaux militaires [15, 16]. Le bioréacteur fabrique des cellules de type plaquettes dérivées d'iPSC qui sont actuellement développées pour traiter les maladies de la coagulation du sang comme la thrombocytopénie immunitaire [16].

 Les technologies des cellules souches ne se limitent certainement pas à la recherche et aux traitements médicaux, comme en témoigne le nombre d'entreprises qui investissent dans les viandes de culture et les protéines alternatives. Grâce à l'agriculture cellulaire, des entreprises comme Champs d'avenir, Viandes de Memphiset Super Meat mettent au point du poulet, du bœuf, du canard, des œufs et du lait cultivés en laboratoire. La première galette de hamburger a été produite en 2013 dans le laboratoire de Mark Post à l'université de Maastricht, mais au prix colossal d'environ $300 000 USD [17, 18]. Depuis, les entreprises se sont lancées dans une course pour réduire les coûts de fabrication, la société israélienne Super Meat faisant potentiellement la course en tête : lancement du premier menu de dégustation de poulet cultivé en laboratoire en octobre prochain dans leur restaurant, The Chicken [19, 20].

5. Plateformes basées sur CRISPR

Depuis la découverte de la Streptococcus pyogenes La réponse immunitaire adaptative CRISPR-Cas9 par les groupes de Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier [21], toutes deux lauréates du prix Nobel de chimie de cette année, a permis la création d'un certain nombre d'entreprises basées sur CRISPR. Toutefois, la première application commerciale remonte en fait à 2007, lorsque des scientifiques de Danisco (rachetée par DuPont en 2011) ont découvert de courtes séquences répétées dans le génome d'une de leurs bactéries de yaourt, Streptococcus thermophilus [22, 23]. Ils ont identifié qu'il s'agissait de répétitions palindromiques courtes régulièrement espacées en grappes (CRISPR), utilisées par S. thermophilus pour lutter contre les infections par les bactériophages [23]. Dupont a ensuite utilisé cette découverte pour créer des souches résistantes aux phages dans son processus de fabrication de yaourts [22, 23]. Environ dix ans plus tard, divers systèmes CRISPR-Cas ont été caractérisés, jusqu'à la structure atomique, CRISPR-Cas9 étant le plus étudié.

La tendance à développer des organismes d'importance industrielle s'est poursuivie jusqu'à ce jour et, grâce à la technologie CRISPR-Cas9, elle est plus rapide que jamais. Génomique synthétiqueen partenariat avec Exxon Mobile, met au point des microalgues modifiées par CRISPR qui produisent davantage de lipides, ce qui améliorerait la fabrication du pétrole en réduisant potentiellement les émissions de CO2 et la dépendance aux combustibles fossiles [24, 25]. PLANTeDit et Toolgen utilisent CRISPR-Cas9 pour créer des cultures durables telles que le soja sans introduire d'ADN étranger [26]. C'est ce qu'on appelle l'édition du génome sans ADN. Bien que leurs cultures soient modifiées génétiquement, elles échappent aux obstacles réglementaires des OGM [26].

Les premières entreprises à entrer dans des essais cliniques sur l'homme avec une thérapie basée sur CRISPR sont les suivantes Thérapeutique CRISPR et Vertex Pharmaceuticals en 2018 [27-29]. Le CTX001 est un ex vivo Cette thérapie est étudiée pour le traitement de la β-thalassémie et de la drépanocytose [30]. La thérapie consiste à extraire les cellules souches sanguines du patient, à modifier les gènes à l'aide de CRISPR-Cas9 et à réintroduire les cellules chez le patient. Bien que l'évaluation clinique du CTX001 soit encore précoce, les résultats préliminaires (présentés en juin dernier) ont montré les avantages potentiels du traitement chez les patients atteints d'hémoglobinopathies [31].

6. Plateformes d'évolution dirigée

En 2018, Frances Arnold, George Smith et Gregory Winter ont reçu le prix Nobel de chimie pour leurs recherches sur l'évolution dirigée des enzymes, des peptides et des anticorps [32]. Les plateformes d'évolution dirigée impliquent généralement la génération de grandes bibliothèques génétiques randomisées qui expriment des variantes du gène d'intérêt. Ces bibliothèques sont criblées en sélectionnant les variantes de protéines qui présentent les propriétés souhaitées, telles qu'une liaison accrue au ligand ou une activité catalytique. Ce processus est généralement répété en criblant d'autres bibliothèques basées sur les variants sélectionnés jusqu'à ce qu'un seuil de sélection soit atteint. Un certain nombre de produits thérapeutiques à base de protéines ont été mis au point grâce à ce processus : Humira (AbbVie), Lumoxiti (MedImmune), et Gamifant (NovImmune) [33].

