Etude biocapteurs et biopuces - e-monsites2.e-monsite.com/2010/02/08/32411234biocapteurs-pdf.pdf ·...

© 2002

Etude biocapteurs et biopuces

Ministère de l’Economie des Finances et de l’Industrie

45 rue Sainte Geneviève, F-69006 Lyon, FranceTel : +33 472 83 01 80 - Fax : +33 472 83 01 83

Web: http://www.yole-dev.com

Dr Michel PROVENCE19 Novembre 2002

Synthèse publique de l’étude Ministère de l’Economie, des Finances et de l’Industrie

© 2002 • 2 Copyright YOLE Développement

Programme du séminaire

I - Présentation de l’étude

1 – Introduction• Périmètre, définitions et objectifs• Méthodologie

2 - Etude de l’offre et de la demande• Offre en biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques

• Demande industrielle

• Activités françaises et internationales

3 – Conclusion

II - Présentation des entreprises : Ipsogen, Apibio, Genolife, Rosatech


Périmètre de l’étude

BioCapteurs/ BioPuces

Robot de lecture et / ou d’analyse

Circuits microfluidiques

Lab-on-chip

Préparation de l’échantillon

Reconnaissance Transduction

Lecture

Détection

Integration

• Fonction dans la chaîne d’analyse biologique

• Composants permettant de réaliser la fonction


Définitions

• Biopuces : Composant planaire ou usiné en surface sur lequel est déposée une matrice de molécules de reconnaissance dont on veut mesurer les interactions avec les espèces biologiques dans un échantillon

• Composants microfluidiques : Composant présentant des motifs micrométriques ou sub-millimétriques permettant la dispense ou la gestion de fluides sur une gamme de volume allant du picolitre à la dizaine de microlitres

• Biocapteurs : Composant associant une membrane qui comprend une espèce biologique permettant la reconnaissance de la molécule recherchée et un transducteur permettant de transformer l’événement de reconnaissance en un signal physique mesurable


Objectifs de l’étude

1 - Réaliser un état de l’art international de l’offre technologique– Industriel– De la recherche– Mettre en évidence les tendances technologiques– Evaluer l’impact des nanotechnologies

2 – Analyser la demande – Analyser la problématique des applications sur différents secteurs

industriels – Mettre en évidence les besoins industriels– Evaluer l’adéquation entre l’offre et la demande

3 - Mettre en évidence les forces et faiblesses des activités françaises dans le contexte international


Méthodologie

• Comité de pilotage de l ’étude :– Martine CHOQUERT, MINEFI– Hubert GALINAT, MINEFI– Philippe PARMENTIER, MINEFI – Rodolphe SERANT, MINEFI– Benoît JACQ, ANVAR– Serge COSNIER, Université Joseph Fourier Grenoble– André DITTMAR, INSA Lyon

• Phase 1 : Etude de l’offre technologique - 3 mois– Entretiens avec 20 fournisseurs de technologies et plusieurs experts académiques– Participation à des conférences, salons et séminaires– Réalisation de plus de 130 profils de fournisseurs– Etude de la propriété intellectuelle : Sous-traitance à l ’Observatoire des Micro et Nano

Technologies

• Phase 2 : Etude de la demande industrielle - 2 mois– Entretiens avec une trentaine d ’industriels de la pharmacie, du diagnostic, des

biotechnologies, de l ’agro-alimentaire et de l ’environnement.


Biopuces, biocapteurs et composants microfluidiques

Etude de l’offre en biocapteurs


Biocapteurs - Approches technologiques

• Foisonnement des approches technologiques au niveau académique

Element biologique• Enzyme

• Anticorps

• Peptides

• Micro-organisme

• Tissu

• Lipides

• Acides nucléiques

Mode de transduction• Electrochimique

• Ampérométrie

• Potentiométrie

• Conductimétrie

• Optique

• Piézoélectrique

• Calorimétrique

Techniques d’immobilisation sur le transducteur

• Adsorption physique

• Inclusion

• Confinement

• Polymérisation

• Greffage covalent


Biocapteurs - Approches technologiques

• Restriction des options au niveau de l’offre industrielle

Element biologique• Enzyme

• Anticorps

• Peptides

• Micro-organisme

• Tissu

• Lipides

• Acide nucléique

Mode de transduction• Electrochimique

• Ampérométrie

• Potentiométrie

• Conductimétrie

• Optique

• Piézoélectrique

• Calorimétrique

Techniques d’immobilisation sur le transducteur

• Adsorption physique

• Inclusion

• Confinement

• Polymérisation

• Greffage covalent


Biocapteurs – Technologies

• Premiers développements : 1956 par Clark

– Association d’une membrane contenant la Glucose Oxydase et une électrode à oxygène

– Commercialisation d’un capteur de glucose basé sur ce principe au milieu des années 70 par Yellow Spring Instruments

Principe de fabrication du capteurampérométrique à membrane enzymatique de Yellow SpringInstruments

Analytes détectables : Sucrose, Lactose, L-Lactate, Galactose, Glutamate, Glutamine, Choline, Ethanol, Methanol


Biocapteurs – Technologies

Détection électrochimique

1ère génération - Essais enzymatiques - Mesure de la consommation oxygène ou de la production de peroxyde d’hydrogène

2ème génération - Essais enzymatiques - Utilisation de médiateurs Redox

3ème génération -Transfert électronique direct entre l ’espèce immobilisée et l’enzyme

Yellow Stone Instruments, Trace Biotech, Analox, Daiichi, Universal sensors, BioSentec,Eppendorf, Beckman Coulter,

Nova Manufacturing, Radiometer, Roche, EKF

Diagnostik, IStat ...

