Les 10 principales innovations biotechnologiques que vous devez connaître

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 innovations involve genetic engineering, diagnostics, or assays, reflecting on the importance of synthetic biology on current biotechnological developments. Here are the top 10 biotech innovations that are transforming the industry. 

 1. Single Cell Technologies

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 are typically developed by systematic evolution of ligands using exponential enrichment (SELEX,[6]), which generate stable DNA or RNA molecules that are highly selective to its target. For environmental testing or medical diagnostics where sample complexity is high, aptamers might just be the right type of molecule and a number of companies have focused on developing aptamers for these purposes. For example, South Korea-based Aptamer Sciences has developed an in vitro diagnostic test called the AptoDetect-Lung that assesses the risk of a patient developing lung cancer by detecting seven lung cancer biomarqueurs [7]. The test was shown to improve diagnostic accuracy compared to CT scan examination [8]. AptoDetect-Lung was recently granted diagnostic approval by the Korean Ministry of Food and Drug Safety [7].

3. Current Cell Therapies 

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. Stem Cell Applications

Depuis le début des années 1980, les scientifiques étudient les conditions et le contrôle de l'identité de ce qui cellules souches differentiate. The ability to generate the desired cell type by controlled differentiation proved to be industrially important in areas such as développement de médicaments, regenerative medicine, and the manufacture of valuable bio-materials. For example, one Canadian-based company, NovoHeart, developed a solution for researchers looking to conduct drug tests for cardiac diseases. Their MyHeart platform utilizes iPSCs to generate human cardiac tissue or organ models, such as their human ventricular cardiac organoid chamber (or human heart-in-a-jar), which more closely mimics the actual human heart environment than animal models typically used during preclinical development [13, 14]. MyHeart is intended to predict, more accurately, the effects of new drugs before they head to les essais cliniques. Another company is focused on bringing stem cell technology directly to the point of need. 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].

"En intégrant @HarvardEn combinant la technologie du bioréacteur à valve et notre propre cœur humain en bocal, Novoheart va porter ses capacités de modélisation des maladies à un niveau de biofidélité sans précédent pour les essais cardiaques humains in vitro" - Kevin Costahttps://t.co/zBwXX48EPL

- Novoheart (@Novoheart) 19 décembre 2019

 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. CRISPR-based Platforms

Depuis la découverte de la Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9 adaptive immune response by the groups of Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier [21], both of whom are this year’s Nobel prize recipients in chimie, a number of CRISPR-based companies have been established. However, the first commercial application actually began in 2007 when scientists at Danisco (acquired by DuPont in 2011) discovered short repeat sequences in the genome of one of their yogurt bacteria, 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. Synthetic Génomiqueen 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. Directed Evolution Platforms

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 Therapeutics, a drug discovery company based in Berkeley, developed the Chemotype Evolution platform to identify novel drugs. During Chemotype Evolution, a set of small molecules are linked to a proprietary fragment collection to generate a library of candidate drugs. The library is screened against a human target and selected candidate drugs are submitted to further rounds of linkage and selection until the candidate drug has evolved into an high-affinity binding molecule [34]. Using Chemotype Evolution, Carmot identified two candidate compounds that are currently in clinical trials [34]. Other companies are using directed evolution to generate microbial platforms. Primordial Genetics, a San Diego-based biotech, is developing a platform that produces large microbial libraries through combinatorial genetics called the Function Generator [35]. Function Generator allows them to select for specific microbes that can potentially address a range of issues, from identifying stress tolerant yeasts for biofuel production to microbes capable of degrading plastics efficiently [35].

7. Microbiome-based Innovations 

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 developed the Environmental Genomics platform to assist their clients in monitoring liquid waste output and prevent contamination of natural water bodies [39]. The platform profiles waste samples by detecting genetic biomarkers that are specific to key microbes, informs on potential operational issues (such as insufficient ammonia removal), and directs waste water treatment [39]. Sunnyvale-based 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. DNA Hard Drives

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. DNA Origami 

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]. Nanovery’s nanorobots are designed using intelligence artificielle to detect circulating tumor DNA (ctDNA) [53]. Their diagnostic nanorobot is intended to replace current liquid biopsy tests for ctDNA, which require extensive time and cost. The nanorobot is inserted into a blood sample and if cancerous DNA is detected, lights up within 1-2 hours. As mutations continue to accumulate in cancerous DNA, Nanovery intends to continuously evolve their nanorobots to detect these new mutations [53].

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— Genetic Engineering & Biotechnologie News (@GENbio) 10 décembre 2017

10. Artificial Intelligence in Medicine

Bien que intelligence artificielle et apprentissage machine are not considered biotechnologies, they deserve a mention due to their impact in the medical field. Research interest in AI-based medical applications has grown significantly over the past decade, as shown by the 20-fold increase in relevant publications from 2010 (596 papers) to 2019 (12422) [54]. At the time of writing, there were a little over 70 market approved AI algorithms for medical applications, according to a study conducted by the University of Groningen and the Medical Futurist Institute [54, 55]. A number of these applications use image-based machine learning algorithms for the analysis, diagnosis, or assessment of disease. 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.

Références

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