Une entreprise a développé la technologie de l'évolution dirigée. Carmot Therapeuticsune société de découverte de médicaments basée à Berkeley, a développé la plateforme Chemotype Evolution pour identifier de nouveaux médicaments. Au cours de Chemotype Evolution, un ensemble de petites molécules est lié à une collection de fragments brevetés pour générer une bibliothèque de médicaments candidats. La bibliothèque est criblée contre une cible humaine et les médicaments candidats sélectionnés sont soumis à d'autres cycles de liaison et de sélection jusqu'à ce que le médicament candidat devienne une molécule à haute affinité de liaison [34]. En utilisant Chemotype Evolution, Carmot a identifié deux composés candidats qui font actuellement l'objet d'essais cliniques [34]. D'autres entreprises utilisent l'évolution dirigée pour générer des plates-formes microbiennes. Primordial Genetics, une société de biotechnologie basée à San Diego, développe une plate-forme qui produit de grandes bibliothèques microbiennes par le biais de la génétique combinatoire, appelée Function Generator [35]. Le Function Generator leur permet de sélectionner des microbes spécifiques qui peuvent potentiellement répondre à toute une série de problèmes, de l'identification de levures tolérantes au stress pour la production de biocarburants aux microbes capables de dégrader efficacement les plastiques [35].

7. Innovations basées sur les microbiomes 

En 2007, les National Institutes of Health des États-Unis ont lancé le Human Microbiome Project (HMP) afin de fournir une aide financière, des bases de données de référence et d'autres ressources pour la recherche sur le microbiome [36]. En conséquence, la création du HMP a favorisé une explosion des résultats de la recherche et une augmentation significative de l'aide financière [36]. Au fil des ans, les outils de recherche informatiques et statistiques (en raison des énormes ensembles de données générés) et un certain nombre d'entreprises spécialisées dans le microbiome ont vu le jour. Nombre de ces entreprises se sont concentrées sur le traitement de maladies humaines, comme les solutions topiques qui restaurent le microbiome de la peau (AOBiome, [37]) ou l'administration de médicaments à l'aide de bactéries intestinales (Blue Turtle Bio, [38]), tandis que d'autres entreprises ont utilisé les technologies du microbiome d'autres manières. Aster Bio a développé la plateforme Environmental Genomics pour aider ses clients à surveiller les rejets liquides et à prévenir la contamination des masses d'eau naturelles [39]. La plateforme établit le profil des échantillons de déchets en détectant des biomarqueurs génétiques spécifiques aux principaux microbes, informe sur les problèmes opérationnels potentiels (tels qu'une élimination insuffisante de l'ammoniac) et oriente le traitement des eaux usées [39]. Basée à Sunnyvale Floragraphe examine également les déchets, mais a l'intention d'introduire l'analyse du microbiome directement dans les foyers [40]. Leur appareil portable pour le microbiome est conçu pour les clients intéressés par l'autosurveillance des maladies chroniques ou par le suivi de la santé des animaux de compagnie en analysant le microbiome des échantillons de selles [40]. Bien qu'il soit difficile de savoir combien de personnes voudraient analyser leurs propres selles à la maison, le Floragraph apporte portabilité, rentabilité et accessibilité à l'analyse du microbiome. Pour les applications médicales et de recherche sur le terrain, cet appareil pourrait bien répondre aux besoins.

8. Disques durs ADN

Nous avons parcouru un long chemin depuis les premiers jours des systèmes de stockage de données électroniques comme le tambour magnétique et les disquettes. Les progrès technologiques ont permis d'augmenter la capacité de stockage de nos données par des ordres de grandeur énormes, de quelques dizaines de kilo-octets (tambour magnétique) à des pétaoctets (serveurs en nuage) [41]. Cet énorme espace de stockage s'accompagne d'un besoin d'espace physique considérable pour héberger les fermes de serveurs qui soutiennent le nuage. Les scientifiques ont envisagé pour la première fois l'utilisation de molécules d'ADN pour le stockage de données en 1988, avec l'insertion de 35 bits de uns et de zéros codant une image carrée de 5 par 7 dans l'ADN. E. coli génome [42, 43]. Depuis lors, diverses institutions et entreprises ont investi leurs efforts dans le développement de systèmes de stockage de données basés sur l'ADN, étant donné que le coût, la consommation d'énergie et l'espace sont considérablement réduits par rapport au maintien de fermes de serveurs [42]. Il est remarquable que l'on estime que le stockage de toutes les données du monde tiendrait dans un seul kg d'ADN [42]. Alors comment peut-on "télécharger" ses photos ou sa musique dans l'ADN ? Des scientifiques du Université de Washington et Microsoft ont tenté de résoudre ce problème dans leur étude de validation du concept d'un système de stockage automatisé de l'ADN [44]. Ils ont démontré que leur dispositif était capable de coder un "Bonjour" de 5 octets dans une séquence d'ADN, de synthétiser, de stocker, de séquencer l'ADN et de récupérer le "Bonjour" [44]. L'ensemble du processus a pris 21 heures et ne serait pas pratique aujourd'hui pour stocker une seule photo. Mais étant donné la vitesse à laquelle de telles technologies sont développées, il ne sera pas surprenant de les voir disponibles dans un avenir très proche.