Cranfield Biotechnology Institute (UK) - Medisense /

Abbott, Bayer ...

Développements académiques

Analyseur multi-application de glucose, lactate, ammonium, alcools ...

Intégration dans des stations de mesure au lit du patient

Contrôle de la glycémie


Biocapteurs - Technologies

• Détection optique :

– Résonance du plasmon de surface - Démarrage de la commercialisation d’instruments SPR au début des années 90 par BiaCore.

– Début années 2000 : • Démarrage commercial de nouvelles techniques optiques : guide d’ondes

planaire (Zeptosens, CH), miroir résonant (Unaxis Optics, Li)• Passage de la technologie SPR au format matriciel (matrice de ligands)

• Principe de fonctionnement du SPR (Source Biacore)

• Leaders : Biacore, Texas Instruments, Affinity Sensors, HTS Biosystems, Xantec …


Biocapteurs - Tendances industrielles

• Tendances de l’offre industrielle :– Amélioration de la convivialité des interfaces systèmes / utilisateur - Autonomisation du

système : limitation de l’intervention de l ’utilisateur– Intégration et miniaturisation des systèmes - du composant à l’instrument (ex IStat)– Mesure de paramètres multiples ou passage au format matriciel (Biacore, HTS

Biosystems …)– Médical :

• Développement de techniques non-invasives ou semi-invasives pour la mesure ambulatoire en continu (Cygnus, USA; Therafuse, USA)

• Premiers essais cliniques de biocapteurs implantables - Hopital Lapeyronie de Montpellier / Medtronic Minimed (USA)

• Tendances de la recherche :– Miniaturisation des biocapteurs – Transfert des briques technologiques de base des biocapteurs (chimie de surface,

membranes, modes de transduction ...) pour l’accélération du développement de biopuces

– Intégration des nanotechnologies• Chimies de surface, transduction, ligands - Impression moléculaire, synthèse de ligands,

greffage covalent ...


Biocapteurs - Exemple

Biocapteur : exemple d ’intégration et miniaturisation - Source Istat / Abbott

Prix de vente entre 5 et 8 Euros / cartouche


Source : Clinical Lab Products Magazine, Decembre 2001

Biocapteurs - Exemple

Marché des instruments portables pour la détermination des electrolytes et gaz du sang


Biocapteurs - Facteurs industriels limitants

• Critères techniques :

– Durée de vie des membranes contenant des espèces biologiques– Miniaturisation : reproductibilité de fabrication des microcapteurs (ex.

fabrication et fonctionnalisation des ISFET)– Concurrence des instruments ou protocole standards - (ex. SENTRON)

• Critères économiques :

– Investissement lourd sur des marchés de niche– Marché attractif : Contrôle de la glycémie

• Difficilement accessible car occupé par de grands acteurs médicaux

• Facteurs limitants pour la dynamique industrielle


Conclusion sur l’offre en biocapteurs

• L’offre industrielle en biocapteurs est une offre de produits -composants et systèmes d’analyse - dédiés principalement au diagnostic médical et au contrôle agro-alimentaire

• Sur les applications médicales (90 % des applications des biocapteurs) l’offre est dominée par de très grands acteurs du diagnostic ou de l’instrumentation médicale

– Principales applications : Contrôle du taux de glucose et analyse des gaz et électrolytes du sang

• Les développements s’orientent vers l’autonomisation, l’intégration et la miniaturisation des systèmes

• Les briques de base technologiques des biocapteurs sont en partie transférées vers les biopuces pour accélérer leur développement.



Etude de l’offre en biopuces


Biopuces - Approches technologiques

Composants silicium à

détection optiqueNanogen - Apibio -

Infineon - STM

Basse HauteMoyenne

Composants Silicium à détection électrique / électrochimique

Motorola - Apibio - Cantion - Toshiba -IBM Zurich

Nombre de sondes sur la puce1000 10 000

Synthèse in situ In house -Detection fluorescence(Nimblegen, Febit…)

Nouveaux conceptsFabrication haut débit - BioCept, Corning

Microbilles - Illumina, Luminex, Smart Beads

Puces poreuses - Pamgene , Metrigenix

Puces polymère - Exiqon / Steag Microparts

Maturité technologique

Forte

Techniques de fabrication de biopuces les plus matures

Synthèse In-situ –Détection

Fluorescence (Affymetrix, Agilent)

Lames spottées – Détection Fluorescence (PE, Amersham, Agilent, MWG Biotech, Eurogentec, Rosatech, Stratagene,

Mergen, Takara Shuzo, Phase 1 Moltox, Genomic Solutions, Memorec, QBiogene, Apibio, Sigma Genosys ...)

Synthèse in situRoche / Combimatrix


Biopuces - Offre industrielle

• L’offre industrielle est organisée autour de deux grands types d’utilisateurs de biopuces

Utilisateurs de puces spottées en interne

Equipement de dépôt :Apogent, GeneMachines, Genomic Solutions, Amersham Biosciences, Virtek, Hitachi Genetic Systems …

Lames nues / fonctionnalisées : Telechem Arrayit, Corning, ErieScientific, Schott Glass, Amersham, Apogent, Schleicher & Schuell GmbH, NUNC AS, Exiqon, Asper Biotech ...

Réactifs et ressources biologiques : Incyte, Qiagen, Enzo Diagnostics, Amersham Bioscience, Sigma Genosys, Genisphere ...

Utilisateurs de puces pré-spottées

Scanners & logiciels : Axon, Affymetrix, Agilent, Virtek, GenomicSolutions, AppliedPrecision, Perkin Elmer, Alpha Inotech, Compugen, Curagen, Spotfire, Biodiscovery ...

Fournisseurs de puces :Advanced Array Technology, Alphagene, Clontech, Affymetrix, Agilent, Perkin Elmer, Stratagene, Mergen, Takara Shuzo, Phase 1 Moltox, Genomic Solutions, Memorec, MWG Biotech, QBiogene, Apibio, Sigma Genosys…

Services pour le dépôt à façon : Clontech, Agilent,Rosatech, Eurogentec, Telechem, Affymetrix …



Surface du verre

Molécule de reconnaissance

Ligand

Amino NH2

Aldehyde OH

Carboxy =OOH

Mercapto SH

+ chimies de surface propriétaires

Agent de couplage optionnel en fonction du ligand et la molécule de reconnaissance

Chimies de surface les plus fréquentes

• 2000 - 2002 : Explosion du nombre de fournisseurs de lames de verre fonctionnalisées (Corning, Unaxis Optics, Schott Nexterion, Telechem, Amersham, Apogent, Exiqon, Asper Biotech, UCB Chemicals, Bioslide, Rosatech, Mosaic Technologies, Eppendorf, Erie Scientific, Sigma Genosys …)



Techniques de lecture

Radiochimique Electrochimique Optique

Fluorescence : Axon, Affymetrix, Agilent, Virtek, GenomicSolutions, Applied Precision, Perkin

Elmer, Alpha Inotech, ...

Plasmon de surfaceDiffusion résonnante

• Technique de référence :

• Détection de la fluorescence par scanner ou imageur CCD

• La bio-informatique associée est un facteur clé de succès pour les lecteurs


Technique Non contact

Effet thermique, piézo-électrique,électro-magnétique (Cartesian Technologies (USA), Packard BioScience (USA), Agilent (USA),Gesim (USA), PicoRapid (D)…)

Techniques Contact

Pins solides ou creux – têtes à 12, 48 ou 96 pins (Biorobotics, Genemachines, Amersham, PE, Genomic Solutions, BioRad …) ou Pin and Ring (Affymetrix)

Techniques alternatives propriétaires

Electrochimiques (Nanogen, Combimatrix …) – Tampon (Corning, Genometrix)

Cible marché : industriels, fort volume de production / an

Cible marché : académiques, industriels, tous volumes de

production/ an


Dépôt des sondes• Emergence commerciale des instruments de dépôt non contact

• Emergence d’instruments contact haut débit (GeneMachines)

• Référence : Technique de dépôt contact - entre 1500 et 2000 instruments installés

Prix élevé > 200 000 Euros / instrument Fourchette de 45 000 Euros à 100

000 Euros


Biopuces - Offre industrielle• Puces pré-spottées

– Confirmation de la position dominante d’Affymetrix– Structuration de l’offre en puces pré-spottées

• Puces de profil d’expression• Puces de génotypage• Croissance des puces thématiques d’une pathologie ou d ’un processus métabolique

(cancer, réponse inflammatoire, mécanisme cellulaire …)– Développement d’une offre de services en fabrication de biopuces ou

réalisation de protocoles (extraction, marquage, fabrication de puces, hybridation, lecture, analyse des données …) - Affymetrix, Agilent, Clontech,, Eurogentec, Rosatech ...