9. Origami ADN 

L'appariement des bases des nucléotides dans l'ADN et l'ARN en fait un matériau biomoléculaire attrayant doté de capacités d'"auto-assemblage". Cela a été démontré par différents groupes au milieu des années 2000 [45-47], notamment par Paul Rothemund qui a présenté une méthode d'assemblage de l'ADN en carrés, triangles, visages heureux et autres formes bidimensionnelles [48]. En 2017, plusieurs laboratoires de recherche ont réussi à construire les plus grandes nanostructures d'ADN : de grands nanorods, des briques et des tuiles qui se sont assemblés pour former d'énormes structures dont la longueur varie de quelques centaines de nanomètres à plus d'un micron [49-51]. Ces études présentent des images claires et tridimensionnelles des nanostructures d'ADN, ce qui montre que les acides nucléiques peuvent être conçus pour s'assembler en un nombre illimité de structures ayant un potentiel d'application en médecine, en électronique et dans les biomatériaux. Actuellement, l'origami d'ADN est développé pour générer des plateformes d'administration de médicaments (Génisphère), les nanorobots de diagnostic (Nanovery), et des nanofabriques intégrant des enzymes pour des applications telles que la production de métabolites (TissuNano) [52]. Les nanorobots de Nanovery sont conçus à l'aide de l'intelligence artificielle pour détecter l'ADN tumoral circulant (ADNc) [53]. Leur nanorobot de diagnostic est destiné à remplacer les tests actuels de biopsie liquide pour l'ADNc, qui nécessitent beaucoup de temps et d'argent. Le nanorobot est inséré dans un échantillon de sang et, si de l'ADN cancéreux est détecté, il s'allume dans les 1 à 2 heures. Comme les mutations continuent de s'accumuler dans l'ADN cancéreux, Nanovery a l'intention de faire évoluer continuellement ses nanorobots pour détecter ces nouvelles mutations [53].

10. L'intelligence artificielle en médecine

Bien que l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique ne soient pas considérés comme des biotechnologies, ils méritent d'être mentionnés en raison de leur impact dans le domaine médical. L'intérêt de la recherche pour les applications médicales basées sur l'IA a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie, comme le montre la multiplication par 20 des publications pertinentes entre 2010 (596 articles) et 2019 (12422) [54]. Au moment de la rédaction du présent rapport, il existait un peu plus de 70 algorithmes d'IA approuvés par le marché pour des applications médicales, selon une étude menée par l'Université de Groningue et le Medical Futurist Institute [54, 55]. Un certain nombre de ces applications utilisent des algorithmes d'apprentissage automatique basés sur l'image pour l'analyse, le diagnostic ou l'évaluation des maladies. QuantX de Qlarity Imaging est un outil permettant aux radiologues d'identifier plus rapidement et plus précisément les taches anormales sur les images d'IRM du sein [56]. Dans une étude clinique évaluant la capacité d'un radiologue à identifier correctement des lésions malignes sur des images IRM, les radiologues ont obtenu de meilleurs résultats en utilisant le logiciel QuantX [57]. La recherche s'est particulièrement intéressée au développement de robots médicaux entièrement autonomes, qui sont actuellement formés pour accomplir des tâches très spécifiques. Le dispositif IDx-DR, développé par Diagnostic numériqueL'application, qui a été mise au point par la Commission européenne, capture des images de la rétine pour diagnostiquer la rétinopathie diabétique, une cause de cécité chez les patients diabétiques [58]. Les images sont analysées par une machine IA entraînée à détecter les biomarqueurs tels que les dépôts de protéines et les exsudats, et produit un rapport de diagnostic en 30 secondes. Des efforts sont également en cours pour développer des robots chirurgicaux entièrement autonomes, des assistants médicaux à domicile et des robots d'aide à la santé mentale.

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À propos de l'auteur

Jennifer Huen a obtenu son doctorat en biochimie à l'université de Toronto et est la fondatrice de Huen Structure Bio, une société de recherche et de conseil en biologie moléculaire. Elle a été consultée dans les domaines de la découverte de médicaments, du développement d'essais, de la faisabilité de produits, de la création de contenu scientifique, et a été publiée dans diverses revues évaluées par des pairs.

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