• Spotting en interne– Concentration des fournisseurs d’équipement - PE / Packard Bioscience,

Apogent / BioRobotics …

• Emergence d’une offre en puces à proteines (Sense Proteomics, BD Clontech, Somalogic) - Grande variété d ’approches en puces àproteines


Biopuces - Facteurs industriels limitants

• Critères techniques :- Qualité et reproductibilité des lames pré-spottées

- Seuil de détection, sensibilité, gamme de mesure des instruments

- Cinétique d’hybridation

- Analyse et gestion des données

• Critères économiques et comportementaux :- Flexibilité d’utilisation

- Coût en fonction des applications

- Caractère hors cœur de compétence de la fabrication de lames

• Facteurs limitants générant une dynamique de développement


Biopuces - Tendances industriellesFacteurs limitants Tendances et nouvelles approches en développement

Sensibilité et seuil de détection• Biophotonique : Guides d’onde évanescente, miroir résonant, lame à effetmiroir (Unaxis Optics, Novartis, Zeptosens, Amersham …)• Nouveaux marqueurs organiques (Genisphere)• Nouveaux marqueurs minéraux : Nanoparticules (Genicon Life Sciences,Quantum Dots …)

Coût des consommables etsystèmes de lecture • Substrat polymère (Exiqon, Nunc …)

• Synthèse in situ par micro-mirroir ou cristaux liquides (Nimblegen, Febit …)• Intégration de la fabrication en interne• Développement de lecteur bas coût

Flexibilité d’utilisation• Développement de services : puces à façon (Affymetrix, Agilent …)• Tests au format micro-billes (Smart Beads, Luminex, Illumina)• Synthèse in situ en interne (Nimblegen, Febit, Roche …)• Développement d’instruments compatibles au format standard : exemplemicroarrays dans une plaque 96 puits (Apibio, Beckman Coulter, HT Genomics,Advanced Array Technology, SRU Biosystems …)

Cinétique d’hybridation• Accélération de la cinétique par effets électrostatiques (Nanogen,Combimatrix)• Concept de puces poreuses (Pamgene, Metrigenix)


Biopuces - Exemple

Adaptation d‘un biocapteur optique en fonds de plaque 96 puits pour la réalisation de microarrays - Source Unaxis Optics


Biopuces - conclusion sur l’offre

• Offre produits - composants et systèmes - pour des applications en recherche pharmaceutique et biotechnologique

• Montée en puissance de l’offre en services

• Forte segmentation du marché - En cours de consolidation– Structuration des gammes de produits autour des puces pour le profil

d ’expression– Emergence d’une offre en puce thématique

• Facteurs dynamisants pour le secteur :– Facteurs limitants de la première génération de puces – Outils en cours d’intégration dans le développement pharmaceutique– Besoin de validation des données générées par la première génération de

biopuces au moyen de puces thématiques ou de puces à protéines



Etude de l’offre en composants microfluidiques


Lithographie (X-ray, électronique, UV – VIS)

Ablation Laser

µ - Electro Discharge Machining

EDM

Micro-usinage mécanique

(perçage, fraisage …)

Moule /Electrodéposition

Composants Microfluidiques

Chemical /Physical etching

Acier, Polymère, Ceramique, Silicium, Verre

Coupage / Assemblage / Encapsulation

Substrat

Emboutissage InjectionCoulage

Technique

Composants microfluidiques - Offre industrielle


Composants microfluidiques - Offre

Polymère

Verre / Silicium

Pression extérieure

Force centrifuge

Magnétique Electro /phorèse /osmoose /

mouillabilité

Mise en mouvement del’analyte dans

le consommable

Piézo-électrique

Steag MicropartsIMM

Gyros

AMIC

Evotec / Université

Berlin

Tecan

Caliper

Micralyne

OsmoozeTronic’sAviva

Bioscience

BioMérieux

Plateformetechnologique

AMIC


Composants microfluidiques - Offre

• Microplaque detitration

• Techniques de gestion de fluides

• Amplification

• Separation

• Separation

• Spraying

• Cristallisation

• Comptage

• Tri• Electrophysiologie

Criblage haut débit

Genomique Protéomique

Analyse cellulaire

Composants Microfluidiques

• Connection à une analyse en masse, diffraction X, étude

d’interactions protéines - protéines

• En développement

• Applications criblage et

diagnostiques

• Hybridisation

• Séquençage

Préparation échantillon


Microfluidique - Offre en composants «actifs»

Dispense de fluides• Pipettage • Prélèvement• Dépôt de sondes biologiques• Electrospray

Préparation échantillon• Lyse - Extraction• Digestion• Amplification• Cristallisation• Pré-concentration• Dégazage

Séparation & détection•Electrophorèses•Chromatographies

Manipulation de cellules •Transfection• Cytométrie•Tri de cellules•Paramètres électrophysiologiques

Steag MicroParts / Agilent, Micronics / Dionex, Micronics, Gyros / Kratos Analytical

Verre : Caliper / Structural GenomiX, Micralyne

Microparts : Emboutissage à chaud, Micro-injection - microparts.de

Micronics : Découpe laser + Laminage à froid / chaud - micronics.net

Silicium : MicroFab, PicoJet, Colybris, Imtek, Advion BioSciences

Polymère : DiagnoSwiss

Verre : Caliper / Agilent, Caliper, Micralyne / MDS Sciex, Micralyne

Polymère : DiagnoSwiss, Greiner, Aclara

DiagnoSwiss : Gravure plasma PCB -diagnoswiss.com

Verre / silicium : Nanion, CeNes, CytoCentrics, Evotec, Aviva BioSciences, Nanogen

Polymère : Axon Instruments, Micronics, Fluidigm

DiagnoSwiss : Gravure plasma PCB

Thin XXS : hybride polymère -céramique piézo

Micronics : Découpe laser + laminage à froid / chaud - Axon Insturments : coulage

Acteurs industriels cités : projets de développement en cours ou produits sur le marché


Microfluidique - Exemple de composants «actifs»

LabCD - Gyros / Fabrication AMIC pour le mélange et la cristallisation de protéines avant MALDI

Nano - electrospray à 96 buses jetable d ’Advion Biosciences pour l ’analyse MS - Silicium

Puce Electrophorèse de Caliper - Verre

Puce patch clamp - Nanion / verre

Module incubation SAW pour microarray - Advalytix.


Microfluidique - Offre en composants «passifs»

Correction optiqueMicro-lentillesRéseau de lentilles

Détection optiqueRéseau gravé

Connecteur de fibres optiques

Hybridation• Fluidique pour l ’hybridation

Plaques de titration • miniaturisées• à haute densité de puits format SBS• fonctionnalisées (détection, réactifs)

BioMicrosystem (USA), Steag MicroParts (D)

Hybride verre - polymère : Unaxis (Li), Standard MEMS (USA), Xanthon (USA)

Polymère : Aclara (USA), Greiner Bio-One (D), Steag Microparts (D), Weidmann Plastics (CH), SRU Biosystems (USA)

Lesteir Process Technologies (CH), Autotype (UK), Epigem (UK), Micro-Plastics Competence Center / Europractice

Emboutissage à chaud, micro-injection

Emboutissage à chaud, Réplication sur rouleau (UV ou thermique)

Acteurs industriels cités : projets de développement en cours ou produits sur le marché


Plaque 96 puits à détection optique sans label- SRU BioSystems

Film de dépixelisation écran LCD -Fabriqué par réplication UV par Autotype / commercialisé par MicroSharp

Plaque 96 puits miniaturisée fabriqué par Steag MicroParts - Commercialisée par Merlin Diagnostik

Plaques 96 puits + canal fluidique pour le multiplexage de PCR - Fabriqué par Aclara

Microfluidique - Exemple de composants «passifs»


Microfluidique - Choix Technologique / applications

Verre / silicium

Solution hybride Polymère / silicium

• Choix de technologie en microfluidique : Discrimination par volume et coût

• ~ 10 000 pièces / an• Forte valeur ajoutée /

système• Insensible au prix

Ex : Dispense de fluides

• Ordre de grandeur > 1 000 000 unités / an

• Prix visé < qq € / unité

Ex : consommables de criblage haut débit,

applications diagnostiques

Zone Tampon

Polymère / Si / verre / hybride

• ~ de qq dizaines à centaines de millier de pièces / an

• Prix visé qq dizaines € / unité

•Ex : Electrophorèse capillaire (120 000 unités en 2001 /

Caliper)


Composants microfluidiques - Facteurs industriels limitants

• Critères techniques– Difficultés lors de l’industrialisation des prototypes :

• Bouchage des canaux• Apparition de bulles

– Compréhension des phénomènes fluidiques à faible échelle

• Critères économiques– Investissement financier :

• Mise à niveau de l’ensemble des systèmes de gestion de fluides• Re-développement des essais

– Obstacle réglementaire à la diminution du volume (exemple diagnostic)


Microfluidique - Conclusion sur l’offre

• Offre microfluidique :– Offre de plateformes technologiques verre / silicium et polymère pour le

développement et la production de composants– Compétition entre les plateformes– Choix technologiques motivés par des critères de coût et performance

• Démarrage de la commercialisation - très large gamme d’applications

– Consommables pour la préparation des échantillons– Nécessité de nouer des partenariats avec des fabricants d’instrument

pour accéder aux marchés


Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Conclusion sur l’offre

• Offre biocapteurs :– Offre produits - composants et systèmes d’analyse - pour le diagnostic

médical et l’agro-alimentaire

• Offre biopuces :– Offre produits - composants et systèmes - pour des applications en

recherche pharmaceutique et biotechnologique– Offre de services pour la fabrication à façon de biopuces– Forte segmentation du marché - En cours de consolidation– Facteurs dynamisants pour le secteur :

• Limitations de la première génération de puces • Outils en cours d’intégration dans le développement pharmaceutique

• Offre microfluidique– Offre de plateforme technologique verre et silicium– Emergence commerciale et grande variété de développement amont par

rapport à la mise sur le marché


• Impact des nanotechnologies

Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques


Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Impact des nanotechnologies

• Accroissement des financements pour les nanotechnologies

•Aperçu des financements Européens nationaux – Source Technology Roadmapfor Nanoelectronics (millions d’Euros pour l’année 2001)

• Financements internationaux 2001(millions d’Euros)

4.65.86.36.9193963

GrècePortugalEspagneBelgiqueDanemarkAutricheIrlande

0.40.40.41.22.02.53.5

FinlandeSuèdeItaliePays-BasFranceUKAllemagne

449422184

JaponUSAEurope


• Augmentation des financements mais peu de résultats industriels visibles pour le moment

• Premières réalisations en bio-photonique :– Utilisation de nanoparticules pour la détection (Genicon Life Sciences,

Quantum Dots …)– Utilisation de couches minces optiques (Unaxis Optics)

• Intégration dans certains thèmes de recherche sur les biocapteurs et biopuces :

– Développement de membranes à l’échelle moléculaire :• Impression moléculaire, bi-couches lipidiques, développement de ligands

synthétiques

• Développements amont dont l’impact sur les applications industrielles est naissante

Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques - Impact des nanotechnologies


• Synthèse brevets

Biocapteurs, biopuces et composants microfluidiques


Synthèse brevets

• Etude des brevets clés liés aux puces à ADN effectuée par l ’Observatoire des Micro et Nano Technologies

– Méthodologie : Recensement auprès de experts de l ’OMNT les brevets clés dans le domaine des puces à ADN

– Une centaine de brevets clés ont été recensés, listés et décrits par les experts de l ’OMNT

• La plupart des brevets sont originaires des Etats-Unis en dehors des brevets fondateurs d ’Edwin Southern (OGT)

• Les brevets recensés couvrent la fonctionalisation de surface, les méthodes de fabrication, les techniques de marquage et les techniques de lecture.


Affymetrix OGT

Applied BiosystemsUniv. Colorado / Caruthers

Protogene

Incyte / Stanford Univ. Multilyte

CombimatrixCombimatrix

Invitrogen Gene Logic Nanogen

MIT

BeckmanCoulter

Genometrix

Motorola

Vysis

Abbott

HoffmannLaroche

Hyseq

Définition Microarray

Electrochimie

Synthèse in situ

Dépôt sonde pré-synthétisées

Brevets puces à ADN : procédures passées et en cours

Procès en contrefaçon, nullité. Attaquant défendant

Opposition sur brevet européen




Affymetrix

Applied BiosystemsUniv. Colorado / Caruthers

Protogene

Incyte / Stanford Univ. Multilyte

Combimatrix

Invitrogen Nanogen

Définition Microarray

Electrochimie

Synthèse in situ

Dépôt sonde pré-synthétisées

Brevets puces à ADN : procédures en cours (janv. 2002)

EP 619 321

EP 61 746, US 4’458’066, US 4’500’707, US 5’132’418US 5’153’319, US 4’973’679

US 6’093’302

US 5’807’522US 6’110’426






• Nombreux conflits en propriété intellectuelle au cours des années 90

• Règlement des conflits à partir du début 2000– Les brevets de définition (Southern / OGT et Fodor / Affymetrix)

ont joué un rôle central dans les conflits en propriété intellectuelle – Les acteurs des puces doivent passer des accords de licence avec

un des deux acteurs

• La majorité des brevets sur les puces à ADN est originaire des Etats-Unis– La stratégie de dépôt de brevets est utilisée pour protéger l’accès

aux marchés– Extension de cette stratégie à la microfluidique (Ex Affymetrix)

Conclusions sur les brevets



Etude de la demande


Pharmacie et biotechnologies de santé : demande

• Intégration des biopuces dans la découverte de médicaments

Identification / validation de cibles

Sélection et optimisation de candidats

Evaluation pré-clinique

Evaluation clinique

Marché émergent :

• Evaluation de la toxicité

• Réalisation de profils génomiques

• Modulation thérapeutique

Demande actuelle :

• Profils d’expression différentielle

• Génotypage

Marché futur :

• Intégration des profils d’expression dans le criblage


Estimation de l’évolution du marché des biopuces

0

500 000

1 000 000

1 500 000

2 000 000

2 500 000

3 000 000

3 500 000No

mbr

e d'

unité

s

2001 2002 2003 2004 2005 2006

Spotting interneHypothèse basse

Spotting interneHypothèse haute

Puces pré-spottéesHypothèse basse

Puces pré-spottéesHypothèse haute

Hypothèses de croissance sur 5 ans :• Hypothèse : +15 % / an (Source Affymetrix : + 25 % pour 2002)


Pharmacie et biotechnologies de santé : demande

• Demande générée par l’offre : microfluidique • Automates de dispense et gestion de fluides en très faible volume (dispenseurs et

automates de gestion de fluides)

• Composants pour l’électrophorèse capillaire – Analyse de fragments d ’ADN ou d ’ARN (contrôle qualité avant réplication par PCR)– Séparation de protéines et de cellules

• Demande intrinsèque : Outils pour la protéomique, la détection précoce de toxicité et la compréhension des mécanismes cellulaires

• Fluidique pour la préparation de l ’échantillon pour la spectrométrie de masse : electrospray, matrice MALDI …

• Mesure de la cinétique des interactions protéines - protéines par biocapteur SPR • Puces à protéine pour l’étude des mécanismes cellulaires et la détection de la réponse

inflammatoire

• Caractéristiques de la demande :• Contraintes sur les coûts relativement faibles• Diminution de l’investissement sur le développement d’instruments


Diagnostic médical : demande en biopuces

• Les applications diagnostiques ont des contraintes économiques fortes par rapport aux applications en biotechnologie

• Biopuces– Développements actuels :

• Outils de recherche clinique et d ’aide au diagnostic, en particulier dans la cancérologie, les maladies cardio-vasculaires et pour la modulation thérapeutique

• Aucun test n’a reçu d’autorisation réglementaire de mise sur le marché à ce jour.

– A plus long terme :• Les applications des puces à ADN pourraient viser la microbiologie et les maladies

infectieuses. • Incertitude sur le choix technologique pour les tests de biologie moléculaire : PCR

quantitative, Fluorescence sur lames de verre, membranes nylon, micro-billes, composant silicium. Le choix technologique est fonction du coût visé pour l ’application.

• Microfluidique - Les développements microfluidiques sont faits en parallèle aux développements de biopuces


Diagnostic médical : demande en biocapteurs

• Forte croissance des applications liées à l’auto-diagnostic et au diagnostic décentralisée

Applications

Auto-diagnostic Diagnostic décentralisé

• Contrôle en conditions critiques (Radiometer, Abbott - Istat, Bayer …)

• Coagulation (Roche, Abbott, Bayer …)

• Immunoessais rapides - grossesse, fonctions cardiaques, abus de drogue -

BioSite Diagnostics

• Contrôle de la glycémie (Roche, Johnson & Johnson, Medisense

…), tests de grossesse ...

• Simplicité d’utilisation et robustesse• Biocapteurs à usage unique

• Minimum d’intervention pour l’utilisateur (système de Radiometer auto-calibrant et auto-nettoyant)


Applications pharmaceutiques et diagnostiques - Perspectives d’évolution des applications des biopuces

Découverte / validation de

cibles

• Expression / typage

• Développement d’essais

• Recherche

Essais pré-cliniques / Essais cliniques

Identification et optimisation de candidats

• Suivi thérapeutique

• Toxico-génomique

Thérapie personnalisée

2001 : marché actuel 2002 - 2004 : marchés émergents

2004 - 2008 : Futurs marchés

En développement

Volume moyen de biopuces / applications /

acteurs

100

1 000

10 000

100 000Diagnostic

• Typage de souches (HIV, hépatite)

• Typage de cancer

• Suivi thérapeutique

• Marqueurs cardiaques

• Microbiologie

• Immunologie1 000 000

Diagnostic prédictif


Nouveaux Concepts médicaux


Applications pharmaceutiques et diagnostiques - Perspectives d’évolution des applications de composants fluidiques

2001 : marché actuel 2002 - 2004 : marchés émergents


Concepts en développement

Contrôle Qualité ADN / ARN

Séparation de protéines

Analyse cellulaireElectrophorèse capillaire

Intégration de composants fluidiques sur puces à ADN

Contrôle de l ’hybridation

PCR miniaturisée sur puce / carte

Protéomique / analyse cellulaire

Composants fluidiques pour la spectrométrie de masse / cristallographie

Patch clamp sur puces / Tri de cellules sur puces


Agroalimentaire

• Applications ciblées par les biocapteurs et biopuces

AgroalimentaireRecherche

Sélection variétale

Nutrition

Contrôle des matières premières

Procédés de transformation

Contrôle réglementaire

• Génotypage

• Profils d’expression

• Détection d ’OGM

• Identité génétique

• Analyses microbiologiques


• Dosage de certains composants (sucres, vitamines …)


• Identification génétique

• Détection d’OGM

Traçabilité


Agroalimentaire : biopuces et biocapteurs

• Applications citées:– Recherche agro-alimentaire amont - biopuces haute densité Affymetrix pour le profil

d ’expression sur le génome humain et sur les génomes animaux et végétaux. Quelques dizaines à quelques centaines de composants par an

– Puces de génotypage - puces spottées pour le développement de variétés - quelques milliers à dizaines de milliers de composants par an

– Puces à détection colorimétrique pour la détection de pathogènes

– Contrôle de composition et contrôle de procédés: utilisation de biocapteurs (contrôle du déroulement du procédé de transformation, contrôle qualité après la production, contrôle réglementaire après la mise sur le marché)

• Applications envisageables en fonction du coût / analyse et de l’évolution de la réglementation

– Analyses microbiologiques : Contrôle de matière première, contrôle de procédé de transformation et contrôles réglementaires (marche potentiel important en nombre d ’analyses)

– Identification génétique : Détection d ’OGM, traçabilité, contrôle de composition


Environnement : biopuces et biocapteurs

• Applications ciblées par les biocapteurs et biopuces

Environnement

Contrôle de toxicité sur les eaux de

prélèvement

Analyses lors de la purification et du traitement

d’eaux usées

Contrôle réglementaire avant distribution

Capteur biologique Analyses microbiologiques

Contrôle des pesticides, phosphates

Analyses microbiologiques


Environnement : biopuces et biocapteurs

• Contrôle sur les eaux de prélèvement– Techniques de référence : mesure d ’un paramètre global de toxicité et des paramètres

physico-chimiques des eaux– Solutions alternatives : utilisation d ’organismes vivants pour la détection de pollution (truites

ou daphnies).– Développement de biocapteurs au stade du prototype : utilisation d’algues et bactéries

électroluminescentes

• Contrôle des eaux en traitement :– Développements en cours de biopuces pour l’analyse bactériologique : Projet Aquagen

(Lyonnaise des Eaux) et Aquachip (Genolife)– Détection des pathogènes dans l’eau

• Contrôle réglementaire :– Attente de validation des outils


Agroalimentaire / Environnement -Contraintes

• Marché potentiel très important en nombre d’analyses, notamment pour la microbiologie

• Fortes contraintes de coût :

– Orientations technologiques vers des solutions compatibles avec les contraintes économiques (choix des matériaux, réactifs, modes dedétection …)

• Validation réglementaire des outils– Attente vis-à-vis de l’évolution de la réglementation


• Demande très hétérogène en fonction des secteurs industriels :

– Recherche en biotechnologie et développement pharmaceutique :• Peu sensible au coût des instruments et consommables• Orientée vers :

– La protéomique– La détection précoce de toxicité– La validation des données d’expression génomique

– Diagnostic / aide au diagnostic• Sensible au coût en fonction des applications (microbiologie / typage de

cancers)• Incertitude sur l’option technologique à long terme

– Agro-alimentaire / environnement• Très sensible au coût• Divers couples technologies / applications envisageables dépendantes

des contraintes réglementaires et économiques

Conclusion sur la demande industrielle



Activités françaises et internationales


Activités internationales

• Activités dominées par les acteurs des USA :– Composants– Systèmes– Propriété intellectuelle

• Financement important en Asie, notamment au Japon, sur les biopuces et composants fluidiques pour compenser le retard par rapport aux USA et à l’Europe

– Peu de retombée industrielle visible pour l’instant– Forte influence des grandes sociétés d ’instrumentation asiatiques - Toshiba,

Olympus, Hitachi, Sony - par l ’intermédiaire de partenariats avec des sociétés européennes et américaines - Nanogen, Pamgene

• Acteurs Européens présents au niveau R&D sur les composants– Faiblesse sur l’instrumentation – Leadership sur la micro-réplication polymère– Implication de grands groupes du semi-conducteur comme Infineon, ST

Microelectronics ...


Activités françaises

• Forte présence au niveau de la R&D sur les composants :– Impact des centres de compétence en microtechnologies (CEA

LETI, LAAS, IEMN, IMFC, ESIEE ...)– Transfert des savoir-faire en instrumentation par la création

d’entreprises : Genoptics, Rosatech, Apibio ….

• Positionnement très innovant sur certains marchés industriels dont le diagnostic et le contrôle agro-alimentaire

• Implication de grands groupes - Sanofi Synthélabo, bioMérieux

• Faiblesse relative : – En instrumentation et en robotique

• Instrumentation : problématique de l’accès au marché– En microfluidique– En réplication polymère



Conclusion



Offres technologiques de nature différente :– Biocapteurs : Offre produits – Biopuces : Produits (Composants et systèmes) et services– Composants microfluidiques : Offre services - Emergence de la

commercialisation

Marchés à fort potentiel très segmentés– Nombreuses applications ayant des contraintes économiques et

réglementaires différentes– Choix technologiques en fonction :

• de critères économiques sur certaines applications• de critères de performance sur d’autres applications

Difficulté d’accès au marché sans partenaire de l’instrumentation :• Le choix d ’un partenaire et d ’un modèle d ’affaire est

déterminant pour les fabricants de composants



• Observations liées aux activités françaises et internationales :– Nécessité d’interaction dès les premiers stades des

développements entre fabricants de systèmes, fabricants de composants et utilisateurs finaux de la biologie

• Définition des spécifications et de l’architecture système

– Nécessité pour les fabricants de composants d’accéder aux marchés par l ’intermédiaire des sociétés spécialisées en instrumentation pour les sciences de la vie

– La protection intellectuelle et industrielle est un outil indispensable d ’ouverture et de fermeture des marchés


• Pistes d’amélioration :

– Favoriser les rapprochements inter-disciplinaires

– Soutenir l’implication des sociétés d’instrumentation et les projets de développement d’instrumentation

– Favoriser les échanges d ’information entre centres de ressources technologiques et industriels - Partager la veille technologique et la veille marché au moyen de structures comme l ’OMNT

– Soutenir les thématiques en faiblesse relative et notamment la microfluidique, réplication polymère



• Remerciements

– Membres du comité de pilotage– Industriels et experts académiques rencontrés au cours de

l’étude– OMNT :

• Stéphane FONTANELL– YOLE Développement :

• Michel PROVENCE, Caroline BALSALOBRE, Eric MOUNIER, Jean-Christophe ELOY

– Pour recevoir MicroNews, enregistrez vous sur notre site internet via http://www.yole.fr


Etude biocapteurs et biopuces - e-monsites2.e-monsite.com/2010/02/08/32411234biocapteurs-pdf.pdf ·...

Documents

Transcript of Etude biocapteurs et biopuces - e-monsites2.e-monsite.com/2010/02/08/32411234biocapteurs-pdf.pdf ·...